設計性大學物理實驗中問題提出教學方法探究

田 菁

(華東師范大學教師教育學院 上海 200062)

柴志方

(華東師范大學物理與電子科學學院 上海 200062)

根據(jù)教指委發(fā)布的理工科類大學物理課程教學基本要求，大學物理課程除了為學生打下堅實的知識基礎外，還應該注重培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識.學生習得物理知識固然重要，但學生學會學習、學會在實踐中創(chuàng)造性地運用知識更加重要，因此，大學物理課程應該立足于培養(yǎng)新世紀創(chuàng)新型人才，有意識地培養(yǎng)學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力.

大學物理實驗是大學物理課程的重要組成部分，大學物理實驗課程特別是設計性物理實驗課程是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的重要途徑，設計性、研究性的實驗給了學生一定的空間進行創(chuàng)新，學生可以自己設計實驗、準備實驗器材，完成實驗任務，甚至制作出有創(chuàng)造性的作品.有研究者對設計性、研究性大學物理實驗的教學模式進行了理論和實踐的探索，如馬世紅等人創(chuàng)造性地設計了3類設計性、研究性的大學物理實驗課程[1]，適合于不同層次的學生，在學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上產(chǎn)生了很好的效果.還有研究者基于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)進行了物理實驗教學的改革，如馮元新等人采用了“翻轉課堂”和開放創(chuàng)新物理實驗室相結合的方式[2]，幫助學生自主開展研究性、設計性的實驗，為培養(yǎng)實踐型、創(chuàng)新型學生開創(chuàng)了新的途徑.

在現(xiàn)行的設計性大學物理實驗教學過程中，實驗題目往往是由教師事先給出的，注重的是實驗方案的設計.設計性實驗教學的過程中缺少了學生自己提出問題的環(huán)節(jié)，在這種情況下學生問題提出的能力難以得到訓練.為此，本文對設計性大學物理實驗的教學過程進行重新設計，為學生提供問題提出能力的訓練機會，以培養(yǎng)學生的問題意識和問題提出能力.

1 問題提出模式的設計

1.1 問題提出的理論基礎

不同研究者對問題提出的概念有不同的見解，張玲研究了問題提出的定義和內(nèi)涵[3]，她認為：“問題提出是基于特定的問題情境形成并表達問題的認知活動，同時兼具教學手段和教學目標的角色.”E.A.Silver認為問題提出是指[4]：“通過對情境的探索產(chǎn)生新問題，或在解決問題過程中對問題的再闡述.”問題提出可以發(fā)生在問題解決前、解決中和解決后3個階段.Norma C.Presmeg采用 Stoyanova E(1996)對問題提出的界定[5]，定義數(shù)學問題提出為一個過程，在此過程中，學生根據(jù)個人的數(shù)學經(jīng)驗對具體情況進行解釋，并據(jù)此提出有意義的結構良好的數(shù)學問題.綜上，問題提出是指在特定的問題情境中，形成并表達問題的認知活動，也是由結構不良問題轉化為結構良好問題的過程.本研究正是嘗試將設計性物理實驗中的實驗項目設計為問題情境，學生在問題情境中首先提出結構不良問題，之后通過問題表征以及問題解決的過程形成一個結構良好的問題.

1.2 “1+n”物理實驗教學新方法

為了實現(xiàn)設計性物理實驗對學生問題提出能力的培養(yǎng)，通過對物理實驗教學過程和內(nèi)容的重新設計，形成了基于問題提出的“1+n”物理實驗教學新方法.

“1+n”中的“1”即是教師提供給學生的實驗任務，該任務是一個看上去結構良好的實驗項目，教師基于該實驗任務開展問題情境的設計.例如，教師可以提供與理想模型有差別的實驗儀器，讓學生在理論與事實之間產(chǎn)生矛盾，通過矛盾產(chǎn)生新的問題；讓學生思考所用儀器有無新的替代方案，促進學生發(fā)散思考，生成新的實驗方案；通過鼓勵學生考慮實驗結果的應用，促進學生提出拓展性的問題，等等.學生在問題情境中通過經(jīng)驗和邏輯的檢驗后發(fā)現(xiàn)問題并初步提出問題.學生在提出問題后對問題開展研究，因為每一個學生都會面臨不同的問題，開展不同的探究，因而就形成了“1+n”中的“n”.

“1+n”教學方法下，學生在問題解決過程中不斷對自己所提出的問題進行完善，首先學生要確定新問題中各要素間的關系并進行問題表征，其次是學生通過探究，對所提問題進行假設、并通過實驗對其進行檢驗，這是一個反復探究的過程，在探究的過程中可以適時開展師生交流、生生交流.新問題探究完成后學生才會最終形成完整的新問題的表達.因此在實際探究的過程中，問題的提出階段、解決過程是交叉融合的，在最后獲得探究結果并進行表征時可能還會發(fā)現(xiàn)有需要完善的部分，從而還會返回到前兩個階段.

2 問題提出教學方法的實踐

下面結合“交流電橋及其應用實驗”說明問題提出教學方法在實際教學過程中是如何實施的.

2.1 問題情境的設計及問題提出

在交流電橋的實驗中，教師給開展實驗的某組7位學生提供了一臺廠家生產(chǎn)的交流電橋，以及一些電容、電感、交流信號源、直流檢流計、示波器、交流毫伏表等散件.

在給定以上實驗設備的基礎上，教師提出本次實驗的基礎實驗任務為“用交流電橋測量待測電容(或電感)的值”，同時給學生們提出如下的學習建議，請同學們在開展實驗的過程中加以思考：

(1)在使用廠家的交流電橋開展實驗的過程中，遇到了哪些疑惑，有沒有思路解決這些疑惑？

(2)交流電橋實驗的設計思想是怎么樣的？該設計中的要素有沒有改進的空間？

(3)交流電橋可以有什么樣的拓展應用？

一部分學生通過思考教師給出的學習建議，能夠獲得一定的探究方向.一部分學生則可能漫無頭緒，這些學生的學習過程需要教師的干預.在這種情況下，教師則可以給這部分學生較為明確的建議，例如：

(1)是否可以利用實驗室的儀器自己組裝一臺交流電橋？可否將自己組裝的儀器與實驗室給出的成套儀器進行對比？

(2)利用這臺交流電橋可以做哪些探究？你做過的實驗中有沒有哪些實驗可以將交流電橋作為探究工具，開展相關研究？

(3)能否設計測量長度、角度的裝置？

學生通過回憶原有知識經(jīng)驗，明確自己需要進一步了解和學習的知識，通過查閱資料或請教教師(也可以小組合作查閱資料，交流分享，形成知識共同體)，豐富自己的知識經(jīng)驗，嘗試通過理論推導或者實驗來解決困難，可能成功解決，也可能沒有成功解決；無論是否成功解決，學生都需要反思觀察到的現(xiàn)象或者遇到的困難、錯誤，將其用問題表述出來，此時學生提出的問題大部分為結構不良問題.例如學生在交流電橋實驗中產(chǎn)生認知沖突后，就會提出：自己搭建交流電橋，用示波器替代交流指零器可行嗎，為什么我搭建的電橋不工作？RLC電路引起誤差的因素有哪些，如何檢測？采用電橋測量長度，應該如何衡量測量的效果等問題.

2.2 問題的完善

在問題提出的基礎上，學生基于自己的背景知識和經(jīng)驗，對問題有自己的理解，同時明確問題的結構，查找其中涉及的各個要素；運用已有知識經(jīng)驗分析要素，篩選出需要進一步具體探索的要素，確定問題的類型，表征出具體的子問題，可以有多個子問題，子問題為結構良好的問題.例如，如果學生決定探究示波器替代交流指零器可行嗎？首先要對問題進行分析，明確問題涉及的已知變量有：交流指零器的使用方法、交流電橋的搭建、示波器的使用方法、電路連接和靈敏度的測量等，未知要素則包括：示波器搭建交流電橋的方法、示波器靈敏度的測量方法等.在這種情況下就可以提出以下子問題：探究如何將示波器連接進交流電橋電路中，并對示波器如何反映電橋平衡進行研究？示波器做指零器靈敏度如何衡量？與交流指零器相比有什么優(yōu)點？等等.

學生在分析“探究如何將示波器連接進交流電橋電路中以及示波器如何反映電橋平衡？”這個子問題時，要判斷在實驗室條件下是否可行，如果該子問題滿足了上述條件，則選為合適的子問題，如果不滿足，則淘汰.

2.3 問題的解決

學生針對該問題進行實驗探究，并獲得一系列的探究結果.例如，有的學生完成了示波器替換交流指零器的交流電橋電路，并對其優(yōu)缺點進行簡單的對比分析；有的學生根據(jù)靈敏度的定義，完成了對示波器替換交流指零器后的靈敏度的測量，等等.最后用科研論文的形式將自己研究的問題和探究的結果呈現(xiàn)出來.

3 成效與問題

3.1 成效

我們從2016年開始在物理學專業(yè)二年級本科生中開展問題提出的“1+n”教學方法實踐.現(xiàn)就其成效總結如下：

(1) “1+n”的教學方法極大地提高了學生動手實踐、探究實驗問題的積極性.“1+n”教學方法賦予了學生自主提出問題進行探究的機會，學生提出的問題是自己感興趣的問題，為了解決自己提出的問題，學生愿意花時間高質量地完成實驗.學生除了在正常上課時認真開展實驗探究任務，在課下的非實驗時間段，也會主動來實驗室開展進一步的研究.在修讀本課程的每一屆學生中，均會有超過九成的學生有1次利用課余時間來實驗室開展實驗探究的經(jīng)歷，有的學生可能還會來2～3次，直至獲得自己滿意的結果.

(2)在“1+n”教學方法實踐的過程中，學生們從實驗理論、實驗手段、實驗拓展等多個方面對實驗進行探究，涌現(xiàn)了一批有意義的探究成果，例如：學生研究氣墊導軌上滑塊的運動，借助手機軟件phyphox，將手機作為滑塊的一部分，實現(xiàn)對滑塊運動的實時記錄，測量了滑塊做阻尼振動時的各個參數(shù)，優(yōu)化了實驗，該項成果獲得了2020年大學生物理實驗競賽(創(chuàng)新)的一等獎.學生在采用二級光杠桿放大裝置研究金屬棒的熱膨脹系數(shù)時，思考將光杠桿增加至三級、甚至是四級的可能性，并從理論上加以研究.學生在拍攝漫反射全息時，由于感覺拍攝干板全息圖的質量不穩(wěn)定，遂采用CCD記錄全息圖，通過查閱文獻，自主學習，實現(xiàn)了數(shù)字全息的記錄和再現(xiàn),等等.

(3)通過問題提出教學方法的實踐，學生將學過的物理實驗知識和物理理論知識進行了有機融合，從而使得我校物理學專業(yè)學生的實驗能力獲得提高.我校學生參加中國大學生物理實驗競賽，從2015年的第三屆比賽開始，競賽中的成績不斷得以提升.

3.2 問題

實踐下來，我們也發(fā)現(xiàn)有如下一些問題，需要在后續(xù)的教學中不斷完善：

(1)在對學生進行問題提出能力訓練時，教師的支持很重要.如果放任學生探究，學生可能提出的問題不符合實驗室實際，最后不能獲得探究的結果，如果教師的支持過于詳細，則學生并不能經(jīng)歷生成問題的過程.因此，在每一次指導的過程中，如何把握好指導的“度”，需要任課教師依據(jù)學情不斷調整和探索.

(2)進行問題提出能力的培養(yǎng)，首先需要教師具有開闊的思路和雄厚的理論功底，能隨時對學生的疑問進行合適的反饋，其次要對實驗項目的教學內(nèi)容進行精心設計，這無形中增加了任課教師的備課量.

(3)學生通過多次參與問題提出活動，能逐步形成完整的提問圖式和技能，最終提高學生在科學探究過程中的提問能力，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力打下基礎.但是想要實現(xiàn)這個目的，學生僅僅參與一兩次問題提出的活動是無法實現(xiàn)的，需要將問題提出活動融入更多的教學環(huán)節(jié)中，學生通過參與長時間的大量的問題提出活動，并在教學實踐中不斷提高和完善，才有可能達到教學目的.

4 結束語

本文在設計性物理實驗中進行了問題提出教學方法的實踐.該教學方法與傳統(tǒng)設計性實驗教學中強調解決問題能力相比，突出了問題提出能力的培養(yǎng).該教學方法對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力具有一定的意義.

提出問題往往比解決問題更重要，這在物理學和其他自然科學的發(fā)展史上已經(jīng)得到了充分的證明.因此，在當代大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中，一線教師應注重學生問題提出能力的培養(yǎng)和鍛煉，在教學過程中結合具體內(nèi)容，鼓勵學生大膽地提出問題加以引導，經(jīng)過師生的共同努力，必將收到良好的效果.