問題解決教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用于大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

楊玉梅，唐遠(yuǎn)林，王凱俊，武小琴，譚德宏

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401311）

問題解決教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用于大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

楊玉梅，唐遠(yuǎn)林，王凱俊，武小琴，譚德宏

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401311）

問題解決教學(xué)設(shè)計(jì)與大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程共同關(guān)注復(fù)雜劣構(gòu)問題.此類問題解決沒有現(xiàn)成的算法可以遵循，要求學(xué)習(xí)者面對較高的認(rèn)知負(fù)荷表現(xiàn)出較高級的思維能力.立足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，開發(fā)教學(xué)設(shè)計(jì)案例，具體分析了在復(fù)雜劣構(gòu)問題解決進(jìn)程中教學(xué)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出的目標(biāo)生成性、過程創(chuàng)造性、評價多樣化特征.

問題解決；教學(xué)設(shè)計(jì)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

1 引 言

問題解決作為一種教學(xué)方式，是當(dāng)前教學(xué)改革的重要組成部分，與傳統(tǒng)的僅僅以傳授知識為目標(biāo)的教學(xué)方式有著很大的區(qū)別.美國全國數(shù)學(xué)管理者大會將問題解決界定為“將先前已獲得的知識用于新的、不熟悉的情境的過程”.問題解決的教學(xué)設(shè)計(jì)，即教學(xué)依問題而存在，問題依教學(xué)而有效解決［1］.加涅曾指出：“教育的核心問題就是教會學(xué)習(xí)者思考，學(xué)會運(yùn)用理性的力量，成為一個更好的問題解決者.”在培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力方面，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越不能令人滿意，其教學(xué)任務(wù)不外乎測量基本物理量和驗(yàn)證定律.教科書從目的要求、原理、儀器，到操作步驟都寫得十分詳盡，沒有多少觀察、分析和獨(dú)立思考的余地，很難引發(fā)學(xué)生的高級思維活動，也便談不上培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索、創(chuàng)新和創(chuàng)造能力.

我校開設(shè)大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程在一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足.課程從選題到問題解決都給學(xué)生足夠的空間，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心.從知識建構(gòu)的角度來講，就是要求學(xué)生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構(gòu)者.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程安排10周，每周2課時，共20課時，與2個課時的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，充足的學(xué)習(xí)時間保障復(fù)雜問題解決的可行性.

筆者將問題解決教學(xué)設(shè)計(jì)基本思想應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，開發(fā)了“剛體轉(zhuǎn)動慣量測量儀軸承摩擦引起的實(shí)驗(yàn)誤差研究”教學(xué)設(shè)計(jì)案例，從實(shí)驗(yàn)選題、目標(biāo)設(shè)置、教學(xué)過程、教學(xué)評價4個方面進(jìn)行闡述，具體分析在問題解決過程中學(xué)生面對不斷產(chǎn)生的認(rèn)知沖突所能表現(xiàn)出來的獨(dú)到見解和發(fā)展創(chuàng)造思路以及問題解決進(jìn)程中教學(xué)設(shè)計(jì)的特征.

2 問題解決教學(xué)選題的障礙性與探究性

成功進(jìn)行“問題－解決”教學(xué)設(shè)計(jì)，提出適當(dāng)?shù)膯栴}至關(guān)重要.紐威爾和西蒙認(rèn)為：“問題是這樣一種情境，個體想做某件事，但不能馬上知道對這件事所需采取的一系列行動，就構(gòu)成問題.”

首先，問題依托于一種情境，“情境不僅包括學(xué)習(xí)發(fā)生的具體的物理空間，還包括作為學(xué)習(xí)過程本身一部分的社會環(huán)境”［2］.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，事實(shí)證明，完備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不能構(gòu)成問題解決所有的情景，問題解決過程中學(xué)生需要獲得組內(nèi)組外成員的幫助，輔導(dǎo)教師以及其他教師的幫助，必要時與儀器生產(chǎn)廠家取得聯(lián)系，等等，這構(gòu)成了學(xué)習(xí)過程中一部分的社會環(huán)境，需要學(xué)生具備一定的社會交往技能以保證學(xué)習(xí)過程的順利進(jìn)行.

其次，“不能馬上知道對想做的事所采取的行動”，便使得問題有了“障礙性與探究性”.

本次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)選題是從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程

活動過程中，合作小組幾次遇到難題，引起認(rèn)識上的矛盾、心理上的緊張.又在幾次討論中產(chǎn)生新的想法思路，也就是格式塔派心理學(xué)所說的經(jīng)過幾次“頓悟”，最終成功改造了實(shí)驗(yàn)儀器，發(fā)現(xiàn)中軸摩擦影響實(shí)驗(yàn)誤差的規(guī)律.真正體會到了“窮則變，變則通”的含義.

3 問題解決教學(xué)目標(biāo)的開放性與生成性

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)選題的障礙性和探究性，問題解決方法的非常規(guī)和不確定性，決定了教學(xué)目標(biāo)不可能在實(shí)施教學(xué)之前就能夠明確，而呈現(xiàn)出一定的開放性和生成性.

目前教學(xué)設(shè)計(jì)理論界提倡“開放的教學(xué)目標(biāo)”即指在教學(xué)過程中可以改變學(xué)習(xí)目標(biāo)或生成新的學(xué)習(xí)目標(biāo).

“恒力矩法測量剛體的轉(zhuǎn)動慣量”，在本校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中屬于大二本科2個課時基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是：1）測量規(guī)則形狀物體例如圓環(huán)、圓柱的轉(zhuǎn)動慣量；2）驗(yàn)證平行軸定理.顯然這是用“可觀察的術(shù)語”描述的非常明確的目標(biāo).本課程以培養(yǎng)學(xué)生“問題－解決”能力為出發(fā)點(diǎn)確定了如表1所示的開放的目標(biāo)體系，即目標(biāo)體系不僅包括了教師根據(jù)教學(xué)需求和“問題－解決”教學(xué)設(shè)計(jì)特點(diǎn)預(yù)先制定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，還包括了部分教學(xué)過程中生成的新目標(biāo)（新目標(biāo)表中用“★”標(biāo)出）.

表1 剛體轉(zhuǎn)動慣量測量儀軸承摩擦引起的實(shí)驗(yàn)誤差研究開放目標(biāo)體系

4 問題解決教學(xué)過程的主體性與創(chuàng)造性

教學(xué)過程體現(xiàn)主體性是指整個教學(xué)設(shè)計(jì)力圖歸還學(xué)生課堂話語權(quán)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中擁有足夠思維和活動的時間和空間.教學(xué)過程體現(xiàn)創(chuàng)造性是指強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程比學(xué)習(xí)結(jié)果更重要，希望看到一次次深層次的思維飛揚(yáng).實(shí)際教學(xué)過程中，創(chuàng)造性的體現(xiàn)需要主體性的充分發(fā)揮為前提，反過來，主體性的充分發(fā)揮也需要創(chuàng)造性的助推作用.這兩者的充分發(fā)揮都依托于教學(xué)過程中新任務(wù)（或者新目標(biāo)）的生成.新任務(wù)的出現(xiàn)與完成是學(xué)習(xí)動力的助推劑，具有明顯的激勵作用，可以開發(fā)潛能，激活高級思維，終使學(xué)生的主體性和創(chuàng)造性得到更好的發(fā)揮，同時也使教學(xué)更有廣度和深度.

本教學(xué)設(shè)計(jì)將教學(xué)過程分成選題、猜想與假設(shè)、制定實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、收集處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論7個階段.創(chuàng)造性和主體性主要體現(xiàn)在實(shí)施方案階段對實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)、處理數(shù)據(jù)階段對計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用，以及解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象階段自主學(xué)習(xí)新知識3個方面.

4.1 創(chuàng)造性改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案

對剛體轉(zhuǎn)動慣量測量儀軸承摩擦引起的實(shí)驗(yàn)誤差情況，合作小組提出了多個猜想與假設(shè)，通過查閱相關(guān)資料，小組討論排除次要影響因素，得出如下一級假設(shè)：

1）摩擦力矩與實(shí)驗(yàn)臺的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，速度越大，摩擦力矩越不穩(wěn)定；

2）摩擦力矩與實(shí)驗(yàn)臺的旋轉(zhuǎn)載荷有關(guān)，載荷越大，摩擦力矩越不穩(wěn)定.

該實(shí)驗(yàn)采用ZKY－ZS轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)儀，速度改變范圍有限，選擇研究假設(shè)2），針對載荷對摩擦力矩的影響小組討論提出如下二級假設(shè)：

1）儀器本身不對稱或測量元件（本實(shí)驗(yàn)用剛性圓柱體）相對轉(zhuǎn)軸的不對稱放置，造成軸承摩擦力矩不恒定；

2）同等個數(shù)測量元件，誤差大小與測量元件距質(zhì)心軸的距離有關(guān)；

3）測量元件相對轉(zhuǎn)軸對稱放置的情況下，與分立的測量元件相比，連續(xù)體的測量誤差較小.

假設(shè)3）在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下無法進(jìn)行，ZKYZS轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)儀只有4排孔，只能測量1，2，4個被測圓柱體的情況，數(shù)量有限，不能體現(xiàn)從分立元件到連續(xù)體的變化趨勢，必須增加被測元件個數(shù)，矛盾、沖突由此產(chǎn)生.這就需要學(xué)生發(fā)揮其主觀能動性，各抒己見，提出解決方案，這是最有創(chuàng)造性、挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，也最能引發(fā)學(xué)生問題解決后勝利者的滿足感.

圖1 自制輔助實(shí)驗(yàn)器材示意圖

討論過程中，1位組員提出在實(shí)驗(yàn)臺上描繪出被測圓柱體位置的設(shè)想，大家各抒己見最終確定了自制實(shí)驗(yàn)輔助器材的方案.具體操作方法如下：如圖1所示，剪裁3張實(shí)驗(yàn)圓盤大小（半徑為130mm）的輕薄塑膠紙，以45，60，75，90，105mm為半徑畫5個同心圓，將3張圓紙片分別進(jìn)行16，12，10等分，等分線與同心圓的交點(diǎn)就是放置被測剛體的準(zhǔn)確位置.考慮到測量元件是直徑30mm的圓柱體，又以每一個交點(diǎn)為圓心以15mm為半徑繪出了許多小圓.將塑膠紙固定在空實(shí)驗(yàn)臺上，即可以滿足距中軸45，60，75，90，105mm，對稱放置2，3，4，5，6，8，10，12，16個圓柱，足以體現(xiàn)從分立元件到連續(xù)體的變化趨勢.實(shí)驗(yàn)操作時，在小圓圓心處粘貼少量雙面膠，防止被測圓柱體旋轉(zhuǎn)時發(fā)生移位.另外，如果塑膠紙比較厚或其質(zhì)量較空實(shí)驗(yàn)臺不能忽略，在測量空實(shí)驗(yàn)臺轉(zhuǎn)動慣量時應(yīng)將塑膠紙放在實(shí)驗(yàn)臺上一起測量.

4.2 自主學(xué)習(xí)新技能處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

問題解決學(xué)習(xí)是一種知識技能含量較大的學(xué)習(xí)，如上文提到的自己動手制作輔助器材的技能，針對本課程學(xué)生還需在教師的提示下學(xué)習(xí)另外一種必不可少的技能，即利用計(jì)算機(jī)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，數(shù)據(jù)處理包含剛體轉(zhuǎn)動半周期的三次多項(xiàng)式，再加上如此大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)據(jù)處理需求，而借助Matlab，Excel等計(jì)算機(jī)通用軟件，將大大減小工作量.這就生成了“知識與技能”維度“必要時借助Matlab，Excel等計(jì)算機(jī)通用軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”的新目標(biāo).

合作小組利用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)被測圓柱個數(shù)A＝10，被測圓柱距中心轉(zhuǎn)軸的距離d＝45cm對應(yīng)數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，剔除該數(shù)據(jù)，相對誤差與質(zhì)量大小及質(zhì)量分布的關(guān)系呈現(xiàn)如下規(guī)律：

1）相同個數(shù)被測圓柱，距離中心轉(zhuǎn)軸越近，相對誤差越??；

2）距離轉(zhuǎn)軸相同距離，被測圓柱體數(shù)量越多，相對誤差越小.

顯然，這兩條規(guī)律從2個不同的角度驗(yàn)證了猜想：“對稱放置測量元件的情況下，與分立的測量元件相比，連續(xù)體的測量誤差較小.”

4.3 自主獲取新知識解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

問題解決要求學(xué)生回憶一些較簡單的、先前學(xué)習(xí)過的“規(guī)則”和“定義性概念”［1］.除此之外，更有挑戰(zhàn)性的是學(xué)生還需通過自學(xué)，尋求第三方幫助等方式獲取新的知識.

解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出結(jié)論需要合作小組查閱大量的資料，特別是關(guān)于軸承構(gòu)造，以及解釋軸承摩擦規(guī)律的相關(guān)資料.這生成了新的目標(biāo)，即“問題解決能力”維度下“必要時，學(xué)習(xí)新知識”“解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”的目標(biāo).

關(guān)于軸承構(gòu)造相關(guān)問題，合作小組與儀器廠家取得聯(lián)系，得知所用軸承為GB276－64單列向心球軸承，獲得了軸承實(shí)物圖，軸承內(nèi)徑、外徑大小等相關(guān)數(shù)據(jù).這將為數(shù)據(jù)分析帶來極大的方便.同時也生成了新的目標(biāo)，即“合作與交流”維度下“必要時，尋求社會幫助”的目標(biāo).

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證了猜想與假設(shè)，對實(shí)驗(yàn)儀器或操作方法的改進(jìn)有一定的參考價值.但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的深層成因應(yīng)從軸承受力情況進(jìn)行分析.針對以上問題，合作小組做出了較大的努力，查閱學(xué)習(xí)了的大量關(guān)于軸承結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)受力方面的資料，但考慮到軸承摩擦受力的復(fù)雜性以及本課程有限的授課時間，學(xué)習(xí)任務(wù)似乎已經(jīng)超出了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象未能從物理力學(xué)方面得到滿意的解釋.這同時也生成了一個新的研究課題“剛體轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)儀軸承摩擦的力學(xué)分析”，可以作為學(xué)生課外自主選擇的學(xué)習(xí)任務(wù).

5 問題解決教學(xué)評價的多樣化

問題解決教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)問題解決的過程，淡化問題解決的結(jié)果.問題是否得到高質(zhì)量的解決取決于學(xué)生多方面的能力，評價方式也不能單純采用結(jié)果評價，而應(yīng)多種評價方式相結(jié)合.

本教學(xué)設(shè)計(jì)采取結(jié)果評價、過程性評價、答辯會評價、學(xué)生自評等相結(jié)合的多元化評價方式.本次學(xué)習(xí)活動的直接成果是形成了有一定參考價值的論文，獲得了重慶市首屆大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽二等獎.在全年級范圍內(nèi)開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)結(jié)題答辯會，學(xué)生表現(xiàn)出了良好的答辯素質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)的思路、學(xué)生動手能力等也獲得了教授專家和各位教師以及同年級同學(xué)的好評.在學(xué)校要求的等級評價中，2位小組成員獲得“優(yōu)秀”，1位獲得“良好”.自我評價環(huán)節(jié)小組成員認(rèn)為自己“學(xué)會了如何清楚地思考”，真正體驗(yàn)到了自主發(fā)現(xiàn)、探索、認(rèn)識事物的樂趣和付出努力，問題解決后的較大成就感，以及由此產(chǎn)生的處理好類似問題的信心與決心.

［1］ 朱德全.基于問題解決的處方教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.高等教育研究，2006，27（5）：83－88.

［2］ 史密斯P L，雷根T J.教學(xué)設(shè)計(jì)［M］.（3版）.龐維國，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2008：64.

［3］ 王震，丁永文，杜文.普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“提出問題”［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（4）：18－21.

［4］ 熊永紅，任忠明，張炯，等.以“問題”為主線的多元化教學(xué)方法和模式的研究［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（4）：27－29，38.

［責(zé)任編輯：尹冬梅］

Investigation and practice of the problem－solving instructional design in university physics experiment

YANG Yu－mei，TANG Yuan－lin，WANG Kai－jun，WU Xiao－qin，TAN De－h(huán)ong
（Logistical Engineering University of PLA，Chongqing 401311，China）

Complex ill－structured tasks are becoming a common theme both in areas of problemsolving instructional design and physic innovative experiment.It demands high thinking ability in front of rigorous cognitive load and there are no general method can be followed at present.We developed an instructional design case based on innovative experiment teaching practice.The characters of instructional design in the process of complex ill－structured problem－solving，i.e.，the generation of target，creative process and evaluation of diversity were also analyzed.

problem－solving；instructional design；innovative experiment

G642.423

A

1005－4642（2012）11－0023－05

2012－06－25

后勤工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目（No.YQ11－41101）

楊玉梅（1982－），女，山東壽光人，中國人民解放軍后勤工程學(xué)院講師，碩士，主要從事大學(xué)物理教學(xué)及高等教育研究.中生成的.“恒力矩法測量剛體的轉(zhuǎn)動慣量”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平行軸定理時，不是用1個待測圓柱直接測量，而是用對稱操作法，即需要“將兩圓柱體對稱插入載物臺上與中心距離為d的圓孔中”進(jìn)行測量，由此引發(fā)思考，提出問題“ZKY－ZS轉(zhuǎn)動慣量實(shí)驗(yàn)儀軸承摩擦力矩對實(shí)驗(yàn)誤差的影響研究”.顯然該問題沒有現(xiàn)成的算法可以遵循，學(xué)生不能快速直接地做出回答，屬于探究性問題.