基于CTCL 的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式與實踐

王睿垠，馮放，金長江

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

大學(xué)物理實驗是面向高等院校本科生開設(shè)的實踐類基礎(chǔ)課，它既是科學(xué)知識的載體，又是技術(shù)與方法的載體[1].該課程對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)實驗?zāi)芰皠?chuàng)新意識起著其他課程不可替代的作用[2-3].經(jīng)過多年的教學(xué)實踐以及農(nóng)業(yè)院校之間的同行交流后發(fā)現(xiàn)，實驗教學(xué)內(nèi)容存在的問題有：（1）忽略與理論課內(nèi)容間的支撐關(guān)系，二者各自封閉；（2）課程體系同質(zhì)化，脫離專業(yè)需求；（3）缺少序列化設(shè)計，不利于進(jìn)階式能力培養(yǎng).教學(xué)過程存在的問題有：（1）教學(xué)多采用講授法，學(xué)生被動地接受與重復(fù)，制約了自主學(xué)習(xí)能力發(fā)展，弱化了學(xué)生對知識的理解和思考，拓展思維能力缺失；（2）線上資源與課堂教學(xué)缺乏一體化的教學(xué)設(shè)計；（3）缺少學(xué)習(xí)過程反饋數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)狀態(tài)無法可視化，不利于教師有效監(jiān)管和評價.

本文從專業(yè)設(shè)置和教學(xué)條件出發(fā)，依托在線課程平臺、智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)等信息化手段，結(jié)合CTCL 教育技術(shù)范式，開展以學(xué)生學(xué)習(xí)、發(fā)展、學(xué)習(xí)效果為中心的教學(xué)改革[4].經(jīng)過物理實驗教學(xué)實踐，該教學(xué)改革方案取得了較好的教學(xué)效果.

1 CTCL 范式下大學(xué)物理實驗內(nèi)容的統(tǒng)合

CTCL 是一個由文化（Culture）、技術(shù)（Technology）、學(xué)習(xí)內(nèi)容（Content）和學(xué)習(xí)者（Learner）四要素構(gòu)成的學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)，其核心目標(biāo)是提升學(xué)習(xí)品質(zhì)、促進(jìn)學(xué)習(xí)者的發(fā)展[5].學(xué)生處在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)的中心，通過內(nèi)容的學(xué)習(xí)，達(dá)到提升解決問題的能力，形成學(xué)科思維，適應(yīng)社會轉(zhuǎn)型.因此，在實驗內(nèi)容上以CTCL目標(biāo)為導(dǎo)向，將實驗內(nèi)容與理論課程、學(xué)科思維和實驗?zāi)芰ο嘟y(tǒng)合，進(jìn)而實現(xiàn)學(xué)生在知識、能力、素質(zhì)上的全面提升.

1.1 實驗內(nèi)容與理論課程的相互促進(jìn)

大學(xué)物理與大學(xué)物理實驗是相互支撐和促進(jìn)的2門課程，實際教學(xué)中很多學(xué)生將其視為獨立的2 門課程.造成這種現(xiàn)象的原因是“重課堂教學(xué)、輕實驗教學(xué)”的思想依然存在.物理實驗課程學(xué)分低、課時少，使得實驗課往往被視為理論課的附屬品[6]；另外，理論課進(jìn)度與實驗內(nèi)容的不同步，大大弱化了2 門課程的促進(jìn)作用，影響了教學(xué)質(zhì)量[7].

針對這些情況，理論課教師要盡可能地融入實驗內(nèi)容，積極引導(dǎo)學(xué)生從“坐中學(xué)”轉(zhuǎn)變到“做中學(xué)”，理論課程與實驗課內(nèi)容彼此呼應(yīng)，才能真正實現(xiàn)理論與實踐的共振.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)開設(shè)的大學(xué)物理實驗內(nèi)容包含剛體力學(xué)、流體力學(xué)、液體表面現(xiàn)象、熱力學(xué)、靜電場、振動與波動以及波動光學(xué)等.以剛體力學(xué)的轉(zhuǎn)動慣量概念為例，對大部分學(xué)生來說轉(zhuǎn)動慣量這一概念是晦澀難懂的，如果理論課的講解融入測定剛體轉(zhuǎn)動慣量這一實驗，將有效化解學(xué)生對抽象的數(shù)學(xué)定義式的理解難度.這種融入既有利于理論概念的轉(zhuǎn)變和認(rèn)知能力的發(fā)展，又為實驗的順利開展做好知識上的準(zhǔn)備，為學(xué)生預(yù)習(xí)掃清了知識障礙.另外，理論課堂還能預(yù)留給實驗課堂一些帶有研究性、挑戰(zhàn)性的問題，引發(fā)學(xué)生的探索興趣，將已有實驗內(nèi)容縱向深挖、橫向拓展，并在實驗中驗證、創(chuàng)新與實踐.例如：理論課堂完成等厚干涉——牛頓環(huán)半徑推導(dǎo)后，預(yù)留將空氣膜換成液膜后的折射率、溶液濃度的推導(dǎo)等有挑戰(zhàn)度的問題，留待學(xué)生對“牛頓環(huán)測透鏡半徑”這一實驗進(jìn)行拓展，繼而完成理論推導(dǎo)的實驗驗證.理論課程與實驗內(nèi)容的相互支撐與促進(jìn)，既實現(xiàn)了知識、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，又有助于學(xué)生從驗證性實驗到綜合設(shè)計性實驗的能力提升，其綜合分析能力、創(chuàng)新能力得到提高，理論教學(xué)與實驗教學(xué)相得益彰[8].

1.2 實驗內(nèi)容與學(xué)科思維的相互融合

新世紀(jì)的課程設(shè)置理念強(qiáng)調(diào)以社會發(fā)展需要為導(dǎo)向，培養(yǎng)專業(yè)人才；課程結(jié)構(gòu)方面突出各維度課程類型之間的平衡，重視基礎(chǔ)課、專業(yè)課、實踐課在比例、內(nèi)容等方面的支撐與融合.農(nóng)科院校沿用的實驗教材驗證性實驗過多，綜合性、設(shè)計性以及與專業(yè)交叉的內(nèi)容過少，不利于提升專業(yè)核心素養(yǎng).因此，在實驗內(nèi)容和實驗方法選擇等環(huán)節(jié)，調(diào)整原有的課程內(nèi)容，并根據(jù)學(xué)校專業(yè)特點增加學(xué)科應(yīng)用內(nèi)容，從而為基本專業(yè)素質(zhì)的養(yǎng)成助力.在了解專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及相關(guān)專業(yè)課后，對物理實驗課程內(nèi)容做出調(diào)整與改革.在內(nèi)容分類方面，既注重農(nóng)科與工科的大類劃分，也要兼顧細(xì)分學(xué)科.以水利學(xué)院和電氣與信息學(xué)院開設(shè)的工科大學(xué)物理實驗課程為例，在總學(xué)時相同的情況下，考慮到專業(yè)技能和學(xué)科思維的養(yǎng)成，對具體實驗內(nèi)容和實驗方法均做相應(yīng)調(diào)整.針對農(nóng)業(yè)水利工程、水文與水資源專業(yè)，除已有的測液體粘滯系數(shù)外，新增了雷諾數(shù)的測定與流型觀察等流體力學(xué)類實驗，相應(yīng)減少電學(xué)實驗；對于電氣與信息學(xué)院，除示波器的使用外，增加聲速的測量、測磁場、噪聲的檢測與分析等實驗，減少流體力學(xué)與剛體力學(xué)實驗.土壤水的保持和運(yùn)動與水的物理性直接相關(guān)，因此測定液體表面張力系數(shù)時，工科專業(yè)的學(xué)生選擇拉脫法，而農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)生則采用最大泡壓法，針對不同專業(yè)的學(xué)生選擇不同的實驗方法，有助于學(xué)生理解土壤學(xué)中的附加壓強(qiáng)、浸潤現(xiàn)象、毛細(xì)現(xiàn)象等內(nèi)容.因此，大學(xué)物理實驗作為一門實踐型基礎(chǔ)課，無論是在實驗內(nèi)容還是實驗方法上，都要兼顧學(xué)科思維的建立與養(yǎng)成.

1.3 實驗內(nèi)容的序列化設(shè)計

大學(xué)物理實驗一般分基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、研究性實驗3 個層次.基礎(chǔ)性實驗主要培養(yǎng)學(xué)生的基本動手能力、儀器的基本使用方法和撰寫規(guī)范的實驗報告.綜合性實驗由多項實驗任務(wù)組成，目的是培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力以及應(yīng)用多學(xué)科知識解決實驗問題的能力.作為有挑戰(zhàn)度的研究性實驗，是指學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、合理設(shè)計實驗方法、恰當(dāng)選用器材、完成數(shù)據(jù)處理以及分析改進(jìn)方案等.研究性實驗?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生勇于探索的科研精神和創(chuàng)造性思維，有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力和溝通能力.完成綜合性實驗和研究性實驗的綜合能力和高級思維不是一蹴而就的，需要通過實驗內(nèi)容的訓(xùn)練逐步提升.在實驗教學(xué)中，將前后關(guān)聯(lián)的幾個內(nèi)容按照由淺入深、循序漸進(jìn)的原則構(gòu)成一個由簡到繁的系列，即將實驗內(nèi)容重組并序列化，有助于實現(xiàn)進(jìn)階式的能力提升.例如：惠斯通電橋測電阻→電勢差計的原理及電動勢的測定→集成電路溫度傳感器的特性測量及應(yīng)用→電橋法制作熱敏電阻溫度計這一序列.實驗項目按進(jìn)階序列進(jìn)行，注重實驗思想的提煉和實驗關(guān)聯(lián)[9]，逐步拓展方法中電橋法測電阻→補(bǔ)償法測電動勢→溫度與電量的線性轉(zhuǎn)換法→電阻值與溫度的非線性轉(zhuǎn)換法.通過該序列，學(xué)生由淺入深地理解電學(xué)元件和電橋相關(guān)知識，完成從低階到高階的能力過渡，最終實現(xiàn)基本技能訓(xùn)練與研究探索的統(tǒng)一.

2 CTCL范式下教學(xué)過程的優(yōu)化

CTCL 范式是站位于學(xué)習(xí)角度的，強(qiáng)調(diào)技術(shù)的運(yùn)用要與學(xué)習(xí)者的狀況以及學(xué)習(xí)內(nèi)容相適應(yīng)，使彼此間達(dá)到最好的融合狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到改變學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方式、提升學(xué)業(yè)水平、改善學(xué)習(xí)者的綜合素質(zhì)的三重境界.目前，基于CTCL 的學(xué)習(xí)活動設(shè)計已在教育領(lǐng)域獲得很好的教學(xué)效果[10].因此，以CTCL 范式為導(dǎo)向，利用現(xiàn)代教育技術(shù)對課前預(yù)習(xí)、課堂指導(dǎo)以及課后分享3個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、效果和效能.CTCL 范式與物理實驗改革對照見圖1.

圖1 CTCL 范式與物理實驗改革對照

2.1 預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)模式非常單一，學(xué)生閱讀教材后撰寫報告即可.這種預(yù)習(xí)模式引發(fā)的弊端有：（1）單一的預(yù)習(xí)資料導(dǎo)致抄書現(xiàn)象嚴(yán)重；（2）知識準(zhǔn)備不足時，預(yù)習(xí)難度大，影響實驗完成質(zhì)量；（3）無法監(jiān)督與考核預(yù)習(xí)效果，學(xué)生存在僥幸心理，久而久之失去了學(xué)習(xí)的主動性和積極性.現(xiàn)代教育技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用將有效解決這些弊端.首先，針對每個實驗題目錄制了模塊化的教學(xué)視頻，完成了大學(xué)物理實驗的MOOC制作.視頻分演播室原理講解和實驗室操作2部分.實驗原理講解多由生活案例或前沿應(yīng)用導(dǎo)入，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，原理講解多采用動態(tài)圖片及動畫演示呈現(xiàn)，高效地解決了學(xué)生知識準(zhǔn)備不足問題.操作視頻對儀器構(gòu)造、實驗現(xiàn)象、表盤讀數(shù)、操作方法與流程、注意事項等均有詳細(xì)介紹和特寫.學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)系統(tǒng)平臺的MOOC資源，生動豐富的影像資料和實拍特寫使預(yù)習(xí)效果得到極大提升.物理實驗中心已完成大學(xué)物理實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)共享平臺的創(chuàng)建，推出了微信公眾號——東北農(nóng)大物理，可實現(xiàn)物理實驗項目查詢和介紹、在線測評、課程答疑等功能.此外，還制作了以本校真實題目拉脫法測液體的表面張力系數(shù)、空氣的比熱容比、衍射光柵測鈉光波長等為原型的虛擬仿真操作軟件.通過鼠標(biāo)的點擊與拖拽等操作，營造輔助或者部分替代傳統(tǒng)實驗硬件操作環(huán)節(jié).虛擬仿真排除了實驗中的干擾因素，學(xué)生在調(diào)節(jié)中可實時觀察各種參量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及操作動作的變化，模擬真實的實驗過程.學(xué)生通過虛擬操作，建立對儀器結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理、讀數(shù)方法的直觀認(rèn)識[11].在“互聯(lián)網(wǎng)+”與“智能+”大背景下，在線課程平臺、智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)、人機(jī)交互環(huán)境、虛擬仿真等為學(xué)生創(chuàng)造了時時能學(xué)、處處可學(xué)、人人皆學(xué)的條件和環(huán)境，實現(xiàn)了個性化的學(xué)習(xí).

2.2 課堂環(huán)節(jié)

為檢測預(yù)習(xí)效果，將全班分成3 個討論小組（每組約10 人），課前將3 個問題分給各小組.討論題目因?qū)嶒瀮?nèi)容而異，一般為應(yīng)用（不能與MOOC 視頻重復(fù)）、原理及拓展（基本原理、衍生原理等）、流程及細(xì)節(jié)等.考慮到農(nóng)業(yè)院校物理實驗學(xué)時情況，檢測時將根據(jù)授課班級的專業(yè)對重點實驗題目進(jìn)行考查，如工程學(xué)院重點考查力學(xué)類實驗.教師利用10～15 min 開展組間討論.討論時每組隨機(jī)選出2 人，通過學(xué)生的展示（發(fā)言或提前準(zhǔn)備的PPT）及對學(xué)生的提問，檢測學(xué)生預(yù)習(xí)程度，其它2 組學(xué)生和教師為發(fā)言的2人打分.打分的基本標(biāo)準(zhǔn)有：（1）實驗原理闡述是否正確；（2）實驗裝置的功能及使用方法解說是否正確；（3）操作流程、實驗結(jié)果的讀取，注意事項等是否正確.為提高學(xué)生的參與度，小組打分取2 人中的最低分，教師打分取2 人的平均分.討論結(jié)束后，教師進(jìn)行提煉和總結(jié)，對預(yù)習(xí)測試中錯誤率高、討論區(qū)有爭議的問題要給出清晰解釋.這種問題引導(dǎo)下的小組討論模式，有利于學(xué)生進(jìn)行探究式與個性化學(xué)習(xí)，相對輕松自由的學(xué)習(xí)氛圍大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，“樂學(xué)”的學(xué)習(xí)心理有利于對知識的深入理解和同化吸收.提出實驗具體要求后，還要讓學(xué)生帶著問題去完成實驗，如落球法測液體黏滯系數(shù)時如何去除非勻速下落過程，如何讓鋼球沿量筒軸線下落，如何計時更精確等問題，用實驗中遇到的問題來激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性[12].

指導(dǎo)實驗時，針對學(xué)生的認(rèn)知差異開展個性化教學(xué).學(xué)生提問時，先是通過組間同學(xué)的交流、探討來解決，有爭議時，教師予以演示或明確說明.生生間以及師生間的互動不僅提高了課堂的生動性，而且使學(xué)生獲得多角度的想法和更多解決問題的方式，進(jìn)而拓寬學(xué)生的思維.課堂環(huán)節(jié)非常符合CTCL 范式倡導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)+協(xié)作學(xué)習(xí)模式，即學(xué)生先通過自主學(xué)習(xí)進(jìn)行知識的自我構(gòu)建，嘗試用新的認(rèn)知來解決問題，并在問題解決過程中發(fā)現(xiàn)困難，這一困難最終在教師的指導(dǎo)以及同學(xué)的協(xié)作努力下得以解決.

2.3 分享環(huán)節(jié)

在網(wǎng)絡(luò)平臺討論區(qū)，學(xué)生提出遇到的困難和障礙，分享實驗心得和技巧，通過師生間以及生生間的在線互動交流，既提高了學(xué)生的參與度，又提高了學(xué)生的溝通能力和表達(dá)能力[6]22.此外，教師也在評論區(qū)提出優(yōu)質(zhì)討論題目，吸引學(xué)生展開互動討論，教師對討論要做出提煉和總結(jié)，針對參與討論的學(xué)生，可給出評價和激勵（體現(xiàn)在平時分）.

3 考評方式精準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化

CTCL 范式十分注重學(xué)習(xí)分析技術(shù)，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行可視化分析與診斷，注重學(xué)習(xí)過程的評價和學(xué)習(xí)者特點的差異性評價，因此最終的實驗成績由預(yù)習(xí)測評、討論區(qū)發(fā)言、課堂展示、實際操作、互評報告等過程性數(shù)據(jù)構(gòu)成：（1）MOOC 預(yù)習(xí)平臺的在線測試成績，占總成績的10%；（2）課上小組討論成績，取其他2 個討論小組的打分（取最低分）和教師打分的平均值，占總成績的30%；（3）教師對學(xué)生操作能力、解決問題的能力、完成質(zhì)量等打分，占總成績的40%；（4）學(xué)生將實驗報告上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺討論區(qū)，采用生生互評的方式，隨機(jī)抽取3 名同學(xué)為其打分（取3 個分?jǐn)?shù)的平均值），占總成績的20%.這種全景式的評價方式既能更好地激勵學(xué)生，又能促進(jìn)課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)和迭代更新.

綜上所述，以CTCL 教育范式為導(dǎo)向，對大學(xué)物理進(jìn)行了以學(xué)生學(xué)習(xí)及學(xué)生發(fā)展為中心的內(nèi)容建設(shè)和以學(xué)習(xí)效果為中心的教學(xué)改革，實現(xiàn)了知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造的統(tǒng)一.經(jīng)過一學(xué)期的實踐與應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果.互動式、智能化、開放性、多樣性的智慧教學(xué)方式，延伸了學(xué)生知識的廣度、認(rèn)知的深度，激發(fā)出學(xué)生更多的活力和更高的效率，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作能力、綜合能力和創(chuàng)新意識，真正實現(xiàn)了從“坐中學(xué)”到“做中學(xué)”的蛻變.