PBL在“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

高光珍，賈天俊

PBL在“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

高光珍，賈天俊

（濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，山東 濱州 256603）

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（PBL）是一種以問題為核心，學(xué)生圍繞問題展開知識建構(gòu)，圍繞解決問題的目標(biāo)而自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。在“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)中，采用PBL教學(xué)模式，通過設(shè)計(jì)問題引入實(shí)驗(yàn)，以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在分析與小組討論的基礎(chǔ)上，逐步對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度拓展；教師在實(shí)驗(yàn)中對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，并及時評價反饋。結(jié)果表明，在“薄透鏡焦距的測量”中實(shí)施PBL教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生主動參與程度提高，思維能力和解決問題的能力得到了提高。

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)；薄透鏡；實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

21世紀(jì)的競爭是科技的競爭、人才的競爭，全世界都在優(yōu)先發(fā)展教育，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)人才。作為優(yōu)質(zhì)人才的關(guān)鍵就是要具備自主學(xué)習(xí)能力、分析與解決問題的能力。但傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)方式，師生互動不足，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果欠佳，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)重理論、輕實(shí)踐，重知識、輕能力，培養(yǎng)出來的大多數(shù)學(xué)生缺乏創(chuàng)造性，動手能力差、思維僵化。

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》是理工科各專業(yè)的一門重要必修基礎(chǔ)課，在學(xué)生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識等方面，具有其他課程不可替代的重要作用。但傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)居多，以教師教授為主，如“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教材對實(shí)驗(yàn)步驟的描述很詳細(xì)，但設(shè)計(jì)思想未見提及，學(xué)生常常只滿足于弄明白教材內(nèi)容，按操作步驟被動完成實(shí)驗(yàn)，主動參與不夠，在培養(yǎng)科學(xué)探究能力方面沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用?；谝陨蠁栴}，筆者在“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了問題異向?qū)W習(xí)（problem based learning，PBL）教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，取得了顯著的教學(xué)效果。

1 PBL教學(xué)模式的特點(diǎn)

PBL是以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，發(fā)展學(xué)生綜合思考能力和解決實(shí)際問題能力的教學(xué)模式，由美國教授Barrows于1969年首次采用［1］。其特點(diǎn)在于提倡“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以問題為起點(diǎn)，師生雙方圍繞“解決問題”展開教學(xué)活動，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生是主體，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的推動者和促進(jìn)者［2］。

1.1 注重創(chuàng)設(shè)問題情境

問題是課程的組織核心［3］，把問題作為引導(dǎo)學(xué)生自主獲取新知識的驅(qū)動力。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，以教師講解為主，實(shí)驗(yàn)原理、步驟和方法均由教師決定，講解實(shí)驗(yàn)原理后，通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，得出某個物理量或驗(yàn)證某個定律；學(xué)生簡單接受、機(jī)械重復(fù)，不利于學(xué)生分析、解決問題能力的提高，導(dǎo)致學(xué)生對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)興趣不高。PBL教學(xué)模式中，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)真實(shí)的問題情境，將問題情境同生產(chǎn)、生活實(shí)際結(jié)合起來；學(xué)生圍繞問題自行搜集資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作以解決問題［4］。需要注意的是，設(shè)計(jì)的問題應(yīng)具備以下三個特征：（1）問題來源于生活，引起認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；（2）問題符合學(xué)生的認(rèn)知水平和特點(diǎn)；（3）問題易于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力。

1.2 強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

問題呈現(xiàn)后，將學(xué)生分成小組，每組2～3名，通過學(xué)生的自主探索和與小組成員的合作討論來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，解決問題。在小組學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要積極主動參與小組實(shí)驗(yàn)活動，自己去探索、發(fā)現(xiàn)，對問題提出假設(shè)并去一一驗(yàn)證，充分和同伴交流、討論。實(shí)驗(yàn)操作完成后，小組就自己的操作、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互討論，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。PBL以小組的形式讓學(xué)生自己組織設(shè)計(jì)過程，并決定分工合作的方式，增強(qiáng)了學(xué)生的群體意識和團(tuán)隊(duì)精神，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和協(xié)作能力［5］。

1.3 突出教師促進(jìn)作用

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以教師為中心，教師是知識的傳授者，PBL教學(xué)模式以學(xué)生為中心，學(xué)生是主動學(xué)習(xí)者，教師扮演“課程的組織者、情感的支持者、學(xué)習(xí)的參與者、信息的咨詢者”等角色［6］。在備課階段，教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)大綱要求、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)、學(xué)生實(shí)際等精心設(shè)計(jì)問題，在課前一周發(fā)給學(xué)生；在小組實(shí)驗(yàn)探究過程中，教師要實(shí)時把握學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的進(jìn)度和程度，及時予以指導(dǎo)；在實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，教師組織全體學(xué)生討論，對實(shí)驗(yàn)中未解決和新發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探討、交流［7］，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、誤差進(jìn)行討論，將理論知識和實(shí)際問題聯(lián)系起來。

2 PBL教學(xué)模式在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

PBL的教學(xué)組織過程大致包括：提出問題（教師或?qū)W生）→劃分小組（學(xué)生）→歸納假設(shè)（學(xué)生）→收集資料（學(xué)生）→論證研究（教師、學(xué)生）→解決問題（教師、學(xué)生）→進(jìn)行驗(yàn)證（教師、學(xué)生）→提出新問題（教師）［8］。本文以“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)為例，介紹PBL教學(xué)模式的實(shí)施過程。

2.1 問題設(shè)計(jì)

問題是PBL教學(xué)活動的主線，問題設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到課堂教學(xué)效果［9］。問題的難度應(yīng)該符合維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”原則，讓學(xué)生能“跳一跳摘桃子”。學(xué)生通過頭腦中已有的舊知識，找到新舊知識的聯(lián)系，建構(gòu)新知識，完成有意義學(xué)習(xí)。本實(shí)驗(yàn)的問題包括：生活中的透鏡有哪些？薄透鏡的焦距是什么？焦距由哪些因素決定？凸透鏡成像有什么特點(diǎn)，如何測量凸透鏡的焦距？凹透鏡成像有什么特點(diǎn)，怎樣讓凹透鏡成實(shí)像，如何測量凹透鏡的焦距？實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)多種方法來測量薄透鏡的焦距。

2.2 實(shí)驗(yàn)的組織

1）教師提出第1個問題“薄透鏡的焦距和哪些因素有關(guān)系？”學(xué)生分組討論，教師引導(dǎo)學(xué)生回憶薄透鏡成像的高斯公式，透鏡在空氣中、在近軸光線條件下，薄透鏡成像的規(guī)律為1/s′－1/s= 1/f′。教師提出第2個問題“根據(jù)高斯公式，如何測量透鏡焦距？”學(xué)生回答問題，測物距s、象距s′可算出焦距f。教師予以肯定，并給學(xué)生說明符號規(guī)定：線距均從透鏡中心（光心）量起，與光線行進(jìn)方向一致時為正，反之為負(fù)。公式法測凸透鏡焦距的光路圖如圖1所示。提醒學(xué)生，使用高斯公式時注意物距、像距的符號。以小組為單位，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 公式法測凸透鏡焦距

教師說明光源使用的注意事項(xiàng)，和激光光源測焦距的優(yōu)勢，講解光學(xué)元件同軸等高的調(diào)節(jié)方法。

2）教師提出第3個問題“如何消除由于透鏡厚度引入的誤差？”學(xué)生分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案?？刹捎枚纬上穹ǎ涔饴穲D如圖2所示。

圖2 二次成像法測凸透鏡焦距

教師巡回指導(dǎo)學(xué)生。提醒學(xué)生注意公式法和二次成像法測量的是一個透鏡的焦距，測量結(jié)果應(yīng)該差別不大。

3）教師提出第4個問題“如何測量凹透鏡的焦距？”由于凹透鏡對實(shí)物只能成虛像，不能直接用屏來找像的位置。確定凹透鏡所成虛像的位置，或者設(shè)法使凹透鏡成實(shí)像是設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵［10］。教師繼續(xù)追問，如何讓凹透鏡成實(shí)像？學(xué)生聯(lián)系凹透鏡成像的特點(diǎn)，進(jìn)行小組討論。教師和學(xué)生共同總結(jié)出問題的答案，根據(jù)光的可逆性原理，凹透鏡對實(shí)物成虛像，反之可以對虛物成實(shí)像，這個虛物可以通過凸透鏡輔助成像得到。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師及時指導(dǎo)，提醒學(xué)生注意，物距、像距如何確定，符號如何確定。輔助透鏡法測凹透鏡焦距的光路圖如圖3所示。

圖3 輔助透鏡法測凹透鏡焦距

學(xué)生自行設(shè)計(jì)表格，記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出薄透鏡的焦距。

4）提出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題讓學(xué)生自主探究。（1）測凸透鏡焦距還有其他方法嗎？（2）透鏡的焦距大于光具座的長度時，怎樣測定它的焦距？（3）自己設(shè)計(jì)兩種測量凹透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)方案，并說明原理和測量方法。

2.3 結(jié)果分析與評價

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合參考值。說明學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作基本達(dá)到要求，實(shí)驗(yàn)過程也比較認(rèn)真。有一小部分的學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析原因。例如，在確定清晰的像的位置時，可能像的位置沒選擇準(zhǔn)確；記錄數(shù)據(jù)，沒有估讀到最小分度的下一位；測量凹透鏡焦距時，物距的大小算成了物屏到凹透鏡的距離；利用高斯公式計(jì)算時，沒有注意各物理量的符號等。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，教師要及時做出準(zhǔn)確的評價并反饋給學(xué)生。

3 結(jié)束語

教學(xué)實(shí)踐表明，PBL教學(xué)模式是一個自學(xué)、討論、再自學(xué)、再討論的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。PBL教學(xué)模式在“薄透鏡焦距的測量”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。真實(shí)化的問題情景，加強(qiáng)了理論聯(lián)系實(shí)際，并激發(fā)了學(xué)生對新知識的興趣和探索；實(shí)驗(yàn)操作過程中，使學(xué)生參與探究過程，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路清晰，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果有了更好的理解，有利于加強(qiáng)對高斯公式和薄透鏡成像特點(diǎn)的掌握；以小組為單位的新形式促進(jìn)了學(xué)生之間的交流和溝通，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神與合作意識；教師的及時指導(dǎo)，使教學(xué)更具有目標(biāo)性和方向性。PBL教學(xué)模式培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力、綜合應(yīng)用知識的能力、批判性思維能力以及自主學(xué)習(xí)能力。將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將是《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革的一種有效實(shí)踐。

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App lication of PBL M ode in Thin-lens Focus M easurement Experiment

GAO Guangzhen，JIA Tianjun
（Department of Physics and Electronics Science，Binzhou University，Binzhou 256603，China）

PBL teaching is a teachingmodelwhich with the goal of problem-centered，the study groupsmake knowledge construction around the problem-solving by autonomic learning.The PBL teaching mode was applied in the“Thin lens focusmeasurement experiment”，through the design of problem，and on the basis of analysis and research by study groups，gradually to the experimental depth development.Teachers in the experimentworked as the students'guidance，and provided timely feedback.The practice results indicated that，the implementation of PBL teachingmode in the experimentof thin-lens focusmeasurementexperiment can improve the degree of student participation，and develop the students thinking ability and problem solving ability.

problem based learning；thin-lens；experiment；application

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.033

2013－09－25；修改日期：2013－11－12

濱州學(xué)院教學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（BYJYYB20122 7，BYJYYB201128）；濱州學(xué)院校級精品課程基金資助項(xiàng)目（BZXYJPKC201104）。

高光珍（1980－），女，在讀博士，講師，研究方向：物理課程與教學(xué)論。