問題引導型物理實驗自主學習模式的探究

蔣 蕓， 王亞芳， 董愛國， 周惟公

(1. 中國地質大學(北京) 數理學院，北京 100083; 2. 中國地質大學 長城學院，河北 保定 071000)

問題引導型物理實驗自主學習模式的探究

蔣 蕓1， 王亞芳1， 董愛國1， 周惟公2

(1. 中國地質大學(北京) 數理學院，北京 100083; 2. 中國地質大學 長城學院，河北 保定 071000)

針對大學物理實驗開放式教學中大學生自主學習的問題，遵循教育心理學原理，提出問題引導型自主學習模式。將復雜任務拆解成比較簡單的階段性任務，提出問題，引導學生思考，并自行尋找解決方案。問題解決過程不斷地從內源性和外源性兩方面刺激并維持學生的學習動機。利用RLC電路實驗進行探索和實踐。教師在原理、技術、數據處理等方面提出各種問題，學生進行針對性的思考，并通過學習講義、網絡搜索、同伴交流等方式，尋找答案，探索可能的解決方案，完成整個實驗。通過實驗效果對比和問卷調查顯示，問題促使學生不斷思考，且對其思維方向的影響明顯，有明確的引導作用，能夠培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際問題的能力。為了達到好的效果，應該注意提問技巧，并充分利用現有的物理實驗資源。

物理實驗; 問題引導； 教學模式; 自主學習; 教育心理學; RLC串聯諧振電路

0 引 言

大學物理實驗課程是大學生開始科學研究的入門課程，對學生進行實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與訓練，使其能夠將知識運用于實踐，解決實際問題。課程在內容上和體系上都比較成熟，近年的教學改革主要在教學模式上進行，包括開放式教學、分層次教學、模塊化教學、MOOC(慕課)、PI(同伴互助教學)、信息技術輔助教學、翻轉課堂、微課等，這些手段為實驗教學開辟了很多新的思路，改變和嘗試性的教學模式，其目的都在于提高學生學習主動性，更好地培養(yǎng)學生能力，從而提高物理實驗的教學質量[1-17]。根據教育理論和實踐，能力的培養(yǎng)是在解決實際問題的過程中完成[18-20]，所以必須想辦法使學生進入自主學習狀態(tài)，主動利用已有知識解決問題，培養(yǎng)能力。

1 自主學習中的問題

物理實驗中心在寒暑假期開放實驗室，允許學生在假期中自主學習，即在沒有教師指導的情況下進行預習，操作儀器，完成規(guī)定的實驗項目。值班教師只是提供幫助，但不進行講解，使學生盡量獨立進行實驗。

根據觀察和與學生座談，發(fā)現這種自主學習特點明顯。一方面，學生很愿意在自己的假期時間，完成必修課，減輕平時學習的壓力；學生能夠更加自由的使用實驗室，按照自己的專業(yè)、興趣和能力選擇實驗；而且學生獨立進行實驗，要求更高，所用實驗時間也在很大程度上增加，有助于能力的培養(yǎng)；實驗室和實驗儀器的利用率都上升。另一方面，存在的問題也突出。學生在自主學習中，只知道需要完成實驗，但是對于如何完成實驗的步驟并不清楚，不能恰當的運用知識去解決問題；或者在實驗中遇到困難多，沒有及時的信息反饋，操作過程中不知道是否正確，最終結果不對也不知道是哪步出了問題，嘗試幾次后就放棄，興趣逐漸消失；部分學生只是為了獲得成績，不是從原理出發(fā)進行思考，只在實驗中單純模仿其他同學操作，獲取數據，知其然不知其所以然，甚至發(fā)生抄襲，造成能力沒有提高；盲目操作，造成儀器損壞嚴重，維修量大，甚至影響教學；另外就是教師給成績時主要依靠實驗報告，對于學生實驗過程不了解，造成成績評定不公平。

2 解決方案

學生自主學習進行實驗的過程實際上是學生進行研究性學習的過程，需要學生自主發(fā)現問題，研究問題、獲得結論。教育心理學原理中指出，解決問題不僅需要知道問題的起始狀態(tài)和目標狀態(tài)，也需要明確其中間狀態(tài)，即選擇適當的途徑去解決問題。同時也指出，可以通過創(chuàng)設問題情境等方法培養(yǎng)學生興趣，激發(fā)并維持學生內源性學習動機，通過及時提供反饋信息，對掌握知識和能力做出合理的外部獎勵[21]。而在自主學習過程中最大的問題就是目標不明確，沒有解決問題的思路，缺乏有效的反饋，造成學生學習困難，興趣減弱[22-24]。所以，根據學生自主學習時出現的問題，并參考翻轉課堂在物理實驗中的教學實踐，提出問題引導型自主學習方式，即給出一系列問題，引導學生思考，明確解決問題的大體方向，學生在逐個解決小問題的過程中，不斷思考是否正確，自身給予反饋，自我激勵，最終解決全部問題，完成實驗，提升能力。

3 問題設計與實踐

在實驗前，教師設計并準備較豐富的相關題目。提出問題的目的在于給學生特定的思考目標，將較大但不明確的任務分解成小的可以逐一解決的任務，迫使學生在原理、技術等方面對實驗進行有針對性的思考。

3.1 針對RLC串聯電路實驗教學提出的問題

以RLC串聯電路實驗為例，此實驗目的在于掌握RLC電路串聯諧振的概念和特點，研究其輸出信號規(guī)律，了解產生諧振的原因[25-28]。提出的問題涉及到基本原理、儀器使用、操作方法、誤差分析和擴展思考等。下面給出一系列問題，主要有：①電容在直流電路和交流電路中有什么樣的行為，會對交流信號起到什么樣的作用？②電感在直流電路和交流電路中有什么樣的行為，會對交流信號起到什么樣的作用？③電阻在直流電路和交流電路中有什么樣的行為，會對交流信號起到什么樣的作用？④什么是RLC電路諧振現象？為什么會出現諧振現象？理論上可以調節(jié)那些參數達到諧振？⑤測量U0/U1—f的關系曲線(Uo和Ui分別為輸出電壓和輸入電壓，f是信號頻率)，預期曲線應該呈現什么形狀？⑥實驗中，九孔板、信號發(fā)生器和示波器都起什么作用？⑦使用九孔板如何連接線路？信號發(fā)生器和示波器如何接入？如何保證示波器的兩個測量通道的地端(接線黑色端)共地？⑧實驗中給電路提供的信號是交流/直流信號？需要知道信號的哪些參數？使用現有信號發(fā)生器，如何調節(jié)這些參數？⑨輸入電壓和輸出電壓是峰峰值/有效值/均方根值/最大值/平均值中的哪個？示波器上如何讀取電壓值？⑩獲得的U0/U1—f曲線是否符合你的預期？是否對稱？為什么出現這種現象？根據公式和使用的元件值，求出RLC串聯電路的理論諧振頻率，對比實驗獲得的諧振頻率，是否一致？請分析誤差來源。RLC串聯諧振電路的品質因素Q有什么意義？如何提高品質因素？以現有元件如何組合能獲得最高品質因素？

3.2 實施過程

在問題引導性自主學習過程中，學生可以先看問題，通過思考和查詢資料尋找問題答案，作為預習準備實驗；也可以通過學習講義，在實驗過程中遇到困難時，查看問題并思考，獲得提示。

基于RLC實驗，對問題引導型自主學習方式進行對比實驗，觀察問題對學生自主學習的引導作用。第一組學生預習后，進入實驗室后，把題目1～5(偏重原理)給他們，允許進行網絡查詢，觀看錄像，形成2～3人小組討論，然后教師組織學生回答問題，但是并不給出直接的答案或者解決方法。學生認為自己對問題思考比較清楚后，進行實驗。實驗中遇到困難，教師給予簡單講解。另一組對比實驗中，學生預習后，進入實驗室，看錄像后開始實驗，操作中遇到困難，給出問題4～9(偏重操作)，學生根據自己實驗情況，明確困難所在后，查詢網絡、討論，教師可以針對具體問題給出答案，進行實驗。兩組均在獲得實驗數據后，思考回答問題10～12，在理論和應用上，深入思考。

3.3 問卷調查

在實驗結束后，進行總結，并做了簡單的調查問卷。包括4個問題：①對問題的思考是否有助于你的實驗？②在哪些方面有幫助？對以下五項學習方式進行排序：③有助于你完成實驗的方式______；④促進你獨立思考的方式______；選項包括：A.看錄像、B.教師講解、C.自己預習、D.討論并回答問題、E.課堂提供的實驗指導。

第一組共58人，調查結果為：①91.4%選擇“是”，3.4%選擇“否”，5.2%放棄回答；②72.4%原理，17.2%實驗思路，10.3%操作；③選項前三學生普遍選擇B、A、C；④選項前三學生普遍選擇C、D、E。

第二組共60人，調查結果為：①88.3%選擇“是”，5.0%選擇“否”，6.6%放棄回答；②81.7%儀器或操作，13.3%實驗思路，5.0%其他(作圖)；③選項前三學生普遍選擇C、D、E；④選項前三學生普遍選擇C、D、E。

3.4 調查的結論

問卷調查反映出，在自主學習中，學生普遍認為思考并回答相關問題，有助于實驗的進行。而且當問題偏重原理時，學生認為在原理和思路上有幫助，但問題偏重儀器操作時，學生認為在操作上有幫助，這說明問題的引導作用非常明顯。當學生思考原理問題，在原理方面有準備時，視頻錄像和教師講解對學生完成實驗有明顯的幫助。如果沒有對原理的思考，則預習、回答操作問題和實驗指導對完成實驗更重要。所有相關問題對學生的獨立思考均有促進作用。

4 結 語

在開放式物理教學中，問題為導向的自主學習模式相對于傳統課堂教學給予學生更多的自由，滿足其個性化學習的要求，又給予適當的引導，加深學生對實驗的理解，并提高學生實驗的效率。同時，學生獨立的進行實驗，培養(yǎng)其思維能力和運用理論知識解決實際問題的能力，符合物理實驗的教學目標。

當然，這種學習模式對教師和教學環(huán)境也提出了要求。① 問題內容、提問方式、甚至順序都對學生進行思考和實驗有影響。而且，實驗相關問題包括有正確答案的問題和存在不同解決方案的問題，即界定明確的問題和界定不明確的問題。關于實驗原理的問題傾向于前者，而操作部分傾向于后者，從實驗課程訓練目的而言，后者更能激發(fā)學生的探索活動，更具價值。教師在提出問題時，應該經過認真思考，注意激發(fā)學生學習主動性。所以，提什么問題，如何提問題，都變得很重要。② 問題引導型自主學習過程，除了提出問題，也應用了視頻、網絡課件等方式，但是這還遠遠不夠。目前，物理實驗教學資源比較豐富，且形式各異，包括理論知識教材、課件和相關題目，網絡教學視頻，相關慕課，仿真軟件，實驗室實體儀器等。這些手段應該合理的綜合利用，建立類似網絡游戲式的過關型系統，形成獎勵和懲罰機制，并與他人有交流討論，從內因和外因兩方面激發(fā)學生學習的興趣，達到更好的自主學習效果。

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Research on Question-oriented Self-regulated Learning Model in College Experimental Physics

JIANG Yun1, WANG Yafang1, DONG Aiguo1, ZHOU Weigong2

(1. School of Science, China University of Geosciences, Beijing 100083, China； 2. Great Wall College, China University of Geosciences, Baoding 071000, Hebei, China)

In order to overcome students’ difficulty in the self-regulated learning in college experimental physics and conform to the principles of educational psychology, the question-oriented self-regulated learning model was put forward. In the model, a big complex task is disassembled into several small simple staged tasks. For every subtask, a series of questions are then given to lead students to think and find their solutions. During the question-solving process, students’ learning motivation is continuously stimulated and sustained from endogenous and exogenous aspects. The model is used in RLC circuit experiment. The teacher gives a series of questions on basic principle, experimental technology, data processing and other issues. The students think about questions, look for answers by studying on the teaching materials, web search, peer discussion or other methods, and then explore the possible solution and complete the whole task independently. In the comparison of experimental results and questionnaires, it is shown that the questions cause students to think and have an obvious influence on their thinking direction, and the students’ ability to use theoretical knowledge to solve practical problems can be cultivated. In order to achieve good results, questioning skills should be paid attention to, and the other existing physical experiment resources should be utilized fully and comprehensively in the question-oriented self-regulated learning model.

physics experiment; question-oriented; teaching model; self-regulated learning; educational psychology; RLC series resonance circuit experiment

2016-08-28

蔣 蕓(1976-)，女，河北廊坊人，博士,講師，研究方向：巖石礦物材料學，物理實驗教學。

Tel.：13521250219，Email：jiangyun@cugb.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2017)08-0237-03