大學物理探究性教學設計策略及方法

段志剛 彭智敏

（西南林業大學，云南 昆明 650224）

大學物理探究性教學設計策略及方法

段志剛 彭智敏

（西南林業大學，云南 昆明 650224）

為了實現大學物理的教學目標，嘗試使用探究性教學方法，并將探究性教學過程分為5個實施步驟，闡述了各步驟的設計策略及實施方法，并用實例做了相應說明.

大學物理；探究性教學；設計策略；教學實例

1 概述

在當下的大學物理教學中，教育工作者提出了素質教育的目標，希望通過大學物理的教學，培養學生唯物的世界觀、科學的方法論，由此提升創新與實踐能力，并對此進行了研究與論述.但與這個目標相比，大學物理的教學卻依然停留在講授式教學和預設驗證性實驗為主的模式下，這種模式把物理知識習題化、工具化的弊端已廣被詬病，要實現素質教育的目標，必須更新教學理念與方法.為此，本課題組依據探究性教學原則，結合大學物理的教學實際進行了教學試驗.本文闡述了探究性教學的設計策略及實施方法，并以教學實例作了說明.

2 探究性教學設計策略及實例

2.1 探究性學習的設計策略及步驟

探究性教學是指學生在教師指導下，從學習內容中選擇研究課題，參照科學研究的方式學習知識、應用知識、解決問題的學習活動.探究性教學的理論于1961年由美國施瓦布教授提出，美國心理學家加涅進行論證，繼而被倡導和推廣［1］.探究性學習的最大好處就在于整個學習過程是以學生為主體，學習環境是開放性的，能最大程度地調動學生的學習積極性，讓學生能自由地發揮創造力與動手能力.

在教學實踐中，學生以分組的方式安排學習.參考探究性教學的理論，本課題組將探究性學習的教學步驟分為：設計課題、理論及實驗探索、交流討論、改善理論及實驗，總結反饋五個階段.各階段的設計策略及實施方法如下：① 設計課題階段首先就是選題，選擇的課題一般以生活或研究中出現的現象為主.這個現象最好是常見的，有趣的，現有理論可解釋或推導的，用于解釋的理論是教學內容，解答課題中用到的研究思想、科學方法是教學要求講授的內容，同時選取的課題也要兼顧到各學校教學條件，是實驗室可再現或者模擬的現象，盡量不要選取純理論結果為課題，這樣的目標不適用于基礎課的教學.趣味性是一個大原則，這樣能激發學生的好奇心與學習積極性.例如，實例“視覺錯覺”教學的目的是告訴學生客觀數據才是判斷實驗現象的惟一依據，培養學生實事求是的研究作風.同時作為探究性教學的第一課，引導學生掌握研究問題的基本模式及方法.課題選定后要針對題目設計一系列的要求及問題，作用是引導學生的研究思路.例如，“視覺錯覺”的課題如果不設計對錯覺現象進行分類比較的問題，由于視覺錯覺引起原因不同，圖例太多，學生就會陷入無法找出研究方向的混亂中.② 理論及實驗探索階段就是把學習過程模擬成科學研究.學生自主查找分析資料，對現象進行解釋，按給定的題目完成理論解釋，設計實驗方案并進行實驗，在完成引導性題目的過程中，新的想法可附加到課題的計劃中并完成，最終形成報告.這一部分是整個學習過程的核心，探究性教學的意圖都在這個部分實現.資料靠學生自己查找學習，在知識學習基礎上對問題的解答、實驗創新都是學生在研究過程中實現的.比如“孔明燈”課題與之類似的熱氣球理論、實踐都有了，創造點就是能對理論進行合理的類推、整合、簡化.教師的原則就是不干預學生的主動學習過程，只是進行引導，無論學生的創意想法是怎么樣的，教師只提出方向性建議，不干預學生的思路.如果引導得當，就會有較多意想不到的創新，比如在聲波實驗中，有學生查到外國學生利用聲波反射信號探測西瓜的成熟程度，其后學生利用音叉的共振現象，制作了一個能檢測西瓜成熟程度的“西瓜音叉”.這樣有創造性的例子教師也能受到很多啟發，課題中有不少完善和附加的研究問題，都是同學們在學習研究中提出來的.③ 討論階段對于學生來說是一個鍛煉機會，要把一個研究課題從頭至尾表述清楚，而且要突出自己的側重點和思考，還要面對同學來答疑，對于學生的邏輯能力、表述能力、判斷能力都有較大的鍛煉.教師在這個階段主要的作用只是把握討論的節奏，并對某些問題表述自己的見解，但不充當最終裁決者的角色.一般在討論過程中學生會互相啟發，可根據教學進度，再次進行理論與實驗的完善.④ 最后，撰寫的總結報告一般為兩個部分，一部分是與課題知識相關的內容、實驗及拓展，包括查找的資料，理論的解答及設計的實驗及結果，對于類似問題的延伸和應用.另一部分是學生對這個課題研究過程中思想、方法、技巧甚至心情等的認識表述.在完成報告后，最后教師要針對學生學習的知識和方法做一個詳細講解，并點評各小組的完成情況及其中值得借鑒學習的地方［1～3］.

2.2 探究性教學實例

針對探究性教學的原則以及上述提出的教學步驟，給出幾個探究性試驗的實例.

實例一“視覺錯覺”.選題目的：使學生了解探究性學習的基本步驟，通過課題加深對于客觀測量的認識，討論主觀感知與客觀存在的關系.教學內容：（1）通過多媒體給學生展示圖1的兩幅圖片，由學生自由判斷3條曲線曲率是否相同，正方形每條邊是否彎曲，然后用圓規、直尺現場判斷，得出結論：3條曲線斜率一樣，正方形每條線是直的.提問：這是什么現象？為什么？（2）要求學生用一周時間，每小組給出視覺錯覺的定義及涵蓋內容，找出各種解釋的理論依據，并找到盡可能多的視覺錯覺圖片，分類整理，分類標準可以參考文獻，也可自己定義.每種類型錯覺挑出3幅典型圖片，解釋錯覺出現在什么地方？怎么證明是錯覺？為什么會出現錯覺？形成報告與幻燈片.（3）每組展示自己的分類與圖片，并講解視覺錯覺的原因與討論實際應用（有的學生找出了聽覺錯覺）.（4）概述總結自己怎么搜集資料、怎么分類、怎么設計驗證錯覺的實驗，按什么邏輯格式完成總結.討論能不能眼見為實，具體到科學研究的問題上呢？討論主觀與客觀的關系（有的學生提問客觀測量有沒有錯覺）.（5）教師講解科研的基本步驟，闡述客觀測量才是實驗依據的意義.

圖1 視覺錯覺［4］

實例二〈伽耳頓板〉.選題目的：直觀理解大量偶然事件的統計規律和漲落現象，使學生了解統計規律，為統計物理學的學習做準備.增強學生動手能力，每個人自制伽耳頓板，改變釘子的排列，用理論推導實驗曲線，討論理論與實驗的關系.教學內容：（1）用多媒體展示彈珠游戲，分析游戲的編程機制，并展示游戲的原型——伽耳頓板.（2）用一周時間，按圖示做出板子（有人用不同的材料做，最簡便的是牙簽加紙板），比較圖2（a）和圖2（b）中鋼珠落下堆積形成的形狀是相同還是不同，有什么不同？在圖示兩種板子的基礎上，至少再做出一種釘子排列不同的板子，每種板型分別做10次以上重復實驗，描出相應鋼球下落形成的曲線，查找資料表述伽耳頓板的數學理論，嘗試用數學推導解釋不同釘子排布形成的圖形，形成報告與幻燈片.（3）各小組展示板子及其相應的堆積曲線和數學表述，討論理論與實驗的聯系.（4）討論隨機性與概率性，例舉實際應用的例子，試圖找出其他常見的數學實驗.（5）教師講解統計規律與漲落原理及其在物理上的運用，并討論理論與實驗的關系以及科學從生活中來的觀念.

圖2 伽耳頓板

實例三〈聲波的形狀及速度測量〉.選題目的：直觀觀測音色頻率等聲音指標，綜合學習運用并改造已有實驗設備，加強學生解決實際問題的能力，改變實驗教學模式.值得一提的是在這個課題中，學生查到外國學生利用聲波反射信號探測西瓜的成熟程度，其后學生利用音叉的共振現象，制作了一個能檢測西瓜成熟的“西瓜音叉”［5］.教學內容：（1）用多媒體展示人聲及樂器信號的波形圖.（2）用一周時間，用現有設備展示不同聲音信號，并比較不同信號，如男女同學說同一句話比較聲音信號的區別；不同地域同學用方言說同一句話比較聲音信號的區別；不同樂器演奏同一曲目比較聲音信號區別，解釋聲波為什么各有不同？用什么物理參量表征？設計實驗展示聲音信號的各個物理指標.總結聲音各個參數的意義，并用軟件合成一些簡單聲音.在完成以上問題后，設計實驗測量聲速.形成報告與幻燈片.（3）解釋聲波的各個物理指標，并用實驗得到的數據及圖示展示各個指標在現實中如何體現，討論測聲速的實驗方案的可行性及準確性.（4）討論電子合成聲波的應用，展示學生收集的各種對于聲波的運用.（5）教師講解聲波知識及相應的示波器、碳棒等儀器的使用，討論聲學在日常和工程中的應用.

圖3 聲波波形

實例四“孔明燈”.選題目的：孔明燈常見，有趣，所用理論知識較簡單，但存在把實際問題模型化數學化的問題，樹立學生建模的基本思想并進行定量分析、優化，為后面幾個建模的實例打下基礎.教學內容：（1）用多媒體展示熱氣球及孔明燈等原理相同的飛行器.（2）用一周時間分析受力并擬化成公式，給出孔明燈飛行的原理，由此分析各個參量對于飛行的影響并優化根據計算找出制作孔明燈的最優方法并制作放飛，另外制作一個處于“失重”狀態的孔明燈（這是一個學生提出的概念）.形成報告與幻燈片.（3）學生講解孔明燈的公式推導，并分析如何優化孔明燈，展示制作的孔明燈，比較和熱氣球的差別.（4）討論熱氣球、飛艇、風箏等飛行器的原理及優化方案，討論日常生活現象如何定量研究擬化成物理模型.（5）教師講解孔明燈的分析，并總結建模的一般方法及思路.

3 總結

在大學物理教學中引入探究性教學方法雖然獲得了師生的好評，但還存在一些問題需要解決.首先，這種教學方法的評價機制還在試驗中，必須用新的評價機制來和新的教學方法匹配才能形成一個完整的教學模式.其次，這種方法的最大意義就在于激發學生的創新意識，因此課題本身也必須定期更新改變，否則隨著解答和實驗的完善與固化，探究性就失去了意義，同時也不是所有的教學內容都適合用這種方法來進行學習，所以必須尋找更多的適合的課題.探究性教學方法對于培養學生的創新意識是一個行之有效的教學方法，但在大學物理教學中完善這種方法還需要更多的研究.

［1］ 鄒尚智.研究性學習的理論與實踐［M］.北京：高等教育出版社，2002

［2］ 周慶林.研究性學習百法：研究性學習指導［M］.北京：中央民族大學出版社，2002

［3］ 方曉懿.研究性設計性物理實驗的教學方案和實踐［J］.物理與工程，2006，16（4）：45～46，57

［4］ http：//hi.baidu.com/sundayson/blog/item/5967d61b6f456dfaaf5133b9.html（百度空間）

［5］ 陳健等.物理課程探究性試驗［M］.南京：東南大學出版社，2007

2011－11－30）