物理實(shí)驗(yàn)類通識(shí)課程教學(xué)模式的探索與實(shí)踐——以“探究物理現(xiàn)象”為例

2021-11-03 05:34:42師玉榮

物理實(shí)驗(yàn) 2021年10期

師玉榮，馬君

(中國海洋大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東青島 266100)

在中國海洋大學(xué)“通識(shí)為體，專業(yè)為用”的教學(xué)理念指引下，基于大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)面向全校文理學(xué)生開設(shè)“探究物理現(xiàn)象”通識(shí)課程. 該課程2008年開設(shè)，最初課程名稱為“文科物理演示實(shí)驗(yàn)”和“理科物理演示實(shí)驗(yàn)”，文理分開，后改為偏重文科的“趣味物理演示實(shí)驗(yàn)”，現(xiàn)在是文理兼容的“探究物理現(xiàn)象”，課程名稱的改變體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計(jì)理念的不斷革新，從講授為主到引導(dǎo)探究，再到引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐. 該課程被評(píng)為中國海洋大學(xué)“2015年通識(shí)教育核心課程”，該課程32學(xué)時(shí)，1.5學(xué)分，每學(xué)年開設(shè)1～3個(gè)班，每班限選30人.

通識(shí)教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)途徑[1]，大學(xué)不像基礎(chǔ)教育對(duì)教科書內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而是注重訓(xùn)練學(xué)生的思維. 基于對(duì)通識(shí)教育理念的思考，“探究物理現(xiàn)象”課程的教學(xué)設(shè)計(jì)不但注重通過物理演示實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獲得物理知識(shí)，更注重學(xué)生獲得物理知識(shí)的途徑和思維能力的培養(yǎng). 課堂形式為：約30名學(xué)生分成5個(gè)組，每個(gè)小組的5～6名組員圍坐1張方桌，5個(gè)方桌圍著教師、演示桌和白板，分組學(xué)習(xí)的過程采用小組討論、協(xié)作實(shí)驗(yàn)的方式. 選課的學(xué)生文理均有，物理基礎(chǔ)參差不齊，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)應(yīng)該寬口徑、文理通融. 每個(gè)小組成員文理學(xué)生兼有，這樣小組學(xué)習(xí)活動(dòng)中文理思維可以很好地互補(bǔ). 經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐和不斷探索，該課程逐步形成了強(qiáng)調(diào)探究過程和動(dòng)手能力的“4F引導(dǎo)探究”和“項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)踐中2種教學(xué)過程相互滲透、相互加強(qiáng)，取得了很好的教學(xué)效果.

1 實(shí)踐教學(xué)的條件保障及教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的安排充分考慮到不同教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和物理演示實(shí)驗(yàn)室的條件. 演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是現(xiàn)象明顯、操作簡(jiǎn)單，與大學(xué)物理授課內(nèi)容緊密相關(guān)，缺點(diǎn)是每個(gè)實(shí)驗(yàn)只有1套儀器(物理演示實(shí)驗(yàn)室有120多套演示實(shí)驗(yàn)儀器). 為了創(chuàng)造學(xué)生可以自學(xué)、自主實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，一方面實(shí)驗(yàn)室購置了大量的實(shí)驗(yàn)器材，例如磁鐵、導(dǎo)線、電機(jī)、鐵架臺(tái)、電烙鐵、熱熔膠等，讓每位學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)；另一方面培訓(xùn)學(xué)生充分利用智能手機(jī)和電腦開展實(shí)驗(yàn)[2-3]，例如Phyphox軟件，可以充分利用手機(jī)的各種傳感器進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度、頻譜、加速度等的測(cè)量，也可以提供特定頻率的聲音，F(xiàn)FT Spectrum Analyzer等手機(jī)軟件為開展實(shí)驗(yàn)提供了有力的幫助；手機(jī)的拍攝功能和電腦Tracker等軟件可以處理運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度等.

4F引導(dǎo)探究和項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)過程都屬于建構(gòu)主義學(xué)派的方法，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的實(shí)質(zhì)是真實(shí)的情境中學(xué)生在教師的幫助下自主探索并和其他學(xué)生進(jìn)行廣泛交流，通過解決問題來建構(gòu)知識(shí)體系[4]. 自主建構(gòu)學(xué)習(xí)的時(shí)間不能太短，不完成1個(gè)主題則不能達(dá)到教學(xué)效果，為此該課程教學(xué)安排應(yīng)充分考慮教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn). 例如質(zhì)點(diǎn)力學(xué)，從錐體上滾、逆風(fēng)行舟、各種球的碰撞到轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，這部分內(nèi)容學(xué)生比較熟悉，生活中體驗(yàn)也多. 所以這部分的內(nèi)容以4F引導(dǎo)探究方式為主，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活體驗(yàn)提出探究問題. 而電學(xué)、磁學(xué)、波動(dòng)光學(xué)等教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生日常生活的體驗(yàn)不多，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較細(xì)微，實(shí)驗(yàn)室可以提供實(shí)驗(yàn)材料，因此課堂主要采用項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)學(xué)習(xí)物理知識(shí)的樂趣.

2 4F引導(dǎo)策略用于探究式學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

4F引導(dǎo)法是多層次的提問引導(dǎo)策略，該策略包括：Fact(事實(shí))，F(xiàn)eel(感受)，F(xiàn)ind(發(fā)現(xiàn))，F(xiàn)uture(應(yīng)用). 將該策略融入到教學(xué)設(shè)計(jì)中，可以循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生觀察、感受、詮釋和應(yīng)用，該策略協(xié)助教師引導(dǎo)學(xué)生連接經(jīng)驗(yàn)，融入課堂討論，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力[5]. 選修探究物理現(xiàn)象課程的學(xué)生大多是低年級(jí)的學(xué)生，激烈的高考使學(xué)生普遍缺乏提出問題的能力，而4F策略可以很好地引導(dǎo)學(xué)生層層深入地提出探究問題，自主學(xué)習(xí).

結(jié)合物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和多年物理演示實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，下面以最速降線實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹4F引導(dǎo)策略引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的步驟. 4F引導(dǎo)策略的教學(xué)設(shè)計(jì)過程及教學(xué)目標(biāo)如表1所示.

表1 4F引導(dǎo)策略的教學(xué)設(shè)計(jì)過程及示例

由上面的例子可以看出：4F引導(dǎo)策略能夠引導(dǎo)學(xué)生的思維經(jīng)歷聚合→發(fā)散→聚合→發(fā)散的過程，該過程一方面能保持學(xué)生的注意力，另一方面能引導(dǎo)學(xué)生層層深入發(fā)掘問題，使討論不偏離主題，能夠引導(dǎo)學(xué)生更有效地討論. 特別重要的是由于問題的層層深入，而且有發(fā)散有聚斂，所以小組自主討論學(xué)習(xí)過程中，理科生因物理理論基礎(chǔ)好可以很好地帶領(lǐng)小組尋找問題的答案，文科生因發(fā)散性思維更突出可以發(fā)現(xiàn)更多的問題，文理思維互相補(bǔ)充、互相碰撞，使學(xué)生可以更有效地進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí).

第1周主要對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，教學(xué)過程中教師主要做必要的引導(dǎo)、提示，知識(shí)是學(xué)生自己討論出來的，自己建構(gòu)的. 實(shí)踐表明：小組學(xué)習(xí)采用4F引導(dǎo)策略，能夠讓學(xué)生更有效地進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí).

3 項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力

在中學(xué)階段學(xué)生學(xué)習(xí)物理做了大量的習(xí)題，但是接觸物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)間非常有限，所以學(xué)習(xí)的物理知識(shí)很難與生活體驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來. 進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生敢動(dòng)手、會(huì)動(dòng)手，同時(shí)在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)物理知識(shí).

項(xiàng)目教學(xué)法是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組團(tuán)隊(duì)的形式相對(duì)獨(dú)立地處理項(xiàng)目，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作選題和計(jì)劃提出項(xiàng)目構(gòu)思，然后進(jìn)行實(shí)施、改進(jìn)、完成項(xiàng)目和展示項(xiàng)目等多個(gè)過程，并最終解決實(shí)際問題. Stoller認(rèn)為項(xiàng)目教學(xué)是完全基于成員合作的小組活動(dòng)，以公開演示或表演的形式展示成果，在此過程中，學(xué)生能夠掌握所需的知識(shí)和技能[6]. 學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到提高，組員可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，通過獨(dú)立解決問題的方式能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力[7].

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目任務(wù)分2種：小組小項(xiàng)目任務(wù)和小組大項(xiàng)目任務(wù)，小組小項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施流程如圖1所示.

圖1 小組小項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)流程

以磁學(xué)為例：小項(xiàng)目任務(wù)有4個(gè)題目，分組實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)不同，小組負(fù)責(zé)的題目不同，展示環(huán)節(jié)中大家能夠相互交流、相互學(xué)習(xí).

實(shí)驗(yàn)1：利用自制的扭秤裝置演示鋁(鋁箔球)是順磁質(zhì)，銅(銅球)和水果(蘋果)是抗磁質(zhì).

實(shí)驗(yàn)2：自制2個(gè)50匝線圈，利用直流電源及2個(gè)線圈通反向電流相互排斥演示電流和電流之間的磁相互作用.

實(shí)驗(yàn)3：自制小孔成像實(shí)驗(yàn)裝置，利用其在光屏上顯示磁鐵對(duì)通有交流電的白熾燈燈絲的庫侖力作用.

實(shí)驗(yàn)4：自制居里擺，把小鐵釘做成單擺，用酒精燈加熱小鐵釘使其變?yōu)轫槾刨|(zhì)，磁鐵對(duì)小鐵釘作用的變化使其形成擺動(dòng).

這些小項(xiàng)目任務(wù)利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)材料就顯示出令人驚奇的現(xiàn)象，不管是理科生還是文科生都對(duì)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)興趣盎然. 實(shí)驗(yàn)過程給學(xué)生留下深刻的印象，更重要的是鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力.

大項(xiàng)目任務(wù)是課程大作業(yè)，主要利用課外時(shí)間進(jìn)行，小組協(xié)作自主選題，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，完成項(xiàng)目制作和項(xiàng)目任務(wù)匯報(bào)展示. 教師是協(xié)助者，在每個(gè)環(huán)節(jié)只起到引導(dǎo)作用，學(xué)生是任務(wù)的主體. 該課程的大項(xiàng)目任務(wù)安排為：第1周介紹往屆學(xué)生的大項(xiàng)目任務(wù)作品及新增加的可選項(xiàng)目，第2～6周通過每次課的小項(xiàng)目任務(wù)培訓(xùn)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組大項(xiàng)目任務(wù)的選題，第7周小組決策選題，第8～15周自行安排完成項(xiàng)目任務(wù)，最后1周展示匯報(bào)成果.

大項(xiàng)目任務(wù)應(yīng)該具有可執(zhí)行性、綜合性、層次性，適合不同層次、不同特點(diǎn)的學(xué)生共同完成，每個(gè)學(xué)生可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì). 在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中，雖然小組有分工，但他們可以把任務(wù)拆分開，例如有人負(fù)責(zé)做實(shí)驗(yàn)，有人負(fù)責(zé)查文獻(xiàn)，有人負(fù)責(zé)寫課程論文，有人制作PPT，但是完成任務(wù)的過程需要組員協(xié)作，才能最終完成項(xiàng)目，并把項(xiàng)目展示出來，此過程培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.

大項(xiàng)目任務(wù)的來源：可以是學(xué)生自選題目，也可以是往年學(xué)生做過的項(xiàng)目，或是近幾年的大學(xué)生CUPT題目，例如有的學(xué)生喜歡做輝光球?qū)嶒?yàn)裝置的核心部分特斯拉線圈，有的學(xué)生做過滴水起電機(jī)，有的學(xué)生選擇當(dāng)年的CUPT題目，例如裝滿瓶子、循環(huán)擺、颶風(fēng)球等.

大項(xiàng)目任務(wù)成果包括：論文形式的探究報(bào)告和項(xiàng)目成果展示. 最后1次課進(jìn)行項(xiàng)目成果的展示：每組總用時(shí)20 min，其中展示12 min，評(píng)委(教師與學(xué)生)對(duì)展示內(nèi)容的提問、與展示方的討論和評(píng)價(jià)共8 min. 大項(xiàng)目任務(wù)的成績(jī)包含3部分：探究報(bào)告50分，成果展示的PPT制作和講述30分，成果展示的討論提問環(huán)節(jié)的表現(xiàn)20分.

為了完成項(xiàng)目，小組成員既要分工又要合作，理科生主要承擔(dān)理論和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的任務(wù)，文科生主要承擔(dān)實(shí)施實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提出改進(jìn)意見，制作PPT等，合作過程能夠使文科生和理科生相互學(xué)習(xí)，共同提高.

該教學(xué)法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度. 為了更好地完成項(xiàng)目，學(xué)生必須在課下查閱文獻(xiàn)，自主學(xué)習(xí)所需的知識(shí)；為了完成項(xiàng)目，小組必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并反復(fù)實(shí)驗(yàn). 學(xué)生深刻體會(huì)到：“項(xiàng)目任務(wù)使我真正明白了書本上所學(xué)的知識(shí)是非常理想的情況，而真實(shí)情況下看起來非常簡(jiǎn)單的過程解釋起來非常麻煩.” 實(shí)踐表明項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐意識(shí)和能力，有學(xué)生在總結(jié)中提到：“我們既要紙上談兵又要實(shí)踐檢驗(yàn)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，用到的Fortran和Matlab，也是我第1次用學(xué)到知識(shí)解決實(shí)際問題而非單純做題.” 正如有學(xué)生在總結(jié)中寫到：“項(xiàng)目任務(wù)完成的過程非常曲折，選題過程、實(shí)驗(yàn)方案不斷嘗試和修改過程、數(shù)據(jù)分析過程、撰寫學(xué)術(shù)報(bào)告論文、展示過程，每個(gè)過程都步履艱難.” 當(dāng)然有的小組項(xiàng)目沒有成功，例如有小組做滴水起電機(jī)，實(shí)驗(yàn)總是不能出現(xiàn)預(yù)想的結(jié)果，該小組學(xué)生不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，仍然沒有達(dá)到最終目標(biāo)，不過這個(gè)小組最后的報(bào)告很精彩，失敗原因分析得非常透徹. 因此，無論成功與失敗，小組完成大項(xiàng)目任務(wù)的過程都是非常有效的學(xué)習(xí)過程.

項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)的成果很多被用作教學(xué)的演示儀器，例如學(xué)生自制的特斯拉線圈被用作實(shí)驗(yàn)室的展示作品，獵人打猴實(shí)驗(yàn)裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡等也被用作了實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

4 成績(jī)?cè)u(píng)定

探究物理現(xiàn)象課程的成績(jī)?cè)u(píng)定不僅注重過程參與，也充分考慮了文科生和理科生的差異. 綜合成績(jī)包含3部分：課堂出勤及參與課堂任務(wù)情況占30%，作業(yè)(實(shí)驗(yàn)反思)占30%，測(cè)試成績(jī)占20%，最后的小組大項(xiàng)目任務(wù)占20%.

1)課堂出勤與課堂任務(wù)情況的成績(jī)主要參照課堂記錄(是否缺勤，小組任務(wù)參與度)以及小組長(zhǎng)的總結(jié)和評(píng)分，這部分成績(jī)文科生和理科生差異較小.

2)學(xué)生在BB網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提交作業(yè)(實(shí)驗(yàn)反思)，10次作業(yè)的批閱成績(jī)，提出有創(chuàng)新性觀點(diǎn)的問題并對(duì)問題進(jìn)行深入分析的學(xué)生能夠得到較高的分?jǐn)?shù)，作業(yè)質(zhì)量理科生占優(yōu)勢(shì)，所以成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)通過側(cè)重文科生提出的問題而非對(duì)問題的深入分析來平衡.

3)課程測(cè)試安排在學(xué)期的2/3時(shí)間節(jié)點(diǎn)，測(cè)試題目包含3個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)及其原理分析，3個(gè)開放性的題目測(cè)試學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力和通過實(shí)驗(yàn)提出探究問題的能力，這部分成績(jī)文理學(xué)生差異較小.

4)小組分工合作完成大項(xiàng)目任務(wù)，主要利用學(xué)期后1/3的時(shí)間進(jìn)行，小組成員都能夠發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，因此文科生和理科生的成績(jī)差異不大.

實(shí)踐表明，除了前10%沒有文科生，剩下的文科生和理科生成績(jī)差異較小.

5 實(shí)踐成效及總結(jié)展望

學(xué)生的課程反思報(bào)告和基于學(xué)校課程教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)調(diào)查問卷表明：學(xué)生普遍認(rèn)為該課程的教學(xué)模式提高了學(xué)生的自主發(fā)展、合作參與、創(chuàng)新實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)參與度.

該課程激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，選修過該課程的很多學(xué)生參加了中國海洋大學(xué)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽校內(nèi)選拔賽并獲得了很好的成績(jī)，例如2018級(jí)周虹利同學(xué)參加中國海洋大學(xué)第4屆大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽校內(nèi)選拔賽表現(xiàn)突出，獲校賽一等獎(jiǎng)(第一名)；也有整個(gè)小組相約參加大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽. 該課程的大項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)也被本校其他課程借鑒，例如中國海洋大學(xué)行遠(yuǎn)書院的通識(shí)課“日常物理”的課程論文環(huán)節(jié)，很多論文課題借鑒了本課程的項(xiàng)目題目，提高了教學(xué)效果. 該課程的教學(xué)模式也得到了國際同行的認(rèn)可，2017年秋季學(xué)期，牛小宇同學(xué)所在小組的項(xiàng)目任務(wù)是關(guān)于韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)的研究工作，他們將作業(yè)整理成會(huì)議報(bào)告投到了美國物理教師年會(huì)，收到了會(huì)議主辦方的邀請(qǐng)，參加會(huì)議并做報(bào)告，報(bào)告題目是Electrified efficiency analysis of Wimshurst machine(韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)高效性分析)，該學(xué)生在會(huì)議期間交流了本課程的開展思路及運(yùn)作方式，參會(huì)代表對(duì)于該課程創(chuàng)新實(shí)踐教育的工作成果給予肯定和贊揚(yáng).

教學(xué)相長(zhǎng)，4F引導(dǎo)探究和項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式使得課堂中師生互動(dòng)和生生互動(dòng)非常充分，比傳統(tǒng)的教師主講的教學(xué)方式更能激發(fā)出學(xué)生對(duì)創(chuàng)新性問題的思考，Matlab編程研究的最速降線[8]和錐體上滾的動(dòng)力學(xué)分析[9]就是為解決學(xué)生提出的問題所做的工作，強(qiáng)調(diào)探究和實(shí)踐的教學(xué)方式也提高了教師的教學(xué)水平.