驗證性實驗教學改革的探索*

王國霞

(北京科技大學　自動化學院，北京　100083)

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驗證性實驗教學改革的探索*

王國霞

(北京科技大學自動化學院，北京100083)

文章首先分析了驗證性實驗過程中的人為因素使實驗過程缺乏研究性、探索性，導致該驗證性實驗頗受詬病而逐漸被弱化，然而驗證性實驗教學是一種不可或缺的教學形式，對它進行改革是必要的。文章把基于問題式實驗教學引入驗證性實驗教學，對該教學形式進行改革。詳細闡述了基于問題式的實驗教學及其應用實例，并對改革后驗證性實驗教學效果進行了定量分析。定量分析的結(jié)果說明基于問題式的實驗教學改革后的驗證性實驗教學取得了良好的教學效果。

驗證性實驗教學；教學改革；問題驅(qū)動；基于問題式的實驗教學

目前，基于培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維能力和較強實踐能力的工程應用型人才的需求，很多高校因驗證性實驗中缺乏探索性、研究性而弱化并大幅降低其在實踐教學中的比重。實際上，驗證性實驗是高校重要的教學形式之一，是高校教學中不可或缺的一環(huán)。本文提出了應用基于問題式的實驗教學方法改革驗證性實驗教學，可使該實驗教學同樣充滿探索性、研究性而重展風采。

一、驗證性實驗教學的現(xiàn)狀及其在教學中的作用

傳統(tǒng)驗證性實驗教學之所以在高校實踐教學中備受詬病而逐漸失去其生命力，是因為它在教學中存在一系列問題。

首先是對驗證性實驗教學的認識不正確。無論是教師還是學生一直認為驗證性實驗就是驗證某些一定正確的定理或規(guī)律，沒有把探索性、設(shè)計性的因素考慮進來，更沒有把它看做培養(yǎng)學生探索精神、研究能力及創(chuàng)新性思維能力的一個重要教學環(huán)節(jié)。

其次是教學內(nèi)容的問題。傳統(tǒng)驗證性實驗教學的教學內(nèi)容僅僅是驗證某一定理的正確性，內(nèi)容單一且枯燥。

最后就是教學方法的問題。傳統(tǒng)驗證性實驗教學都是采用知識重現(xiàn)的教學方法，即把課堂教學的理論知識詳細重現(xiàn)在實驗指導書中，包括實驗方法、實驗儀器、實驗步驟，甚至是實驗結(jié)果及其呈現(xiàn)形式、實驗數(shù)據(jù)的處理方法等。教師駕馭整個教學過程，學生只是“照方抓藥”。

從上述的分析可以看出，傳統(tǒng)驗證性實驗之所以頗受詬病，不在于驗證性實驗本身，而是實驗教學當中的人為因素[1-2]導致了教學過程中多駕馭，少自由；多求同，少求異；多再現(xiàn)，少探究；多封閉，少開放。學生只要按照既定程序照做，甚至是不做實驗完全依靠理論推導也可得到實驗結(jié)果。

實際上，驗證性實驗教學如同探索性、開放性的綜合實驗一樣都有著重要的作用?？v觀人類科學史可以發(fā)現(xiàn)驗證性實驗起到了極大的推動作用，比如著名的萬有引力定律的建立、相對論、麥克斯韋電磁場理論的建立都是先有理論后有驗證實驗來驗證的[3]151-154。比如電路中的疊加定理，教師告訴學生對比實驗結(jié)果是否和定理相符，和教師引導學生通過實驗找到規(guī)律進而明白疊加定理這兩種教學方法對學生的啟迪作用是不言而喻的。如果不注重教學方法和對學生的引導[3]151-154，驗證性實驗教學存在的問題同樣存在于探索性、設(shè)計性實驗中。所以對傳統(tǒng)驗證性實驗教學進行改革，變驗證性實驗教學為探索性、研究性的實踐教學是非常必要的，也完全是可行的。

二、基于問題式的實驗教學

基于問題式的實驗教學(Problem-Based-Experimental-Teaching，簡稱PBET)的理論基礎(chǔ)是問題驅(qū)動式教學。2004年，張奠宙教授和張萌南教授以《新概念：用問題驅(qū)動的數(shù)學教學》[4]為題，首先提出了問題驅(qū)動式教學方法，并得到了廣泛認可。問題驅(qū)動式教學方法和我國古代孔子的“不憤不啟，不悱不發(fā)”的教學思想及古希臘蘇格拉底的啟發(fā)式教學都異曲同工?；趩栴}式的實驗教學把問題驅(qū)動教學方法引入實驗教學，把問題導入實驗教學過程，以解決問題為教學主線，以培養(yǎng)學生的問題意識、批判性思維技巧、解決問題的實踐能力以及創(chuàng)新型思維[5-8]為主要教學目標。

眾所周知，人類科學史上探索自然、認識自然、發(fā)現(xiàn)科學規(guī)律，一般都是先實踐而后理論，也就是說先有實驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律，歸納出理論。基于問題式的實驗教學和這一基本規(guī)律不謀而合。通過問題的導入以引發(fā)學生的思考，把探索性、研究性、開放性、設(shè)計性的因素引入驗證性實驗?；趩栴}式的實驗教學強調(diào)以下幾個方面：

第一，教師是教學過程的引導者和輔助者，學生是實驗的主體。在實驗過程中，教師以問題為引導，幫助學生借助一定學習資料，在實驗中自行研究和探索，通過建構(gòu)主義的方式不斷地從已知到未知再到新的已知，從而在實驗過程不斷獲取新知。

第二，自主解決問題是教學過程的主線。在實驗的不同階段，以不同的問題為驅(qū)動力，引導學生嘗試可能的方法解決問題，從而培養(yǎng)學生的問題意識、批判性思維技巧以及解決問題的實踐能力作為教學的主要目標。

當然，基于問題式的實驗教學中的問題不是課后習題或者普通的問題，而是具有啟發(fā)性、引導性、探索性、能激發(fā)學生思維模式產(chǎn)生變化的問題。但這些問題通常又是樸素的，能對學生起到“潤物細無聲”的效果。另外一個方面就是問題提出的時間節(jié)點，在不同的教學階段提出合適的問題，可以達到“好雨知時節(jié)，當春乃發(fā)生”的效果。

第三，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維能力和研究能力，讓它成為教學過程的原動力和推動力。教育不應僅僅是現(xiàn)有知識的傳授，更重要的是培養(yǎng)學生勇于對未知領(lǐng)域的探索精神及擁有創(chuàng)新的思維能力和研究能力。創(chuàng)新分為問題創(chuàng)新和方法創(chuàng)新[9]，前者是指提出新的問題，后者是指提出或改進了勇于解決問題的思想、方法、方案或流程等。無論是哪種創(chuàng)新的起步都是始于發(fā)現(xiàn)問題，然后通過對研究對象的漸次追問和探究，逐步發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)的學習和研究的過程。

三、基于問題式的實驗教學在驗證性實驗教學的應用

本文以自動控制理論課程為例來說明基于問題式的實驗教學在驗證性實驗教學的應用，也是利用基于問題式的實驗教學改革驗證性實驗教學的一種探索。自動控制理論具有理論性強、教學要求高、內(nèi)容抽象、學習難度大等特點，對于初涉專業(yè)課學習的學生而言，其學習難度更大，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)良好的學習方法和思考習慣，對后期專業(yè)課的學習及能力的培養(yǎng)能打下堅實的基礎(chǔ)。

(一)驗證性實驗的引入階段

驗證性實驗的引入階段發(fā)生在實驗開始之前和實驗初期，在這一階段首先要激發(fā)學生探索的欲望，同時還要引導學生通過資料查閱實現(xiàn)從抽象到具體、從理論到實踐的轉(zhuǎn)化，降低理論學習難度，幫助學生抓住課堂知識點的核心及內(nèi)在聯(lián)系，鞏固課堂教學效果。

這一階段的驅(qū)動問題具有如下特點：(1)單目標或單參數(shù)描述和解釋的相關(guān)問題[8]3；(2)某個知識點在某個或某些特定或特殊情況下的描述和分析的問題；(3)某些知識點某項控制指標的描述和解釋問題；(4)某種實驗方法的描述和分析的問題；(5)實驗結(jié)果描述和分析方法的問題。

以“控制系統(tǒng)的時域響應”這一實驗為例，該實驗的實驗目的是研究二階系統(tǒng)的特征參量對過度過程的影響，并研究二階對象的三種阻尼比下的響應曲線。該實驗階段提出了“不同阻尼比下的動態(tài)響應曲線有何區(qū)別？自然振蕩頻率對二階系統(tǒng)動態(tài)性能有什么影響？”“實驗所得的響應曲線和理論分析所得曲線有不同嗎？如何看待這種不同？分析產(chǎn)生不同的原因”等問題。

(二)實驗的發(fā)展階段

這一實驗階段發(fā)生在實驗進行的整個過程，是在學生對課堂教學的知識點有了深入的掌握后，引導學生開拓思維，自覺地發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和自主尋找實驗方法解決問題，培養(yǎng)學生的問題意識、批判性思維技巧以及解決問題的實踐能力。

這一階段的驅(qū)動問題首先要蘊含更多的探索性，把帶有未知性的、不確定性的實驗過程和結(jié)果以問題的形式引入實驗，以引導學生帶著興趣和欲望積極探索。同時，這一階段的驅(qū)動問題還要帶有一定的設(shè)計性，引導學生把已知的知識點重新構(gòu)建形成新的知識。此外，其問題還要帶有一定的開放性，比如解釋型問題、理解型問題、個性化問題等，給學生充分的自由思考和操作的空間。

這一階段的驅(qū)動問題具有如下特點：(1)多參數(shù)、多目標系統(tǒng)在不同情況下的描述和分析問題；(2)某理想工程問題的數(shù)學描述或解釋的相關(guān)問題；(3)包含了一系列簡單問題的綜合性問題；(4)具有某個主題的問題，需要學生通過多個理論知識點的聯(lián)系、推導、反復計算、多次實驗才能獲得結(jié)果的綜合性問題。

就“控制系統(tǒng)的時域響應”這一實驗而言，這一階段的任務(wù)是學生能利用之前學習的知識，構(gòu)造硬件模擬系統(tǒng)來模擬二階控制系統(tǒng)，并通過相應硬件的調(diào)整以調(diào)整系統(tǒng)的特征參量。鑒于學生綜合利用知識進行設(shè)計的能力基本沒有訓練過，驅(qū)動問題的設(shè)計注重了逐步引導，比如“一階系統(tǒng)具有哪些特性？和之前學過的哪種硬件的響應特性相似呢？可以用該硬件模擬一階系統(tǒng)嗎？”在學生經(jīng)過測試得出結(jié)論后，又適時給出下面的問題，比如“二階系統(tǒng)有哪些特性呢？可以在一階系統(tǒng)的基礎(chǔ)上得到某二階系統(tǒng)嗎？”等等。一系列的問題引導可以使大多數(shù)學生順利完成知識構(gòu)建，順利搭建硬件模擬系統(tǒng)，并找到系統(tǒng)各參量的計算方法。學生在不斷探索—實驗—再探索、再實驗的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題，逐步地啟蒙著他們的創(chuàng)新性思維能力。

(三)實驗的延伸階段

這一實驗階段發(fā)生在實驗即將結(jié)束和結(jié)束后，其教學既要完成知識點間承上啟下的任務(wù)，更要引導學生在已有新知的基礎(chǔ)上，敢于質(zhì)疑，勇于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維能力和研究能力。

本階段的驅(qū)動問題要引導學生合理假設(shè)和大膽預測，合理的假設(shè)和大膽預測一直以來在科學理論形成中扮演著重要的作用。在驗證性實驗中引導學生對下一個知識點進行合理假設(shè)和預測，在后期的課堂教學和實驗教學中再進一步驗證。這樣既可以進一步增加驗證性實驗的探索性，又可激發(fā)學生對新知識的渴望。

這一階段的驅(qū)動性問題具有如下特點：(1)某一知識的延展性問題；(2)某一問題的反問題；(3)某問題在不同條件下的描述和分析問題；(4)某實驗現(xiàn)象的假設(shè)性或預測性問題；(5)某問題可能存在的條件的描述和分析問題。

就“控制系統(tǒng)的時域響應”這一實驗而言，課堂教學的下一個知識點是系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定，勞斯判據(jù)的應用。這一階段的驅(qū)動問題首先引導三階系統(tǒng)的硬件模擬系統(tǒng)的建立，然后給出相應的驅(qū)動問題，引導學生對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與否有直觀認識，比如“你的三階系統(tǒng)穩(wěn)定嗎？如何調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定？”再進一步引導學生發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素，進而思考判穩(wěn)關(guān)注點，比如“硬件系統(tǒng)中的參數(shù)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)的哪方面相關(guān)？如何影響到了你的三階系統(tǒng)呢？”等等。這樣的引導大大激發(fā)了學生探索欲望和學習新知識的渴望，也鍛煉了通過實驗驗證未知的能力。

四、應用效果分析和結(jié)論

應用基于問題式的實驗教學改革驗證性實驗教學的教學效果從驅(qū)動問題質(zhì)量的考查和教學效果綜合評價兩個方面進行評價。

本文把我院自動化專業(yè)5個班按照學號的前后劃分為3段，再隨機從3段中各抽取6人，形成了90人的一個學生樣本。自動控制原理共有7個實驗，取其中的3個驗證性實驗為實驗教學的樣本。

(一)基于問題式的實驗教學的驅(qū)動問題質(zhì)量考查

在基于問題式的實驗教學中，設(shè)置的驅(qū)動問題的質(zhì)量對教學效果會產(chǎn)生極大的影響。對不同實驗階段的驅(qū)動問題從難度、區(qū)分度和信度幾個方面來考查驅(qū)動問題的質(zhì)量。

問題的難度是考查驅(qū)動問題的難易程度的數(shù)量化指標，采用如式(4.1)的方法計算[10]14：

(4.1)

(4.2)

其中Dj表示第j部分的難度。并且Dj取值0.3～0.5為宜，當Dj大于0.7為難題，Dj小于0.2為易題。Fj為第j部分的總分數(shù)。

問題的區(qū)分度是鑒別學生的高、低、優(yōu)、劣能力的指標，計算方法如式(4.3)所示[10]13：

(4.3)

其中Wij表示第i部分第j題的區(qū)分度，當取值0.4以上為優(yōu)良，0.3～0.39為良好題，0.2～0.29為一般，0.2以下為劣。Hij、Lij分別表示高低分組中第i部分第j題的平均分，高低分組各占樣本的25%和30%。

信度是鑒別問題是否真實反映學生水平程度的指標，計算方法如式(4.4)所示[10]13-16：

(4.4)

自動控制原理三次驗證性實驗中的驅(qū)動問題的難度、區(qū)分度和信度測量值如表1所示。

表1　問題質(zhì)量考查結(jié)果

(二) 改革后驗證性實驗教學效果綜合評價

教學是“教”與“學”的密切配合，是教師和學生默契互動，所以本文對教學效果綜合評價從學生對教學效果的評價、專家對教學效果的評價和教師對學生學習效果的評價[11]三方面出發(fā)。

學生是改革后實驗教學的教學主體，學生也是教學效果最直接的享受者，學生對教學效果的評價是最直接的。但學生對教學效果的評價容易受主觀的影響而有失公正，比如學生會不喜歡授課教師或不喜歡該課程等。專家對教學效果的評價會增加結(jié)果的全面性和客觀性，我校和我院都成立了教學督導小組，不間斷地對教師的授課聽課、評課，他們對教學效果的評價比較科學。

無論是學生還是專家的評價都從教學內(nèi)容、教學方法和授課效果三個方面進行，采用問卷的方式，問卷中的各項取不同數(shù)值，總分符合百分制，問卷如表2所示。

表2　教學效果評價問卷表

教師對學生學習效果的評價主要包括實驗過程中學生成績(30%)和考試成績(70%)，把三次驗證性實驗的平均分值作為教學效果評價的分值。綜合以上分析，改革后驗證性實驗教學教學效果綜合評價的方法如式(4.5)所示：

綜合評價值=α×學生評價分值+β×專家評價分值+γ×教師對學習效果評價

(4.5)

其中α，β，γ為權(quán)重參數(shù)，可根據(jù)實際情況調(diào)整各部分所占權(quán)重。本文中分別取0.2、0.5、0.3。為了增加客觀性，本文分別計算了三個年級的同次實驗教學的效果評價值，分別為89、94、86。

(三)結(jié)論

從表1的計算結(jié)果可以看出，基于問題式的實驗教學中應用的驅(qū)動問題難度和教學目標相當，對不同層次的學生有良好的區(qū)分能力，也能反映出學生的真實水平。從教學的綜合評價效果看也都達到了優(yōu)的水平，由此可以看出采用基于問題式的實驗教學改革傳統(tǒng)驗證性實驗獲得了學生、專家和教師的高度認可。

綜上可以看出基于問題式的實驗教學引入的問題得當，起到了應有的啟發(fā)和引導的作用，而教學效果的評價說明了應用基于問題式的實驗教學改革驗證性實驗教學取得了良好的改革效果，該方法可以推廣到其他的實驗教學形式中去。對實踐教學效果的評價方法進行針對性研究是本文進一步研究的目標。

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[3]王國霞，王尚君.基于社會網(wǎng)絡(luò)分析和建構(gòu)主義的課程設(shè)計教學方法改革[J].高等理科教育，2013(增刊)：151-154.

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(責任編輯李世萍)

CONTENTS

Theoretical Exploration

Reflections on Education Research and Discipline Construction：Inspiration from Medical Science

HE Shu-tong(1)

Research on the Evolution of the Relationship between Teachers and Students Based on the Development of Media Technology

CHEN Qiao-yun(8)

Construction and Analysis of Online Micro-course Instructional Design Mode Based on Kemp Mode

MO Li-ping (14)

Higher Education Talents Training from the Perspective of Life Philosophy

CHEN Chun-mei (20)

To Reshape the Future Elite：

the Analysis of Training Outstanding Normal Students in Local Normal Universities

FAN Dong-qing & Zuo Bing(26)

Window of Management

Return to Course Essence：Quality Management of Universities' Online Courses

GAO Bei-lei(31)

Measurement and Analysis of Spatial Agglomeration Degree in Provincial Higher Education of Science and Engineering

WANG Zhang-bao et al.(37)

Construction of Target Management Mode in University and Performance Evaluation from the Perspective of Careersmart Balanced Scorecard

YANG Wei et al.(44)

Platform Construction on Teaching Skills Cultivation for Normal University Students Based on the Micro-video Technology

—Taking Computer Normal Major in Nanjing Normal University as an Example

DAI Nan & CHEN Xian(52)

Global Vision

Study on Undergraduate Innovation Education of Hydrology and Water Resources in America

SONG Song-bai et al.(59)

Academic Forum

Investigation on the MPCK Development of Undergraduates in the Normal Universities and Colleges

CHEN Bei(67)

Teaching Reform

Research on the Self-organizing Teaching Method of Curricular Experiment Safety Education Based on the WeChat Public Platform

WANG Ming-da et al.(74)

Thinking and Practice on the Specialized Courses of the Flipped Teaching Mode Based on the Micro-lecture

LIU Rui et al.(79)

Discussion on Course Teaching and Experience of Analytical Chemistry Experiment Teaching

LIU Quan-yong et al.(84)

Application of Smart Phone in the Biology Field Practice

PAN Jian-bin et al.(93)

Instructional Design of Digital Circuit Based on the Concept of CDIO Education

SONG Cai-xia et al.(98)

Construction of the Experiment and Practice Teaching System under the Background of the Engineering Education

—Taking "Electrochemical Theory and Testing Technology" as an Example

SHAO Yan-qun et al.(104)

Exploration on the Reform of Verificaton Experiment Teaching

WANG Guo-xia(109)

Study on the Construction of Climate Changes and Civilization Course in a Freshmen Seminar

FANG Xiu-qi(114)

Historical Review

Cultivating the Basic Ability of Scientific Innovation Ability：Historical Evolution and Logic Operation of Upbringing Education in Japanese Universities

DING Jian-yang(119)

Contents

(126)

Establishing the Top Universities Cultivating the Information Talents

(Inside Front Cover)

Exploration on the Reform of Verificaton Experiment Teaching

WANGGuo-xia

(School of Automation and Electrical Engineering，University of Science & Technology Beijing，Beijing，100083，China)

This paper shows that the artificial factors make verification experimental lack of research and exploration，which to some extent weakens the verification experiment and is vilified by people.However，it is still a necessary teaching form and needs to be reformed.Meanwhile，the paper brings the experimental teaching mode based on the question into the verification experimental teaching and reform.Moreover，the teaching method and examples of verification experimental teaching reform are all discussed in detail through some quantitative analysis.The result proves that the reform above achieves a good teaching effect.Key words：verification experimental teaching；teaching reform；question-driven；the experimental teaching based on the problems

2016-03-31

教育部第一批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實施學校(61所)、教育部第五批高教學校特色專業(yè)建設(shè)項目“自動化CDIO特色建設(shè)”(項目編號：TS2422)；北京科技大學校級教改項目.

王國霞(1974-)女，河南平頂山人，講師，博士，主要從事實驗教學與管理、個性化信息獲取研究.

G642.0

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