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大學(xué)物理實驗教學(xué)體系探究的論文
物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、能力的培養(yǎng)中發(fā)揮著非常重要的作用。大學(xué)物理實驗反映了理工科中實驗思想、實驗方法以及基本原理與實踐工程相聯(lián)系的普遍性問題，在人才培養(yǎng)中有不可替代的地位。同時，大學(xué)物理實驗作為大學(xué)生必修的第一門科學(xué)實驗課程，能夠讓學(xué)生受到嚴(yán)格系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，更重要的是在實驗過程中，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際、用現(xiàn)有知識分析和解決實際問題的能力，以此來培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神。
1背景和現(xiàn)狀
教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會頒布的《理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》中明確提出了在實驗課程中學(xué)生能力主要包括四種能力的培養(yǎng)要求：獨立實驗的能力、分析與研究的能力、理論聯(lián)系實際的能力以及創(chuàng)新能力。所以，大學(xué)物理實驗課程不能成為學(xué)生僅動手就能機械完成的手工課，而應(yīng)在實驗中，充分調(diào)動學(xué)生的大腦，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，建立實驗思維。長期以來，各高校大學(xué)物理實驗課程不斷進(jìn)行了各種教學(xué)改革的嘗試，諸如MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)、分層次教學(xué)等，都取得了顯著的成效。但是，大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)中還存在著很多短期內(nèi)難以解決的問題。首先，教學(xué)理念陳舊。教師往往局限于傳統(tǒng)的教師主體，在實驗課上，講得多，講得細(xì)；他們認(rèn)為只有教師講到的內(nèi)容，學(xué)生才能在實驗中注意到，學(xué)生才能掌握，而沒有注重課堂效率。
同時，實驗課程的教學(xué)模式單一，教師單向輸出。傳統(tǒng)課堂中，僅突出了教師的中心地位，忽略了學(xué)生的主觀能動性，壓抑了學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的發(fā)展；這就出現(xiàn)了實驗課上教師講得多，學(xué)生動得少。其次，實驗內(nèi)容單調(diào)。由于各高校實驗設(shè)備有限，實驗項目相對比較單一，多為驗證性實驗，缺乏創(chuàng)新性實驗項目和前沿方向的實驗項目，實驗項目與理論課程脫節(jié)嚴(yán)重；實驗教材編寫的內(nèi)容過于細(xì)致，僅局限于一個實驗上，缺乏實驗間、學(xué)科之間的聯(lián)系。最后，學(xué)生主動性差。教師往往低估學(xué)生的能力，唯恐學(xué)生不能完成實驗，教師講解得過細(xì)，甚至于手把手地講授實驗操作，而忽視了學(xué)生獨立思考及動腦分析研究的重要性，沒有充分調(diào)動學(xué)生的積極性。
2教學(xué)理念的改變
實驗課程不同于理論課程，實驗課程更多的是動腦動手，熟悉基本的儀器操作和實驗方法。學(xué)生只有在真正地動腦理解實驗原理、實驗方法后，才能指導(dǎo)自己動手。這就需要我們在實驗課堂上轉(zhuǎn)變教學(xué)理念。（1）突出強化學(xué)生主體地位，是學(xué)生做實驗，而不是教師講實驗。充分利用翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢，將學(xué)習(xí)資源提供給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)各自的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排自己的學(xué)習(xí)。特別是在實驗課上，學(xué)生可以根據(jù)自己實驗進(jìn)程，多次重復(fù)查閱各種學(xué)習(xí)資源以達(dá)到獨立實驗的目的。
�。�2）學(xué)生是課堂的主人，將課堂時間還給學(xué)生。教師應(yīng)該根據(jù)不同學(xué)生的特點建立學(xué)生的期望值。對于大多數(shù)學(xué)生來說，他們完全能夠通過自己的學(xué)習(xí)完成實驗內(nèi)容，所以，教師應(yīng)當(dāng)放手學(xué)生獨立完成實驗。教師把原來的講課轉(zhuǎn)變?yōu)榕c學(xué)生一對一的交流指導(dǎo)，同時通過實驗室內(nèi)的巡視，激發(fā)并監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)，保持學(xué)生持續(xù)參與在實驗課堂中。利用鼓勵性的語言，激發(fā)學(xué)生的自我效能感，由學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，在“做中學(xué)”，建構(gòu)物理實驗的基本實驗方法。
3教學(xué)體系
�。�1）實驗項目的規(guī)劃重整。為了增強學(xué)生的有效性學(xué)習(xí)，首先，我們對實驗項目進(jìn)行了整合，根據(jù)實驗內(nèi)容或?qū)嶒炘淼葘⒛硞�關(guān)鍵因素相同或相似的項目整合在一起，在一次實驗課上完成。比如邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)與使用、干涉法測量線脹系數(shù)兩個實驗整合在一起，學(xué)生在掌握邁克爾遜干涉儀的使用后，就能將實驗原理或操作方法快速遷移到線脹系數(shù)的測量上來，相對降低了第二個實驗的難度，提高了學(xué)習(xí)的效率，達(dá)到了有效學(xué)習(xí)的目的。類似的整合項目還有：二蹤示波器的使用和光纖通訊實驗；動態(tài)法和靜態(tài)法測楊氏模量等。其次，根據(jù)實驗內(nèi)容的改變，我們重新編寫了一套集視頻微課、仿真動畫的多維度立體化教材。最后，為了適應(yīng)實驗項目整合學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，我們將單次實驗上課的時間由每次3學(xué)時增加為每次5學(xué)時，給學(xué)生充分的時間去動手動腦進(jìn)行實驗，培養(yǎng)實驗分析、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。
�。�2）信息化資源的建設(shè)。傳統(tǒng)實驗課程的教學(xué)中，學(xué)生要對教材進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，但是書本上的文字、圖片對于形象具體的實驗內(nèi)容來說非�？菰�，很多學(xué)生為了完成預(yù)習(xí)任務(wù)機械性地抄寫教材，由于看不到實際的實驗儀器和實驗現(xiàn)象，預(yù)習(xí)的效果也就非常差了。隨著信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，幾乎每個學(xué)生都有智能手機，這也就為實驗課程的信息化、網(wǎng)絡(luò)化提供了發(fā)揮的空間。并且視頻、圖片或仿真軟件等多媒體信息化素材相對于文字素材來說，能夠給學(xué)習(xí)者提供更高的學(xué)習(xí)效率。為了更好地完成實踐類課程的預(yù)習(xí)，我們需要將實驗課程中所需要的所有內(nèi)容進(jìn)行信息化建設(shè)，包括視頻、仿真軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和實驗教材等。然后，我們將這些多媒體信息化素材通過二維碼與教材、實驗室進(jìn)行有機的結(jié)合，學(xué)生在閱讀教材、實驗操作等過程中，如果碰到問題，就可以掃描對應(yīng)該處的二維碼，直接鏈接到我們服務(wù)器上的多媒體信息素材，觀看教師的講解視頻、操作仿真軟件來進(jìn)行釋疑解惑。這樣做的目的，就是為了降低學(xué)生的使用障礙，與我們的教學(xué)結(jié)合起來，真正地發(fā)揮了信息化的優(yōu)勢。
（3）實驗室環(huán)境的重新布局。為了提高實驗儀器的使用率，提高學(xué)生的有效學(xué)習(xí)，建立豐富的實驗室文化，我們對傳統(tǒng)實驗課堂進(jìn)行了大的改變，將只有1~2個實驗項目的傳統(tǒng)實驗室改造成為具有10~12個實驗項目的“實驗超市”。并且，“實驗超市”內(nèi)提供無線網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生可以在實驗室內(nèi)看到該學(xué)期內(nèi)所有用到的實驗儀器，學(xué)生可以在第一次實驗課上可以根據(jù)興趣、專業(yè)特點等自主選擇8~10個實驗項目，滿足各類學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。同時，在實驗過程中，學(xué)生可以建立起各實驗項目之間的關(guān)聯(lián)，觸類旁通，充分地理解實驗內(nèi)容。
4教學(xué)實踐
4.1課前預(yù)習(xí)。
為了保證學(xué)生能夠獨立完成實驗，培養(yǎng)獨立實驗?zāi)芰�，使學(xué)生成為課堂的主人，我們將幾乎所有的課堂時間還給學(xué)生，課堂上教師不再進(jìn)行集中授課，只進(jìn)行單獨指導(dǎo)交流。這樣就對學(xué)生的課前預(yù)習(xí)提出了更高的要求，學(xué)生要在課前完成教師指定的預(yù)習(xí)任務(wù)。預(yù)習(xí)任務(wù)主要由紙質(zhì)預(yù)習(xí)報告、網(wǎng)絡(luò)在線課堂兩部分組成。學(xué)生需要在課前觀看網(wǎng)絡(luò)微課視頻、回答網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)測試題、完成紙質(zhì)預(yù)習(xí)報告，在實驗室內(nèi)教師要對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況進(jìn)行檢查。
4.2翻轉(zhuǎn)實驗課堂。
學(xué)生根據(jù)教師安排組合2~3人組成一個學(xué)習(xí)共同體，在實驗課中圍繞實驗內(nèi)容進(jìn)行同步學(xué)習(xí)。教師在實驗課上鼓勵學(xué)生積極討論，學(xué)生可以在共同體內(nèi)進(jìn)行無障礙的交流溝通，極大地提升了學(xué)生主體的自我效能感，建立了強烈的共同參與感，促進(jìn)了主動性的有效學(xué)習(xí)。
�。�1）課內(nèi)預(yù)習(xí)。在實驗課前10%的時間里，我們要求學(xué)生進(jìn)行二次預(yù)習(xí)，對照實物將實驗原理、內(nèi)容等進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以根據(jù)自己預(yù)習(xí)的情況，將不懂的問題進(jìn)行生生或師生的討論。同時，教師進(jìn)行根據(jù)討論的情況對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況進(jìn)行檢查，適時地提出一些小問題，根據(jù)學(xué)生回答討論的情況進(jìn)行預(yù)習(xí)的評價。這樣，學(xué)生就可以根據(jù)預(yù)習(xí)和討論對實驗有了整體的把握，逐步把頭腦中理論化的物理原理與現(xiàn)實中的實驗儀器、內(nèi)容進(jìn)行聯(lián)系，從而培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力。
�。�2）互助交流。學(xué)生在完成實驗的準(zhǔn)備后，獨立完成實驗，對于簡單的問題，教師不再進(jìn)行回答指導(dǎo)，而是鼓勵組內(nèi)、組外學(xué)生的互助討論，通過分析研究討論出解決問題的辦法。這時，有的學(xué)生則喜歡自己解決問題，他們會翻出教材或者打開視頻，重復(fù)觀看，尋找問題的關(guān)鍵。有的學(xué)生則喜歡討論，聽取他人的分析或者經(jīng)驗，快速找到辦法。有的學(xué)生則喜歡延伸思考，找出背后的原理，與教師進(jìn)行討論，從根本上理解原理，再來解決問題。事實證明，不管通過什么方式，絕大多數(shù)學(xué)生都能找到答案，雖然比較耗費時間，但是學(xué)生學(xué)習(xí)的效果卻比教師的直接講授好很多。通過對實驗的操作學(xué)生對基本實驗方法有了不斷的了解、積累和熟練，使得學(xué)生逐步形成了借助獨立思考以及科學(xué)方法獲得知識的心理暗示，學(xué)生就能以更快捷高效的方法進(jìn)行實驗，提高自身的能力。通過期末的匿名問卷調(diào)查可以看出，百分之百的學(xué)生都喜歡這種上課方式，他們體會到了努力后收獲成功的喜悅，也建立了自信心，他們認(rèn)為這才是真正的實驗課。
4.3學(xué)習(xí)的過程性評價。
在這種教學(xué)模式下，學(xué)生的評價往往較難。我們采用過程性評價，著眼于學(xué)生能力的培養(yǎng)，而不是實驗內(nèi)容完成的快慢。通過網(wǎng)絡(luò)平臺、課堂預(yù)習(xí)效果、能力展現(xiàn)等幾個方面對學(xué)生進(jìn)行評價。在實際課堂中，我們也發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)課堂中出現(xiàn)的問題。例如，學(xué)生在實驗過程中完成實驗的程度具有較大的差異性。有部分學(xué)生通過課前充分的預(yù)習(xí)，積極動腦思考，能夠充分理解實驗原理，又快又好地完成實驗內(nèi)容。有的學(xué)生對于原理理解不夠，動手能力較差，實驗內(nèi)容進(jìn)行非常緩慢或者根本完不成要求的內(nèi)容。這時，我們嘗試采用了學(xué)生助教這種方法，讓學(xué)有余力的同學(xué)去幫助后進(jìn)同學(xué)。在實踐中發(fā)現(xiàn)，對于助教學(xué)生來說，教師和同學(xué)對他的認(rèn)可，使得他們的自信心得到了極大提高，不用教師的激勵，他們就非常積極地指導(dǎo)幫助其他同學(xué)；對于普通學(xué)生來說，生生之間的交流幫助比師生交流更加順暢，在自我效能的驅(qū)使下，普通學(xué)生也在認(rèn)真積極地思考，努力完成實驗。根據(jù)美國學(xué)者艾德格戴爾提出的學(xué)習(xí)金字塔的理論，學(xué)生的動手實驗、討論，以及學(xué)生助教的教授都達(dá)到了主動學(xué)習(xí)的效果，學(xué)習(xí)內(nèi)容的平均留存率相對于傳統(tǒng)課堂有了極大的提升。對于助教學(xué)生來說，實驗課堂完全是他們發(fā)揮聰明才智的園地。
5結(jié)論
經(jīng)過2年多的教學(xué)試點，這種新形態(tài)的教學(xué)體系得到了校內(nèi)外專家、教師和學(xué)生的認(rèn)可。學(xué)生在該教學(xué)體系中，始終處于主體地位，教師在交流、監(jiān)督中對學(xué)生的學(xué)習(xí)起到了有效的指導(dǎo)作用，學(xué)生各方面的能力也得到了鍛煉。在調(diào)研中，學(xué)生紛紛表示，通過一個學(xué)期的實驗課的學(xué)習(xí)，都有很大的收獲。我們認(rèn)為這種方式克服了傳統(tǒng)實驗課堂的弊端，大大提高了實驗課程的教學(xué)效果，可以在各類實驗實踐類課程中推廣。
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