基于目標分類的物理演示實驗教學方法探索與實踐

李雪琴,趙云芳,唐艷妮,羅積軍

(火箭軍工程大學 理學院 基礎實驗中心，陜西 西安 710025)

大學物理演示實驗能夠化抽象為具體，化枯燥為生動，把日常生活中接觸到的物理現(xiàn)象，通過演示實驗方式再現(xiàn)，將“生活世界”轉換為“物理世界”，是學生學習物理知識的重要途徑之一[1-2]. 基于學生的認知過程從簡單到復雜、由具體到抽象這一普遍規(guī)律，將演示實驗教學過程與布盧姆的認知目標分類理論相結合，提出了基于目標分類的物理演示實驗教學方法. 該方法先后通過教師講解演示加深學生對物理知識的理解，學生互動體驗物理原理的具體應用，師生討論總結揭示現(xiàn)象背后的物理原理，從而在探索求知過程中激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力.

1 基于目標分類的演示實驗教學過程

基于目標分類的演示實驗教學方式，以不超過20人的小班為教學單位，讓學生在體驗探索中掌握物理原理及其應用，在分析討論中激發(fā)創(chuàng)造性思維，在創(chuàng)新制作中提高實踐動手能力和自主創(chuàng)新能力. 長期教學實踐表明：基于目標分類的演示實驗教學模式取得了良好的教學效果.

人的認知目標是從識記相對簡單的知識到形成抽象思維的漸進過程,布盧姆把教育的認知目標分成六大主類，即:記憶、理解、應用、分析、評價、創(chuàng)造[3]. 基于目標分類的演示實驗教學方法將布盧姆的教育目標分類理論與演示實驗教學過程相結合，分為教師原理講解、教師儀器演示、學生實踐體驗、師生互動探討、分享收獲體會、學生自制儀器6個環(huán)節(jié)，如圖1所示. 這6個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，前一環(huán)節(jié)是后一環(huán)節(jié)的基礎和前提，后一環(huán)節(jié)是前一環(huán)節(jié)的發(fā)展和深化，而且各環(huán)節(jié)之間又是互相補充、互相促進、互相制約[4]. 現(xiàn)以太陽能發(fā)電演示儀器為例，對基于目標分類的演示實驗教學方法進行具體的教學過程說明.

圖1 基于目標分類的演示實驗教學方法流程

1.1 教師講解原理——記憶

記憶是人們對具體事物和普遍原理的識記，或者對方法和過程的回憶，是所有學習活動的首要環(huán)節(jié)，是學生獲得知識和能力發(fā)展的前提和基礎[4]. 對于陌生的知識點，首先要讓學生對其概念特征進行區(qū)分、認識，并在頭腦中留下一定的印象，然后通過再認和回憶加強對知識的了解和掌握. 對于具體的演示實驗項目，教師在講解演示之前先提示、引導學生回憶相關的物理原理或定律，再根據(jù)學生的回答情況進行總結歸納，以此加深學生對原有知識的理解和掌握. 例如，對于太陽能發(fā)電演示儀(如圖2所示)，學生基本都知道其原理為半導體材料的光伏效應，但是對其中的深入細節(jié)并不清楚，這就需要教師進一步講解原理. 教師在演示該儀器之前，依次提出3個關鍵問題：什么是光伏效應？PN結是如何形成的？PN結在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用是什么？根據(jù)學生的回答情況，教師進行補充說明. 通過問答環(huán)節(jié)，學生不僅回顧并完善了關于太陽能發(fā)電的固有知識，而且在教師講解過程中對PN結兩側電位差的形成以及光伏材料的生產制作工藝有了更深入的了解. 教師針對具體演示實驗項目，采用問題驅動式講解方法，對儀器基本原理進行講解介紹. 通過對物理原理的提問，結合實物儀器進行講解，驅動學生從長時記憶中提取相關知識要點，從而實現(xiàn)知識的識別與再認知的過程.

圖2 太陽能發(fā)電演示儀

1.2 教師演示儀器——理解

理解是在記憶的基礎之上進一步加深對知識的掌握. 通過第一步實驗原理講解，學生對演示儀器的工作原理已經(jīng)有了明確的認識，在此基礎上，進行儀器的具體項目演示. 太陽能發(fā)電演示儀中的太陽能電池板將太陽能轉換為電能，生成的電能可用于日常照明、家用電器供電，還可儲存起來為其他可充電設備充電. 教師在進行操作演示儀器時，邊演示邊討論，例如：讓學生闡述太陽能的優(yōu)點，舉例說明太陽能在其他領域的應用，或讓學生分析太陽能電池板的面積與發(fā)電量之間的關系，等等. 教師采用師生探討演示的模式，重點在于培養(yǎng)學生解決問題的物理思維和科學探究的有效方法. 在演示過程中學生可以將具體的物理現(xiàn)象和物理原理對應起來，把“生活世界”轉換為“物理世界”，加深對物理原理的理解和掌握.

1.3 學生實踐體驗——應用

經(jīng)過教師的講解和演示，學生已經(jīng)對儀器有了直觀感性認識，并產生了探究興趣，教師強調儀器使用注意事項后，學生可親自操作體驗. 在實踐體驗環(huán)節(jié)，教師布置具有探究性和啟發(fā)性的問題，要求學生在理解演示實驗原理的基礎上，認真觀察實驗現(xiàn)象，仔細研究實驗裝置，并在體驗結束后回答教師提出的問題. 例如，太陽能發(fā)電演示儀的體驗環(huán)節(jié)中，學生需要思考的問題分別為：影響太陽能板發(fā)電量的主要因素有哪些？影響太陽能利用率的主要因素有哪些？讓學生在體驗環(huán)節(jié)帶著問題探索實踐，不僅可激發(fā)學生探究知識的興趣，而且在鍛煉學生實驗技能和動手能力基礎上，也能激發(fā)學生主體的創(chuàng)造性思維.

1.4 師生互動探討——分析

學生經(jīng)過親自操作體驗，獲得了豐富的感性知識，在此基礎之上，由教師組織分析探討，對學生在實驗環(huán)節(jié)中遇到的問題答疑解惑，并對學生在體驗環(huán)節(jié)中需要思考的探究性問題進行分析總結. 在此環(huán)節(jié)，先讓學生陳述相關問題的答案，再由教師進行分析總結，要引導學生從根本的實驗原理出發(fā)，尋求問題的主要突破口. 例如影響太陽能板發(fā)電量的主要因素可以從太陽輻射量、太陽能電池板的材料組成和面積等方面進行分析，影響太陽能利用率的主要因素可以從太陽能電池組件的傾斜角度、太陽能電池組件的效率、組合損失、溫度特性、灰塵損失、線路損失等方面進行分析總結. 通過對演示儀器的深入探討和分析，不僅加深學生對物理原理的理解，而且能夠提高學生觀察能力、分析能力和邏輯思維能力.

1.5 學生分享收獲——評價

分享體會環(huán)節(jié)，讓學生談談對太陽能利用的認識. 例如：目前太陽能利用包含哪些領域?太陽能利用效率如何?太陽能發(fā)電裝置有哪些待改進的缺陷？學生可以在課堂上暢所欲言，而對于一些尚有爭議的問題，在課后查閱相關資料. 最后為學生布置開放性作業(yè)，針對目前的太陽能發(fā)電產業(yè)的不足之處，提出創(chuàng)新想法或改進建議. 利用類似于太陽能發(fā)電這種應用型演示儀器，將實驗內容與實際生產緊密結合，讓學生認識到物理原理對人類生活產生的巨大影響，使學生樹立科學的認識世界、改造世界的觀念，培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題的能力[5].

1.6 學生自制儀器——創(chuàng)造

經(jīng)過對太陽能發(fā)電演示儀器的課堂演示實驗講解、體驗、討論及課后查閱資料等一系列環(huán)節(jié)，有學生確立了自己的創(chuàng)新想法. 學生通過查閱資料了解到，目前固定放置的太陽能發(fā)電裝置不能根據(jù)太陽方位的變化而變換位置，這就使得太陽能利用效率大大降低. 改進方法為制作自動追日光伏發(fā)電系統(tǒng)，以此提高太陽能利用率. 另外，因粉塵污染導致的“熱斑效應”使太陽能電池板的發(fā)電效率明顯下降. 為解決該問題，在自動追日光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎上增加自清潔系統(tǒng)，及時清洗太陽能發(fā)電板表面的粉塵，提高光電轉化效率. 該想法得到了實驗室的認可，并提供了學生創(chuàng)新基金，支持其完成自清潔追日光伏發(fā)電系統(tǒng)[6].

基于目標分類的演示實驗教學方法，以提高學生創(chuàng)新實踐能力為最終目標，讓學生在所學知識基礎之上，將創(chuàng)新想法付諸創(chuàng)新實踐. 通過獨立選題、設計方案、觀察記錄實驗現(xiàn)象、分析歸納實驗結論、探索發(fā)現(xiàn)新的研究成果,學生的科研實踐能力得到了鍛煉，綜合素質得到了提升，不僅對教學效果的提升具有很大的幫助，而且取得了較多的創(chuàng)新成果，如表1所示.

表1 2015-2016年度部分優(yōu)秀獲獎演示實驗作品

2 基于目標分類的演示實驗教學意義

2.1 對學生的影響

基于目標分類的演示實驗教學方法使學生在了解實驗原理、掌握實驗方法的基礎上自主體驗演示實驗項目，在體驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，以此激發(fā)學生的創(chuàng)新思維并鼓勵學生自制演示儀器. 自制演示儀器設備的研制過程，對學生而言是創(chuàng)造性的學習過程. 學生在參與研制過程中，真正體會到了學以致用的樂趣，激發(fā)了創(chuàng)造興趣，提升了創(chuàng)新思維能力以及實踐動手能力. 因此，自制物理演示儀器對學生綜合能力培養(yǎng)具有非常重要的推動作用.

2.2 對教師的影響

基于目標分類的演示實驗教學方法雖然是以學生為主體，以學生創(chuàng)新自制演示儀器為目的，但是始終離不開教師的指導與參與. 學生自制演示儀器過程中，從課題選取、儀器構造、線路設計等方面都需要精心設計和再創(chuàng)造. 在此過程中，教師作為指導者和參與者，通過對學生自制演示設備的設計把關、調試整改，教學科研水平得到了提升[7]. 同時，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新能力的優(yōu)秀學生也能夠增強教師的榮譽感.

2.3 對實驗室建設的貢獻

以培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新能力為目的的目標分類演示實驗教學方法，為推動實驗室建設發(fā)揮了不可替代的作用. 首先，學生創(chuàng)新自制的演示儀器具有靈活性、直觀性、適用性和經(jīng)濟性[8-9]，能夠豐富實驗室資源，補充實驗儀器的不足，增強實驗室的實力和影響力[10]. 其次，學生創(chuàng)新自制演示儀器與我校教學特色緊密結合，能夠展示物理原理在國防軍事中的應用，不僅促進物理實驗教學，而且能夠激發(fā)其他學生的創(chuàng)新熱情，帶動更多學生參與創(chuàng)新實踐. 最后，學生創(chuàng)新自制演示儀器便于維護和管理，教師對學生自制儀器的原理結構十分了解，能夠及時查明儀器故障原因并修復.

3 結束語

基于目標分類的演示實驗教學方法，旨在為學生學習物理原理和科技知識創(chuàng)設良好的物理情境，以此激發(fā)學生的求知欲望和創(chuàng)新精神. 該教學方法把高素質人才的培養(yǎng)、教師的教學、實驗室建設很好地融為一體，彰顯了自身特色，滿足綜合性、設計性、創(chuàng)新性等現(xiàn)代實驗教學要求[11]. 因此，基于目標分類的演示實驗教學方法對于培養(yǎng)高素質人才、提高教師教學科研水平和推動實驗室建設具有十分積極的作用.

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[5] 李雪琴,王樂,羅積軍,等. 注重大學物理演示實驗教學,培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新能力[J]. 物理與工程,2016,26(Z1):234-237.

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[7] 楊宏,李國輝. 走自制實驗設備之路,促進實驗教學改革[J]. 實驗技術與管理,2013,30(1):225-227.

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[10] 曹勇鋒,張可方. 自制設備在專業(yè)實驗教學中的應用[J]. 實驗科學與技術,2009,7(3):135-137.

[11] 廖慶敏,秦鋼年,蒙艷玫. 把自制設備作為實驗教學示范中心的特色來建設[J]. 實驗技術與管理,2010,27(7):121-123.