在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展

摘要：針對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，在課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法及成績評定等方面進(jìn)行了一系列的改革，以促進(jìn)學(xué)生的高階思維能力發(fā)展，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高階思維；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1002-4107（2012）06-0003-02

為了確保學(xué)生能在未來有效適應(yīng)知識化、全球化社會，學(xué)生的思維獨(dú)立性、創(chuàng)造性、協(xié)作能力等方面顯得越來越重要。因此，培養(yǎng)和促進(jìn)學(xué)生的高階思維能力已成為現(xiàn)代教育關(guān)注的重心。

高階思維是與低階思維相對的概念。低階思維是指較低層次的認(rèn)知水平，主要用于學(xué)習(xí)事實(shí)性知識或完成簡單任務(wù)的能力；而高階思維是一種以高層次認(rèn)知水平為主的綜合能力，主要由創(chuàng)新思維、批判性思維、決策及問題求解等四大能力構(gòu)成[1-2]。

目前在大學(xué)課堂上，尤其是在基礎(chǔ)課教學(xué)中，多數(shù)仍是“滿堂灌”的教學(xué)模式，學(xué)生是被動接受知識，而不是主動探究、積極建構(gòu)地學(xué)習(xí)。以至于多數(shù)教學(xué)依舊局限在低階能力、低階學(xué)習(xí)、低階思維的層次上[3]。從教育環(huán)節(jié)上剖析清華大學(xué)與美國頂尖研究型大學(xué)的教育差異，調(diào)查結(jié)果表明，“二者在記憶層次差異相對最小，在判斷、運(yùn)用等高級思維技能上的差異最大”[4]?？梢?，我們的大學(xué)教育在學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)方面是應(yīng)該引起高度重視的。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑻岣呖茖W(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)，它在提高學(xué)生高階思維能力方面具有不可替代的作用[5]。但目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不論在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段還是在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)階段都存在諸多問題：在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段，普遍存在學(xué)生對實(shí)驗(yàn)講義或教師的指導(dǎo)簡單模仿，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的能力較差，不重視實(shí)驗(yàn)的物理思想；在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生獨(dú)立思維、創(chuàng)新意識不強(qiáng)，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識和技能分析、判斷、解決實(shí)際問題的能力較差。

我們針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，在課程設(shè)置、教學(xué)過程、教學(xué)方法及成績評定等方面進(jìn)行了一系列的改革，為促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展進(jìn)行了有益的嘗試和探索。

一、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程分為兩個階段：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)階段?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段包括兩部分：必做實(shí)驗(yàn)部分和選做實(shí)驗(yàn)部分；必做實(shí)驗(yàn)部分主要安排基本物理量的測量、基本儀器的調(diào)整與使用、數(shù)據(jù)處理方法訓(xùn)練等實(shí)驗(yàn)題目。必做實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生進(jìn)行選做實(shí)驗(yàn)部分，選做實(shí)驗(yàn)一般安排15—20個實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生自由選擇。

（一）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段

在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段，主張為學(xué)生提供更多的思考空間，使學(xué)生能夠親身參與、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性。

首先，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排和講義內(nèi)容編寫方面進(jìn)行改革。原有的實(shí)驗(yàn)講義，從實(shí)驗(yàn)原理到操作步驟敘述得非常詳盡，甚至有的題目還提供數(shù)據(jù)記錄表格。講義之所以寫得這么詳盡，一方面是考慮到基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段是學(xué)生大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的開始，需要對實(shí)驗(yàn)過程有全面的了解，希望能夠幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)；另一方面這種敘述詳盡的講義卻沒有為學(xué)生的獨(dú)立思考留有空間，在某種程度上抑制了學(xué)生獨(dú)立思維與創(chuàng)新意識。實(shí)驗(yàn)講義是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主要依據(jù)和參考資料，在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段開設(shè)的實(shí)驗(yàn)基本上都是一些比較基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、儀器等都很完善，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)如何安排、如何編寫講義內(nèi)容，既能有效地指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，又能留給學(xué)生積極思考的空間，是值得探討的。

針對這種情況，我們對實(shí)驗(yàn)講義中關(guān)于測量方案、操作步驟等方面的內(nèi)容，不再作具體細(xì)致的規(guī)定，而改為指導(dǎo)性建議或提示性大綱，以便給學(xué)生留下獨(dú)立思考、探究問題的空間。比如，霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中測量霍爾系數(shù)，只提示學(xué)生依據(jù)霍爾電壓與微電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系測量霍爾系數(shù)，具體測量方案及數(shù)據(jù)處理方法要求學(xué)生自己確定，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生會提出多種測量方案：單次測量直接得到霍爾系數(shù)，多次測量通過作圖得到，多次測量利用最小二乘法處理數(shù)據(jù)得到結(jié)果等。對學(xué)生提出的各種測量方案，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析、比較每種測量方案的可行性、科學(xué)性，從中選擇最佳方案。這種教學(xué)組織方式一方面可以使每個學(xué)生都能積極參與、親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過程，另一方面使學(xué)生逐漸學(xué)會分析、比較、判斷及解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題。

在選做實(shí)驗(yàn)部分，有些實(shí)驗(yàn)題目中增加了簡單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理提示，學(xué)生自己設(shè)計(jì)測量方法，安排測量步驟，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。例如：牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中增設(shè)了用劈尖測量學(xué)生自己頭發(fā)絲直徑的實(shí)驗(yàn)，在偏振光旋光實(shí)驗(yàn)中安排了測量起偏鏡與半萌片偏振化方向之間夾角的實(shí)驗(yàn)，電位差計(jì)測量電動勢實(shí)驗(yàn)中要求用電位差計(jì)測量干電池的內(nèi)阻等。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般都是在原實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一些拓展內(nèi)容，目的是讓學(xué)生更進(jìn)一步領(lǐng)會每個實(shí)驗(yàn)的物理思想，學(xué)會靈活運(yùn)用所學(xué)的知識和技能解決問題。盡管基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段涉及的都是基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但對學(xué)生來說都是新的內(nèi)容，學(xué)生要親身經(jīng)歷探索過程，才能真正領(lǐng)會、掌握和運(yùn)用它們。

（二）綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)階段

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有三種類型：第一類是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及多個知識領(lǐng)域，在實(shí)驗(yàn)中會運(yùn)用多種測量方法和技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過程比較復(fù)雜。這一類實(shí)驗(yàn)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識、技能解決問題的能力。第二類是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)室提供的儀器、條件，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇測量儀器，組裝實(shí)驗(yàn)裝置，充分發(fā)揮自己的想象力獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過程。這一類實(shí)驗(yàn)主要鍛煉學(xué)生獨(dú)立思維能力、分析判斷能力。第三類是設(shè)計(jì)制作或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器、測量裝置等，并運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。這一類實(shí)驗(yàn)是與實(shí)際結(jié)合比較密切的實(shí)驗(yàn)，如設(shè)計(jì)制作簡易信號源、穩(wěn)壓源、恒流源、數(shù)字溫度計(jì)、各種傳感器在測量中的應(yīng)用等。這類實(shí)驗(yàn)要向?qū)W生展示往屆學(xué)生的作品，要求他們與自己設(shè)計(jì)內(nèi)容比較，分析優(yōu)缺點(diǎn)，鼓勵學(xué)生提出更好的設(shè)計(jì)思想，探索更好的設(shè)計(jì)方案。這類實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)新性思維起到了積極的作用。

二、教學(xué)方法改革

教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過程中始終貫徹啟發(fā)性原則，注重向?qū)W生展示教師解決問題的策略、過程及方法，使學(xué)生獲得解決問題的方法，并為學(xué)生營造寬松、活躍的學(xué)習(xí)氛圍。

教師幫助學(xué)生解決問題時，不是直接給出答案，而是與學(xué)生共同討論，引導(dǎo)學(xué)生自己找到解決問題的辦法。例如，邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會遇到這樣的問題：調(diào)出干涉條紋后，卻看不到環(huán)心。這種情況教師不是直接告訴學(xué)生調(diào)整方法，而是要引導(dǎo)學(xué)生首先了解環(huán)心是由什么決定的，然后思考如何通過儀器進(jìn)行調(diào)整，最后根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行實(shí)際操作。這種過程向?qū)W生展示了教師解決問題的策略、方法，通過這樣的引導(dǎo)學(xué)生不僅學(xué)會了環(huán)心的調(diào)整方法，更重要的是體驗(yàn)了問題解決的過程，學(xué)會了如何思考問題、解決問題。

在實(shí)驗(yàn)過程中教師要重視培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，避免出現(xiàn)盲目、機(jī)械模仿等現(xiàn)象。例如分光儀調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)，這個實(shí)驗(yàn)的調(diào)整內(nèi)容比較復(fù)雜，常出現(xiàn)盲目操作現(xiàn)象。針對這種情況，教師根據(jù)學(xué)生儀器調(diào)節(jié)情況，設(shè)置一些問題：如何判斷望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器中心軸垂直？怎樣判斷平行光管是否產(chǎn)生平行光？等等。設(shè)置這樣的問題，能促使學(xué)生思考問題，讓學(xué)生帶著問題做實(shí)驗(yàn)，這樣既能引導(dǎo)學(xué)生正確操作，又能培養(yǎng)學(xué)生思考問題的能力。

三、實(shí)驗(yàn)成績評定

實(shí)驗(yàn)成績主要由預(yù)習(xí)情況、操作技術(shù)及實(shí)驗(yàn)報告三方面評定。預(yù)習(xí)情況主要檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報告是否寫得全面、完整，操作技術(shù)方面考查學(xué)生儀器的正確使用情況，實(shí)驗(yàn)報告方面主要檢查實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。這種評價方式雖然涉及學(xué)生整個實(shí)驗(yàn)過程，但在實(shí)際評價時容易從學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的表面現(xiàn)象中進(jìn)行評價，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)原理、測量方法等方面的理解、掌握程度，積極主動探究實(shí)驗(yàn)，靈活運(yùn)用知識解決問題的能力，思考問題的深度等更深層次反映學(xué)生的能力方面卻得不到全面、準(zhǔn)確的評價。

針對這種情況我們制定了新的評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定了五項(xiàng)評定指標(biāo)：（1）明確實(shí)驗(yàn)原理、測量方法；（2）實(shí)驗(yàn)儀器裝置使用操作準(zhǔn)確、規(guī)范，如果儀器出現(xiàn)問題，能夠及時發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立解決；（3）積極主動、獨(dú)立自主地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；（4）善于觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題；（5）能正確地分析、判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時對每個實(shí)驗(yàn)題目都制定了具體的考核內(nèi)容，把所有題目的評價標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布到實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站上，并且及時發(fā)布學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績。這樣可使學(xué)生明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)，使學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到教師所期待的重點(diǎn)上[6]。

以上是我們?yōu)榇龠M(jìn)學(xué)生高階思維能力發(fā)展、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量所作的初步探索。在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還需在課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法、成績評定等方面不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步完善。

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