研究性學習視角下的大學物理演示實驗*①

郝會穎　趙長春　張自力　邢 杰　吳秀文　李庚偉　田恩科　高 祿　申 坤

[中國地質大學(北京)數(shù)理學院　北京　100083]

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研究性學習視角下的大學物理演示實驗*①

郝會穎趙長春張自力邢 杰吳秀文李庚偉田恩科高 祿申 坤

[中國地質大學(北京)數(shù)理學院北京100083]

在研究性學習的視角下，對大學物理課堂演示實驗進行了價值重構.由傳統(tǒng)的教師準備、教師操作、學生被動地通過物理現(xiàn)象理解物理規(guī)律轉變?yōu)槔醚菔緦嶒瀮?yōu)化課堂時空結構，引導學生自主發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，結合課外創(chuàng)新活動鼓勵學生自主研發(fā)演示實驗裝置.使大學物理課堂演示平臺成為低年級大學生進行研究性學習的新載體.

大學物理課堂演示實驗研究性學習

1　引言

在對創(chuàng)新型人才的訴求日益強烈的時代背景下，發(fā)展研究性學習已成為教學模式改革的重要方向.縱觀近幾年研究性學習在大學物理教學中的實踐，基本可以概括為學生介入科學研究、撰寫課程論文、課堂討論等方式.這些教學改革已經(jīng)取得了豐碩的成果[1].然而在實際操作中這些模式在某種程度上也存在著困難：首先，大一新生由于缺乏相關的專業(yè)知識，直接介入科研的難度較大；其次，課程論文大部分仍以書本或課外參考資料為載體,即停留在書面上，不容易激發(fā)學生的興趣；第三，大學物理以大班的形式組織上課，課堂討論實現(xiàn)起來較為困難.可見，尋求適合低年級學生進行研究性學習的新切入點、新載體已勢在必行.

課堂演示實驗在大學物理教學中并非新生事物.通常由教師在課下進行準備，在課堂上進行操作演示，學生通過觀察實驗現(xiàn)象理解相關物理規(guī)律.從這個角度上講，演示實驗的價值似乎僅僅在于幫助學生更為直觀地理解物理知識.然而在研究性學習的新視角下，通過適當改革演示實驗模式、調整學生在演示實驗中的角色，可對演示實驗的價值進行重構，使其教育功能大大提升，成為研究性學習的切入點和載體.本文以中國地質大學(北京)的教學實踐為例，談談如何利用大學物理演示實驗平臺，實現(xiàn)研究性學習.

2　利用演示實驗優(yōu)化課堂時空結構 促進學生自主探究 提高學習效益

在課堂時間觀中，課堂時間長度和時間密度是兩個主要因素.其中時間密度更為重要，課堂時間密度是指教學活動合理運用的時間與一節(jié)課總時間的比例.一般來講，合理運用的時間包括復習、學習新知識、布置作業(yè)等，非合理運用的時間包括教師處理課堂紀律、表達羅嗦等等[2].然而，筆者認為單純的時間密度指標并不能完全反映課堂效率.即便是一節(jié)按照定義時間密度達到100%的課，實際課堂效率也未必高.因為學生是學習的主體，課堂效率應以學生的有效學習作為考察指標，也就是學生的學習時間效益.影響學生學習時間效益的因素主要有兩方面：第一，教學內容、教學方法、教學手段是否有吸引力；第二，學生的思維是處在活躍期還是波谷期.心理學研究表明，一節(jié)45分鐘的課，在課堂最初的20分鐘里，學生的思維基本處在活躍期， 而在25～35分鐘范圍內學生的思維將會進入“思維波谷區(qū)”.采用研究性教學方法，讓學生自主探究物理規(guī)律，可以增強學習的吸引力，使學生的思維在長時間內處在活躍狀態(tài)，跨越思維波谷區(qū)，進而提高學習效益.

而在課堂上的研究性學習又如何開展呢？在實踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)僅僅通過給定問題，讓學生進行小組討論研究的做法并不十分成功，因為這些問題通常是停留在紙面上的，并不能引起學生太大的興趣.但如果以演示實驗為切入點，通過觀察有趣的實驗現(xiàn)象，再提出問題，讓學生進行研究，情況就大不相同了.學生探索的積極性會空前的提高.例如，在講到剛體的轉動慣量時，準備兩個質量和形狀完全相同但質量對軸的分布不同的圓柱體，同時從相同的斜面上滾動下來，觀察是否同時落到水平面上.引導學生探究轉動慣量的物理意義及決定因素.在思維波谷區(qū)，通常盡量展示趣味性強的演示實驗，以提高學生的探究興趣.例如，展示小鴨自動喝水裝置，在沒有任何動力裝置的情況下，小鴨一會兒低下頭去，把頭埋于水中，一會兒又抬起頭來，反復不停地低頭“飲水”和抬頭“換氣”.這有趣而神奇的實驗現(xiàn)象引起學生極大的好奇心，學生會主動探索其中的奧秘，思維會重新進入活躍狀態(tài).可見，在課堂時間結構中適時引入演示實驗，可有效地去除或縮短思維波谷區(qū).

為了與各個課堂教學環(huán)節(jié)相適應，將大學物理演示實驗分為3個模塊：第一，導入類，這類實驗的特點是通過對實驗現(xiàn)象的觀察，讓學生自主發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，通常在引入新課時用；第二，模型類，通過對物理模型(如正晶體)的觀察，總結模型特點，進而探究其所遵循的物理規(guī)律；第三，解決問題類，即探究如何應用已學物理規(guī)律解決實際問題的演示實驗.在演示過程中，輔以交互式討論等教學方法，充分突出學生的主體性.

從空間上來講，在教室中放入演示實驗器材，增添了物理學習氣氛.同時采用可移動式演示，即將演示裝置放在推車上，可根據(jù)需要在教室不同區(qū)域進行演示.拉近了學生與演示實驗的距離，促進學生探究的積極性.

3　轉變學生角色 與實驗室開放基金項目相結合 鼓勵學生自主研發(fā)演示實驗器材

傳統(tǒng)的演示實驗都是由教師進行準備和操作，學生只要進行觀察就可以了.因此教師通常是演示實驗的主角.為了提高學生的積極性，我們改變了學生角色，使其成為主角.經(jīng)常會布置一些簡單易行的演示實驗作為課下作業(yè)，課堂上請學生代表進行演示操作，再進一步進行合作探究.例如在講液體的表面張力之前，讓學生課下試驗縫衣針能否漂在水面而不下沉.聽到這個問題時，大部分學生都表示縫衣針不可能漂在水面上，因為其密度大于水.課下，學生饒有興趣的拿一根縫衣針放到一片薄綿紙上，小心地把它們平放在小盒內的水面上，再小心地用細棍把已浸濕的紙按到水下面，驚奇地發(fā)現(xiàn)針的確可以漂在水面上，這樣學生便有了研究的興趣.課堂上，請學生代表進行演示后，開始探究針的受力情況，進而引入表面張力.通過這個演示實驗使學生親歷了知識的產(chǎn)生與形成過程.

另外，演示實驗所用的材料相對簡單、廉價，對技術、工藝要求不高，只要能定性地說明物理規(guī)律、模型即可，因此特別適合正在學習大學物理的低年級學生進行創(chuàng)新和制作.目前，我校已設立了針對大學生的實驗室開放基金項目，為原材料的購置提供了必要的資金保障.我們鼓勵學生自由組合，形成不同的創(chuàng)作團隊，自主研發(fā)演示實驗儀器.對于構思巧妙的作品可以鼓勵學生申請發(fā)明專利，參加全國教具大賽，并用于大學物理的實際課堂教學.目前學生已經(jīng)自主開發(fā)了縱駐波演示儀、基于偏振原理的新型眼罩、逆風行舟演示裝置等10余項演示實驗.

4　以演示實驗為切入口 改革學業(yè)評價模式

研究性學習的理論根源是“建構主義學習理論”，在教學設計中應注重學習的自主性、探究性、綜合實踐性，最后還要給予相應的學業(yè)評價.學業(yè)評價在一定程度上決定著教育教學改革的成敗.很多好的改革舉措都由于沒有與之相應的考試改革而以失敗告終.在提倡研究性學習的今天，應該讓學生實實在在地體驗到以探究的方式去學習能得到很好的成績，而不是靠傳統(tǒng)的題海戰(zhàn)術，這是一種很重要的動力.目前我們已經(jīng)試點引入演示實驗創(chuàng)作獎勵分，即對研制出優(yōu)異的教學演示儀器的團隊給予加分獎勵.

5　結束語

研究性學習的本質在于知識的自主構建，其目標是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新能力.在研究性學習的新視角下，我們對演示實驗進行了價值重構.

首先通過演示實驗優(yōu)化了課堂時空結構，促進了學生的自主探究.

其次轉變了學生在演示實驗中的角色，由配角變?yōu)橹鹘牵瑢W生代表可以取代教師進行課堂演示操作；與實驗室開放基金相結合，為學生提供了自主創(chuàng)作的平臺.

最后，在學業(yè)評價上引入獎勵學分，鼓勵學生以演示實驗為切入點，進行研究性學習.

1盧德馨. 研究性教學20年——理念、實踐、物理. 北京：清華大學出版社，2008

2王小艷，周亞君.課堂時空觀視角下的教學成效. 現(xiàn)代教育科學(普教研究)，2011(6)：52 ～53

The University Physics Demonstration Experiment in the Perspective of Research-oriented Learning

Hao HuiyingZhao ChangchunZhang ZiliXing JieWu XiuwenLi GengweiTian EnkeGao LuShen Kun

(School of Science，China University of Geosciences，Beijing100083)

The value of university physics demonstration experiment is reconstructed in the perspective of research-oriented learning. Traditionally, the experiment was prepared and operated by teacher, while students were passive to understand physical laws through physical phenomena. This situation has been changed now. We optimized space-time structure by using demonstration experiment, and guide students to discover the physical law by themselves. Combining with extracurricular innovation activities, we encourage students to independently research and development demonstration experimental device. As a result, university physics classroom demonstration platform has become a new carrier for research-oriented learning of junior college students.

university physics； classroom demonstration experiment； research-oriented learning

郝會穎(1972-), 女,博士，教授，主要從事半導體材料及器件研究.

2016-04-11)

①*2014年度北京高等學校教育教學改革立項面上項目“多元化物理類課程體系的構建與教學模式創(chuàng)新”,項目編號：2014-ms132；2013年度中國地質大學(北京)教改項目“依托物理學科，培養(yǎng)地學領域拔尖創(chuàng)新人才”，項目編號：JGYB201323；2014年度教育部高等學校大學物理學課程教學指導委員會教學研究立項項目“‘大地學’背景下大學物理‘4+2+1’教學模式的探索與實踐”，項目編號：DWJZW201410hb