研究性學(xué)習(xí)視角下的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)*①

郝會(huì)穎　趙長春　張自力　邢 杰　吳秀文　李庚偉　田恩科　高 祿　申 坤

[中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院　北京　100083]

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研究性學(xué)習(xí)視角下的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)*①

郝會(huì)穎趙長春張自力邢 杰吳秀文李庚偉田恩科高 祿申 坤

[中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院北京100083]

在研究性學(xué)習(xí)的視角下，對(duì)大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了價(jià)值重構(gòu).由傳統(tǒng)的教師準(zhǔn)備、教師操作、學(xué)生被動(dòng)地通過物理現(xiàn)象理解物理規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)槔醚菔緦?shí)驗(yàn)優(yōu)化課堂時(shí)空結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，結(jié)合課外創(chuàng)新活動(dòng)鼓勵(lì)學(xué)生自主研發(fā)演示實(shí)驗(yàn)裝置.使大學(xué)物理課堂演示平臺(tái)成為低年級(jí)大學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的新載體.

大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)研究性學(xué)習(xí)

1　引言

在對(duì)創(chuàng)新型人才的訴求日益強(qiáng)烈的時(shí)代背景下，發(fā)展研究性學(xué)習(xí)已成為教學(xué)模式改革的重要方向.縱觀近幾年研究性學(xué)習(xí)在大學(xué)物理教學(xué)中的實(shí)踐，基本可以概括為學(xué)生介入科學(xué)研究、撰寫課程論文、課堂討論等方式.這些教學(xué)改革已經(jīng)取得了豐碩的成果[1].然而在實(shí)際操作中這些模式在某種程度上也存在著困難：首先，大一新生由于缺乏相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，直接介入科研的難度較大；其次，課程論文大部分仍以書本或課外參考資料為載體,即停留在書面上，不容易激發(fā)學(xué)生的興趣；第三，大學(xué)物理以大班的形式組織上課，課堂討論實(shí)現(xiàn)起來較為困難.可見，尋求適合低年級(jí)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的新切入點(diǎn)、新載體已勢在必行.

課堂演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中并非新生事物.通常由教師在課下進(jìn)行準(zhǔn)備，在課堂上進(jìn)行操作演示，學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理解相關(guān)物理規(guī)律.從這個(gè)角度上講，演示實(shí)驗(yàn)的價(jià)值似乎僅僅在于幫助學(xué)生更為直觀地理解物理知識(shí).然而在研究性學(xué)習(xí)的新視角下，通過適當(dāng)改革演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒄{(diào)整學(xué)生在演示實(shí)驗(yàn)中的角色，可對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的價(jià)值進(jìn)行重構(gòu)，使其教育功能大大提升，成為研究性學(xué)習(xí)的切入點(diǎn)和載體.本文以中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的教學(xué)實(shí)踐為例，談?wù)勅绾卫么髮W(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)研究性學(xué)習(xí).

2　利用演示實(shí)驗(yàn)優(yōu)化課堂時(shí)空結(jié)構(gòu) 促進(jìn)學(xué)生自主探究 提高學(xué)習(xí)效益

在課堂時(shí)間觀中，課堂時(shí)間長度和時(shí)間密度是兩個(gè)主要因素.其中時(shí)間密度更為重要，課堂時(shí)間密度是指教學(xué)活動(dòng)合理運(yùn)用的時(shí)間與一節(jié)課總時(shí)間的比例.一般來講，合理運(yùn)用的時(shí)間包括復(fù)習(xí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)、布置作業(yè)等，非合理運(yùn)用的時(shí)間包括教師處理課堂紀(jì)律、表達(dá)羅嗦等等[2].然而，筆者認(rèn)為單純的時(shí)間密度指標(biāo)并不能完全反映課堂效率.即便是一節(jié)按照定義時(shí)間密度達(dá)到100%的課，實(shí)際課堂效率也未必高.因?yàn)閷W(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，課堂效率應(yīng)以學(xué)生的有效學(xué)習(xí)作為考察指標(biāo)，也就是學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間效益.影響學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間效益的因素主要有兩方面：第一，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段是否有吸引力；第二，學(xué)生的思維是處在活躍期還是波谷期.心理學(xué)研究表明，一節(jié)45分鐘的課，在課堂最初的20分鐘里，學(xué)生的思維基本處在活躍期， 而在25～35分鐘范圍內(nèi)學(xué)生的思維將會(huì)進(jìn)入“思維波谷區(qū)”.采用研究性教學(xué)方法，讓學(xué)生自主探究物理規(guī)律，可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)的吸引力，使學(xué)生的思維在長時(shí)間內(nèi)處在活躍狀態(tài)，跨越思維波谷區(qū)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效益.

而在課堂上的研究性學(xué)習(xí)又如何開展呢？在實(shí)踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)僅僅通過給定問題，讓學(xué)生進(jìn)行小組討論研究的做法并不十分成功，因?yàn)檫@些問題通常是停留在紙面上的，并不能引起學(xué)生太大的興趣.但如果以演示實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，通過觀察有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再提出問題，讓學(xué)生進(jìn)行研究，情況就大不相同了.學(xué)生探索的積極性會(huì)空前的提高.例如，在講到剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，準(zhǔn)備兩個(gè)質(zhì)量和形狀完全相同但質(zhì)量對(duì)軸的分布不同的圓柱體，同時(shí)從相同的斜面上滾動(dòng)下來，觀察是否同時(shí)落到水平面上.引導(dǎo)學(xué)生探究轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物理意義及決定因素.在思維波谷區(qū)，通常盡量展示趣味性強(qiáng)的演示實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的探究興趣.例如，展示小鴨自動(dòng)喝水裝置，在沒有任何動(dòng)力裝置的情況下，小鴨一會(huì)兒低下頭去，把頭埋于水中，一會(huì)兒又抬起頭來，反復(fù)不停地低頭“飲水”和抬頭“換氣”.這有趣而神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引起學(xué)生極大的好奇心，學(xué)生會(huì)主動(dòng)探索其中的奧秘，思維會(huì)重新進(jìn)入活躍狀態(tài).可見，在課堂時(shí)間結(jié)構(gòu)中適時(shí)引入演示實(shí)驗(yàn)，可有效地去除或縮短思維波谷區(qū).

為了與各個(gè)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)相適應(yīng)，將大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)模塊：第一，導(dǎo)入類，這類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，通常在引入新課時(shí)用；第二，模型類，通過對(duì)物理模型(如正晶體)的觀察，總結(jié)模型特點(diǎn)，進(jìn)而探究其所遵循的物理規(guī)律；第三，解決問題類，即探究如何應(yīng)用已學(xué)物理規(guī)律解決實(shí)際問題的演示實(shí)驗(yàn).在演示過程中，輔以交互式討論等教學(xué)方法，充分突出學(xué)生的主體性.

從空間上來講，在教室中放入演示實(shí)驗(yàn)器材，增添了物理學(xué)習(xí)氣氛.同時(shí)采用可移動(dòng)式演示，即將演示裝置放在推車上，可根據(jù)需要在教室不同區(qū)域進(jìn)行演示.拉近了學(xué)生與演示實(shí)驗(yàn)的距離，促進(jìn)學(xué)生探究的積極性.

3　轉(zhuǎn)變學(xué)生角色 與實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目相結(jié)合 鼓勵(lì)學(xué)生自主研發(fā)演示實(shí)驗(yàn)器材

傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)都是由教師進(jìn)行準(zhǔn)備和操作，學(xué)生只要進(jìn)行觀察就可以了.因此教師通常是演示實(shí)驗(yàn)的主角.為了提高學(xué)生的積極性，我們改變了學(xué)生角色，使其成為主角.經(jīng)常會(huì)布置一些簡單易行的演示實(shí)驗(yàn)作為課下作業(yè)，課堂上請(qǐng)學(xué)生代表進(jìn)行演示操作，再進(jìn)一步進(jìn)行合作探究.例如在講液體的表面張力之前，讓學(xué)生課下試驗(yàn)縫衣針能否漂在水面而不下沉.聽到這個(gè)問題時(shí)，大部分學(xué)生都表示縫衣針不可能漂在水面上，因?yàn)槠涿芏却笥谒?課下，學(xué)生饒有興趣的拿一根縫衣針放到一片薄綿紙上，小心地把它們平放在小盒內(nèi)的水面上，再小心地用細(xì)棍把已浸濕的紙按到水下面，驚奇地發(fā)現(xiàn)針的確可以漂在水面上，這樣學(xué)生便有了研究的興趣.課堂上，請(qǐng)學(xué)生代表進(jìn)行演示后，開始探究針的受力情況，進(jìn)而引入表面張力.通過這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)使學(xué)生親歷了知識(shí)的產(chǎn)生與形成過程.

另外，演示實(shí)驗(yàn)所用的材料相對(duì)簡單、廉價(jià)，對(duì)技術(shù)、工藝要求不高，只要能定性地說明物理規(guī)律、模型即可，因此特別適合正在學(xué)習(xí)大學(xué)物理的低年級(jí)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新和制作.目前，我校已設(shè)立了針對(duì)大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目，為原材料的購置提供了必要的資金保障.我們鼓勵(lì)學(xué)生自由組合，形成不同的創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)，自主研發(fā)演示實(shí)驗(yàn)儀器.對(duì)于構(gòu)思巧妙的作品可以鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)發(fā)明專利，參加全國教具大賽，并用于大學(xué)物理的實(shí)際課堂教學(xué).目前學(xué)生已經(jīng)自主開發(fā)了縱駐波演示儀、基于偏振原理的新型眼罩、逆風(fēng)行舟演示裝置等10余項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn).

4　以演示實(shí)驗(yàn)為切入口 改革學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)模式

研究性學(xué)習(xí)的理論根源是“建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論”，在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)注重學(xué)習(xí)的自主性、探究性、綜合實(shí)踐性，最后還要給予相應(yīng)的學(xué)業(yè)評(píng)價(jià).學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)在一定程度上決定著教育教學(xué)改革的成敗.很多好的改革舉措都由于沒有與之相應(yīng)的考試改革而以失敗告終.在提倡研究性學(xué)習(xí)的今天，應(yīng)該讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在地體驗(yàn)到以探究的方式去學(xué)習(xí)能得到很好的成績，而不是靠傳統(tǒng)的題海戰(zhàn)術(shù)，這是一種很重要的動(dòng)力.目前我們已經(jīng)試點(diǎn)引入演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)分，即對(duì)研制出優(yōu)異的教學(xué)演示儀器的團(tuán)隊(duì)給予加分獎(jiǎng)勵(lì).

5　結(jié)束語

研究性學(xué)習(xí)的本質(zhì)在于知識(shí)的自主構(gòu)建，其目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新能力.在研究性學(xué)習(xí)的新視角下，我們對(duì)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了價(jià)值重構(gòu).

首先通過演示實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了課堂時(shí)空結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了學(xué)生的自主探究.

其次轉(zhuǎn)變了學(xué)生在演示實(shí)驗(yàn)中的角色，由配角變?yōu)橹鹘牵瑢W(xué)生代表可以取代教師進(jìn)行課堂演示操作；與實(shí)驗(yàn)室開放基金相結(jié)合，為學(xué)生提供了自主創(chuàng)作的平臺(tái).

最后，在學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)上引入獎(jiǎng)勵(lì)學(xué)分，鼓勵(lì)學(xué)生以演示實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，進(jìn)行研究性學(xué)習(xí).

1盧德馨. 研究性教學(xué)20年——理念、實(shí)踐、物理. 北京：清華大學(xué)出版社，2008

2王小艷，周亞君.課堂時(shí)空觀視角下的教學(xué)成效. 現(xiàn)代教育科學(xué)(普教研究)，2011(6)：52 ～53

The University Physics Demonstration Experiment in the Perspective of Research-oriented Learning

Hao HuiyingZhao ChangchunZhang ZiliXing JieWu XiuwenLi GengweiTian EnkeGao LuShen Kun

(School of Science，China University of Geosciences，Beijing100083)

The value of university physics demonstration experiment is reconstructed in the perspective of research-oriented learning. Traditionally, the experiment was prepared and operated by teacher, while students were passive to understand physical laws through physical phenomena. This situation has been changed now. We optimized space-time structure by using demonstration experiment, and guide students to discover the physical law by themselves. Combining with extracurricular innovation activities, we encourage students to independently research and development demonstration experimental device. As a result, university physics classroom demonstration platform has become a new carrier for research-oriented learning of junior college students.

university physics； classroom demonstration experiment； research-oriented learning

郝會(huì)穎(1972-), 女,博士，教授，主要從事半導(dǎo)體材料及器件研究.

2016-04-11)

①*2014年度北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革立項(xiàng)面上項(xiàng)目“多元化物理類課程體系的構(gòu)建與教學(xué)模式創(chuàng)新”,項(xiàng)目編號(hào)：2014-ms132；2013年度中國地質(zhì)大學(xué)(北京)教改項(xiàng)目“依托物理學(xué)科，培養(yǎng)地學(xué)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才”，項(xiàng)目編號(hào)：JGYB201323；2014年度教育部高等學(xué)校大學(xué)物理學(xué)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)研究立項(xiàng)項(xiàng)目“‘大地學(xué)’背景下大學(xué)物理‘4+2+1’教學(xué)模式的探索與實(shí)踐”，項(xiàng)目編號(hào)：DWJZW201410hb