論實驗數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式下學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

邊紅霞，屠 鵬，胡 冰，肖 雯

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

實驗教學(xué)是指根據(jù)一定目的，運用一定的儀器、設(shè)備等物質(zhì)手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現(xiàn)象及其規(guī)律的教學(xué)實踐形式，是學(xué)習(xí)知識，獲取經(jīng)驗事實和檢驗科學(xué)假說、理論真理性的重要途徑。它不僅包括儀器、設(shè)備、實驗的物質(zhì)對象，還包括實驗者之間的協(xié)商、交流和資金的獲取等相關(guān)社會因素。[1]在實驗課教學(xué)過程中，以小組學(xué)習(xí)為主要組織形式，與同學(xué)協(xié)同合作，發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，解決問題，自主探究性地進行知識的整合與建構(gòu)過程，對學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)起著重要的作用。[2]傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式通常是實驗指導(dǎo)教師先進行大約四五十分鐘的理論講授，然后學(xué)生分組進行實驗。這種教學(xué)模式在實驗室設(shè)備臺套數(shù)充足的基礎(chǔ)實驗課教學(xué)中，實施起來相對較容易。在教師講授完原理和實驗器材的使用后，學(xué)生即可開始實驗操作，實驗過程中學(xué)生能夠保持對理論知識進行驗證的強烈興趣，所以實驗者專注力較高，實驗過程也可得心應(yīng)手。但是，在很多理工科高校的專業(yè)實驗教學(xué)中，存在著由于一些大型實驗設(shè)備價格較高，學(xué)校很難同時配備足夠設(shè)備來滿足學(xué)生實驗需求的問題，導(dǎo)致實驗效率不高。而使用大型實驗設(shè)備進行實驗教學(xué)，恰恰是培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的一個重要手段。有時在實驗中為了驗證結(jié)果，往往需要測試各種不同情況下的多組數(shù)據(jù)，并且每組測試都需要較長時間。在這種情況下，如果每個小組都進行各種情況的測試，必然會導(dǎo)致實驗過程較長，且實驗效率不高，教師和學(xué)生的實驗負擔過重。[3]針對此問題，筆者在教學(xué)實踐中探索實施實驗數(shù)據(jù)“共享”的實驗教學(xué)模式，是一個比較好的解決辦法。實驗數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式是指在大型實驗設(shè)備不足的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生分組進行各種不同情況的實驗測試，待實驗全部完成后各小組進行數(shù)據(jù)“共享”，學(xué)生通過對“共享”的數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出最終實驗結(jié)論的一種實驗教學(xué)模式。該模式的特點是不同組別的實驗者通過與他人實驗數(shù)據(jù)的共享，自主探究性地進行知識的整合與建構(gòu)，對學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)有著極大的促進作用。但是，“共享”實驗數(shù)據(jù)的教學(xué)模式怎樣既保證實驗教學(xué)質(zhì)量，又能培養(yǎng)和提高學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，是擺在部分專業(yè)實驗課程教師面前的一個難題，同時對教師的教學(xué)組織和管控能力提出了新的要求。下面，筆者以《材料力學(xué)性能實驗》教學(xué)實踐為例，探討“實驗數(shù)據(jù)‘共享’模式”在教學(xué)過程的組織和管理中如何促進學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的提升，希望能為面對同類實驗教學(xué)問題的高校實驗教師及實驗管理人員提供借鑒。

1 實驗數(shù)據(jù)“共享”模式下的實踐教學(xué)過程組織

筆者所在的材料力學(xué)性能實驗室配有2kN的電子萬能實驗機一臺，要為60人的班級開設(shè)材料的拉伸、壓縮和彎曲等三個實驗，實驗量大幅超出設(shè)備日荷載量。以拉伸實驗為例，為了讓所有學(xué)生都能參與實驗，兩人一組，全班被分成30個小組，上下午各15組。按每組拉伸實驗約需15～20分鐘計算，排在第15組的同學(xué)大約要等待4～5小時，除去測量試樣基本參數(shù)及理解實驗內(nèi)容所用時間，大部分時間都處于觀察前面小組實驗過程或等待中。同樣，排在前面已經(jīng)完成實驗的同學(xué)，除去測量試樣基本參數(shù)、理解實驗內(nèi)容和處理數(shù)據(jù)的時間，也會消耗大部分時間以等待實驗結(jié)束。這樣的實驗教學(xué)過程，一方面使實驗課堂紀律難以約束，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足。另一方面，15～20分鐘時間學(xué)生只能進行一種拉伸變形速率的測試，不能獲得全面的實驗結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生對實驗教學(xué)效果不認可，大型設(shè)備使用過程中學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)更是無從談起。

1.1 預(yù)習(xí)

實驗指導(dǎo)教師在實驗前一周下發(fā)參考資料，告知學(xué)生實驗材料、電子萬能實驗機型號、處理數(shù)據(jù)用軟件等基本信息。要求學(xué)生查閱資料，掌握實驗材料的基本特征，著重關(guān)注材料的力學(xué)性能指標，查閱“拉伸變形速率對材料性能影響”的相關(guān)文獻資料；了解實驗設(shè)備的用途、測力范圍及精度；下載相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，并熟悉其基本使用方法。

1.2 各小組實驗任務(wù)分配

實驗指導(dǎo)教師在實驗前通知學(xué)生兩人一組自由組合成30組，抽簽決定實驗次序。然后，按表1所示的六個拉伸變形速率給各組分配實驗任務(wù)。前24組中每一個拉伸變形速率下有四個重復(fù)組，如果重復(fù)組中個別實驗不成功或誤差較大，剩余25～30組的同學(xué)可以進行重復(fù)實驗，保證各拉伸變形速率下重復(fù)組數(shù)目足夠且相同。實驗結(jié)束后由學(xué)習(xí)委員將各組數(shù)據(jù)統(tǒng)一拷貝并負責(zé)傳遞給各小組。

表1 拉伸實驗組別及任務(wù)分配

1.3 實驗過程中學(xué)生任務(wù)安排

實驗指導(dǎo)教師在實驗開始前講授材料拉伸性能的評價指標及測定方法，并介紹萬能電子實驗機的使用方法及注意事項。在一組學(xué)生做實驗時，教師要求其他組同學(xué)開始實驗準備，不能處于空閑等待狀態(tài)。首先安排學(xué)生對試樣進行測量標注，學(xué)習(xí)對單組實驗數(shù)據(jù)的基本處理方法。同時要求學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)“拉伸變形速率對材料性能影響”的相關(guān)文獻資料，讓學(xué)生形成材料力學(xué)性能受變形速率影響的概念，互相討論不同拉伸變形速率下材料的特征參量及表征方法，形成如何展示材料性能隨變形速率變化的共識。最后，在實驗結(jié)束后，教師簡單向?qū)W生介紹數(shù)據(jù)處理軟件，給出作圖標準，要求學(xué)生利用不同拉伸變形速率下的實驗數(shù)據(jù)，研究材料的力學(xué)性能隨拉伸變形速率的變化規(guī)律。

1.4 學(xué)生“共享”實驗數(shù)據(jù)形成報告

在實驗結(jié)束后，每組學(xué)生都獲得了一種拉伸變形速率下的實驗數(shù)據(jù)，如彈性模量、屈服強度、抗拉強度、延伸率等基本的材料拉伸性能指標，并將各自獲得的實驗數(shù)據(jù)與其他組同學(xué)進行共享。全體學(xué)生即可獲得不同拉伸變形速率下的豐富實驗數(shù)據(jù)，可以對不同拉伸速率下材料的性能進行比較分析。

圖1不同變形速率下某高分子材料拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 為某組學(xué)生通過對共享的實驗數(shù)據(jù)處理后得到的各變形速率下某高分子材料拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖中顯示材料的拉伸性能隨變形速率而發(fā)生變化，讓學(xué)生對該實驗得到直觀和全面的印象。

表2 各變形速率下某高分子材料的屈服強度和延伸率

同時，學(xué)生通過對各重復(fù)組實驗數(shù)據(jù)的進一步整理分析，還可獲得材料在不同變形速率下的屈服強度和延伸率數(shù)據(jù)（見表2）。通過表中數(shù)據(jù)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)材料的屈服強度隨變形速率增大而增大；延伸率在變形速率為100mm/min和50mm/min時，明顯比高變形速率和低變形速率時要小，從而理解和掌握延伸率的不確定特性。

2 實驗數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式能夠培養(yǎng)學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力

與上面的實驗教學(xué)過程相比較，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式中每組學(xué)生在完成自己的實驗任務(wù)后，只是按照教師的實驗指導(dǎo)處理數(shù)據(jù)，書寫實驗報告，完成實驗教學(xué)任務(wù)。這種看似完整的教學(xué)過程，實質(zhì)上還是按照一定的“老套路”進行的。學(xué)生難以發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性，學(xué)習(xí)需要得不到滿足。教師安排的預(yù)習(xí)、查閱資料等任務(wù)，對學(xué)生而言沒有動力，不被學(xué)生所重視。學(xué)生既不用投入大量的智力，也不用查閱資料，完全將學(xué)習(xí)變?yōu)椤爸恍枰冻鲇邢拗橇Φ捏w力勞動”，而沒有激發(fā)出學(xué)生的“學(xué)習(xí)需要”。

圖2 研究性學(xué)習(xí)的需要驅(qū)動階段圖

“學(xué)習(xí)需要”即求知欲，是人類最基本的需要之一。[4]馬斯洛的需要層次理論認為，人的需要是分層次的，低級需要獲得滿足后，高一級需要才會出現(xiàn)。[5]在實驗數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式下，學(xué)生在完成自己的實驗測試任務(wù)后，教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程都還沒有結(jié)束，研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容才剛剛拉開序幕：為了滿足學(xué)生的“學(xué)習(xí)需要”，實驗指導(dǎo)教師會將學(xué)習(xí)過程分為圖2所示的兩個主要階段，即正確性需求下心理滿足研究性學(xué)習(xí)與未知問題解決需要的研究性學(xué)習(xí)階段。首先，學(xué)生都有知道其結(jié)果正確性的需求，為了滿足學(xué)生的需求，教師鼓勵學(xué)生進行文獻資料查閱，對比了解實驗數(shù)據(jù)的正確性。如果正確，學(xué)生心理獲得滿足；如果不正確，學(xué)生從實驗過程的進行、數(shù)據(jù)記錄與處理各個環(huán)節(jié)尋找問題的原因，最后問題獲得解答，學(xué)習(xí)心理獲得滿足，研究性學(xué)習(xí)能力提升。在數(shù)據(jù)正確性需求的層次得到滿足后，學(xué)生對材料性能研究的更深層次需要才顯現(xiàn)出來，學(xué)生會思考材料為什么會具備這樣的特征?例如，針對“為什么實驗材料的延伸率在拉伸變形速率為100mm/min和50mm/min時變小”的問題，教師可以指出判斷材料延性的另一指標是斷面收縮率，引導(dǎo)學(xué)生測量并收集各拉伸變形速率下所有試樣的斷面收縮率，以便進一步證明其是由材料本身的性能引起的，還是由材料中的夾雜物引起的？如果斷面收縮率能夠證明材料的延性變化，那么學(xué)生就會形成該材料在上述兩種變形速率下延性降低的認知結(jié)果。如果斷面收縮率不能佐證材料的延性變化，那么學(xué)生就要進一步思考查找材料內(nèi)部存在的問題。對于這些問題的逐步解決，使學(xué)生不斷陷入需要升級的狀態(tài)，將學(xué)習(xí)引入更深層次，讓其進入真正的研究性學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)心理會獲得極大滿足。整個實驗過程完成后，學(xué)生和教師都會發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式不僅解決了大型實驗設(shè)備不足的問題，保證了實驗教學(xué)的質(zhì)量，又培養(yǎng)和提高了學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié) 語

本文針對普通高校中普遍存在的大型實驗設(shè)備不足的問題，以材料力學(xué)性能實驗教學(xué)為例，通過實施各小組實驗數(shù)據(jù)“共享”模式下的研究性教學(xué)方法，改革了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，在實驗中學(xué)生經(jīng)歷了獲取信息、篩選信息、研究信息的實驗數(shù)據(jù)“共享”過程，將獲取到的信息與理論知識進行關(guān)聯(lián)，并通過一系列的思維加工，最終獲得了對材料力學(xué)性能的綜合認識。該實驗教學(xué)模式注重學(xué)習(xí)的自主性、探究性和綜合實踐性，[6]為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了“研究性”學(xué)習(xí)氛圍，從學(xué)習(xí)需求的逐層滿足出發(fā)，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的根本性改變，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，提高了實驗課程的教學(xué)效果。在實驗數(shù)據(jù)“共享”模式下學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)過程中，教師做為實踐過程的主導(dǎo)者，組織和管控了教學(xué)過程。而學(xué)生做為參與主體，通過智力投入和創(chuàng)造性的實踐經(jīng)驗活動，理解并內(nèi)化了知識，提升了研究性學(xué)習(xí)能力。[7]這種實驗數(shù)據(jù)“共享”模式的實驗教學(xué)方式，不但有效解決了一些高校大型實驗設(shè)備不足的問題，同時又培養(yǎng)和提高了學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，具有一定的現(xiàn)實意義。