“工作室物理”教學模式在大學物理課程中的應用*

王曉鷗　劉志國　鄭仰東　韓 權　周可雅　趙 遠　張 宇

(哈爾濱工業大學理學院物理系　黑龍江 哈爾濱　150001)

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“工作室物理”教學模式在大學物理課程中的應用*

王曉鷗劉志國鄭仰東韓 權周可雅趙 遠張 宇

(哈爾濱工業大學理學院物理系黑龍江 哈爾濱150001)

“工作室物理”教學模式已在美國麻省理工學院等知名大學中廣泛使用.“工作室物理”將學生的探索研究融入到課堂教學中，充分體現了“以學生為中心”的教學理念，充分發揮學生自主學習的積極性.我們在大學物理課程中使用了這種教學模式，實現了學生的自主學習和探究學習.發現這種教學模式對激發學生學習興趣、培養創造性的思維、高水平的推理和批評性思維能力等方面都起到了積極作用.實踐證明，工作室物理不僅培養了學生探索物理知識的能力，還全面培養了學生在集體環境中自我學習、自我成長、自我完善的能力.

工作室物理互動式教學圓桌式布局

1　引言

在傳統的“灌輸式”教學模式中，學生是被動的傾聽者、接受者，他們的注意力主要是放在對知識要點的掌握上．這在一定程度上剝奪了學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，限制了學生的創新與創造性思維的發展．

“工作室物理”(Studio Physics)教學模式的最大特點是將傳統授課和課堂活動融為一體，最早是由美國倫塞勒工學院(簡稱RPI)創立的教學方式[1]．其宗旨是倡導教師引導、學生主動獲取知識、主動探索物理規律，學生之間、師生之間互動、互助式的教學模式，使學生在課堂上便能對老師講授的內容有更深刻的理解，進而提升學習成效．是充分發揮學生自主學習、實現“以學生為中心”的教學理念的最佳教學模式．

目前，這種教學模式已在美國、中國臺灣地區以及一些歐洲國家的大學盛行了將近20年的時間[2～6]，美國麻省理工學院(MIT)是使用該教學方法最具影響力的學校之一[7]，該校于2002年，就在物理課程的教學中采用了這一教學方法，并取得了良好的教學成效．由于工作室物理教學模式的成功，如今，美國一些大學已經開始在化學、工程類等[8, 9]課程中實施這種教學模式．

2　“工作室物理”教學模式

標準的工作室物理需要在一個專門的工作室物理教室中進行．這一教室除了具備一般多媒體教室的功能之外，在每一張課桌上放上小型實驗儀器，有條件的情況下，在課桌上配備網口和與LabPro Device相連接的USB接口，通過Logger Pro數據采集軟件，可以將桌上實驗的數據進行采集處理，從而方便學生對數據進行分析．圖1給出了RPI的工作室物理教室實景．

圖1　RPI的工作室物理教室實景

根據認知心理學原理：學生在課堂上的注意力以及聽課效率與所選擇的座位有直接關系．在圖2所示的傳統布局的教室中，橢圓陰影范圍內的學生上課時注意力更集中、聽課效率要更高些．麻省理工學院(MIT)根據學生有效聽課范圍，在RPI的工作室物理教室的基礎上將學生的座位重新布置，如圖3所示．從空間布置上來看，教學場所的課桌椅被擺放成圓形(或說環形)，教師的講臺位于環形擺布圓桌的中央，以此為中心的四周是一圈一圈的環形課桌椅，學生圍繞圓桌而坐，也形象叫做圓桌式教學．這種課堂布局建立了一種師生平等、民主的課堂氣氛，可減少學生的心理壓力；便于學生自由發言，便于開展討論式教學，易于學生-學生之間、教師-學生之間的溝通與交流；這種教育模式能更好地實現“以學生為中心”的教學理念，促進學生學會學習，充分發揮學生潛能．

圖2　傳統式教學的教室布局

圖3　工作室教學模式所用教室平面圖

圖4是MIT工作室物理教室實景，能容納60～90人．圖5是臺灣中正大學的工作室物理教室實景．截止到2009年，臺灣中正大學已建立了兩個工作室物理教室，分別內置11個圓桌和13個圓桌，能容納99～117名學生．

臺灣中正大學的工作室物理教室每張圓桌坐9個學生，每3個學生為一個小組，每桌分為3組，每組有1臺電腦、1套小型演示實驗裝置，每張圓桌上共有3臺電腦、3套小型演示實驗裝置，教室的4面墻上共有6個屏幕，方便不同方位學生觀看．

圖4　MIT教室實景

圖5　臺灣中正大學教室實景

學生可利用現代技術手段對實驗數據進行采集、整理、分析，加深理解在不同物理條件下物理現象的變化規律．在教學過程中，教師可作精簡的講授，之后學生以學習小組為單位做實驗(稱為課堂活動)．每個班級配備一名主講教師，一名研究生助教，一名本科生助教．助教的作用是在課堂活動期間巡視課堂，及時解決學生的問題．這種教學模式強調學生探究式和互助式學習，是一種以學生為學習主體，師生間、學生間高度互動最有效的教學手段，對建構知識和培養學生的創新能力非常有效．本文介紹我們使用“工作室物理”教學法的體會和經驗．

3　“工作室物理”教學模式在大學物理課程中應用

從2014年春季學期開始到2015年秋學期，前后用了2年的時間，每學期從英才學院抽出一個小班(30～40人)作為教學試點班，在大學物理課程中進行工作室物理教學嘗試．2016年春季學期開始在英才學院、電氣學院等4個大班全面使用工作室物理教學模式．受教室條件、演示實驗套數所限，我們采取傳統授課和工作室物理教學相結合的模式．根據我們現有演示實驗套數將一個小班(30～40人)學生分成4個討論小組，每組8～10人，共用一個由4張課桌拼接而成的平臺，每個小組配備一套實驗設備，學生可以自由操作演示實驗，并相互討論．我們為這個試點班配備一名主講教師、一名助講教師．

具體做法是：教師首先引導學生做與本次課程內容相關的演示實驗，然后根據實驗現象引導學生研究物理規律，探索物理本質；對于那些深奧的物理規律，在學生做完演示實驗后，由教師結合演示實驗現象作系統講解．這種教學模式既激發了學生的學習興趣又鍛煉了學生的動手能力，既培養了學生探索、研究的主觀主動性又培養了學生的創新與創造能力．學生對所學知識的理解也更深入，真正實現了“以學生為中心”的教學理念，發揮了學生自主學習的積極性．圖6(a)為哈爾濱工業大學的工作室物理教室實景，圖6(b)、(c)、(d)為學生正在操作、研究、討論實驗現象，探索實驗規律及其物理本質．

圖6　哈爾濱工業大學工作室物理教學課堂實景

3.1在激發學習興趣和能力培養方面的作用

由于學生習慣了傳統的“灌輸式”授課方式，我們剛開始應用“工作室物理”教學模式時，課堂氣氛比較嚴肅．盡管老師多次鼓勵學生動手實驗和參與討論，大多數學生還是不愿參與，只是被動地期待老師給出問題的答案．后來，老師移走了講臺，讓學生收起課本，課堂氣氛逐漸活躍，學生參與的熱情高漲，如圖6所示，每個學生都參與了課堂的教學活動．學生之間的討論越來越多，而且也能夠向老師提出很多奇思妙想的問題．一些平時不愿意說話的學生也很勇敢地在課堂上提出自己的想法和問題．

現在的大學生思維活躍，對很多問題都有自己獨到的見解．“工作室物理”教學模式以學生為課堂的中心，能夠通過學生之間的討論和教師的引導激發學生的學習興趣，培養學生主動提出問題、分析問題、解決問題的能力以及創新與創造性思維能力．

在工作室物理課堂，學生更愿意主動與授課老師進行溝通，一些比較害羞和偏內向的學生也能主動與同學、與老師交流，在這種環境與氛圍下，對深奧物理知識的學習變成了一件輕松愉悅的事情．

同學甲覺得這樣的上課方式非常新鮮，像玩一樣，上起課來也更有熱情，他說：“相對于只是老師演示實驗，工作實物理課堂這種方式讓人印象更加深刻，不僅看到了現象，而且通過反復地對比操作，會思考這種現象是如何出現的，對一些物理原理的理解得更深了．”

再如，同學乙對渦流熱效應演示儀非常感興趣，當她的演示效果呈現時，即通過渦流熱效應使凹槽里的冷水變熱時，非常興奮．她說：“工作室物理教學讓我們動手多了，可以進行多種嘗試，只要明白涉及的一些原理，實驗就很好理解了．而且可以隨時和老師、同學進行交流，非常有現場感．”

在傳統教學中，主講教師一言堂，演示實驗由主講教師操作，學生無法參與，課堂上也沒有更多的時間和機會對實驗現象進行更加深入的探討分析；而在工作室物理教學中，學生可親自參與實驗操作，并對實驗現象進行分析、比較，可加深對物理效應、物理規律的理解．如圖6所示，在工作室物理課堂上，學生認真地關注實驗的每一個細節，比較、分析每一個現象，有時甚至將兩組相同的實驗放在一起演示，比較不同條件下的實驗現象，總結實驗規律，在興趣與快樂中引導學生如何研究物理現象和物理過程．

例如在做“麥克斯韋滾擺演示實驗”時，很多學生并不滿足于實驗中展示的機械能守恒及重力勢能和轉動動能之間的轉化，指導教師就鼓勵學生運用剛體轉動的知識對實驗現象進行分析，并最終把該物理過程抽象為一個例題在習題課上與學生進行分享，這種由學生參與完成的例題，學生們自然感興趣，并從中研究了物理過程．

3.2“工作室物理”教學模式的優點

這種教學模式的實質是激發學生學習的主動性，是一個專門為促進活躍的、合作式的學習而打造的學習環境．教室的布置是為促進學生團隊在短期任務中的互動，同時也營造了一種輕松的學習氛圍，達到大班教學如同小班教學的效果．其優點在于：

(1)絕大多數的學生都分布在有效聽課區域內，可提高聽課效率；

(2)將實驗操作融入到課堂教學環節中，不僅讓學生學習物理知識，更重要的是讓學生感受物理，完全整合了理論和實驗課堂，可充分發揮學生自主學習的積極性；

(3)所有學生與教師保持相當合適的距離，形成一種學生平等、師生易于溝通和交流的良好課堂氛圍，便于實施互動式教學．

這種教學模式不僅實現了“以學生為中心”的教學理念，還很快就能見到學習成效，切實貫徹了教師引導、學生參與的互動式教學的宗旨．

基于建構主義理論，這種“工作室物理”課堂教學模式的主要特點是將教學理念與教學特色融入整個教學過程中，承認教師在學生知識架構以及情感態度與價值觀形成中的引導作用；注重課堂中諸客體之間互動的暢達平等(如教室中的擺設會因時制宜，物與我的交流，師生互動對教材個性化生成，人對自然人文環境的關注與協調等)，尤其尊重學生的獨特性體驗與創見，不管這些體驗和創建是否成熟，要培養學生自我審視的習慣．工作室物理教學模式符合學生的認知規律，具有一定的科學性．

教學實踐表明，“工作室物理”教學模式改變了傳統的單向知識傳授模式，是探究式、討論式、互動式的教學，它鼓勵學生自主學習，讓學生學會相互學習，教會學生如何去思考，有利于學生知識、能力、素質的全面發展．學生在工作室物理課堂環境中還提升了自我學習、自我成長、自我完善的能力以及團隊合作精神．

1王鑫, 劉全慧. 工作室課堂與大學物理教育——介紹美國 Studio Physics 教學模式. 大學物理， 2010, 29 (2): 54～56

2Cummings K, Marx J, Sornton R, et al.，Evaluating Innovations in Studio Physics, Physics Educational Research.American Journal of Physics, Supp l. 1999(67): S38～S45

3Karen Cummings, Jeffrey Marx, Ronald Thornton, and Dennis Kuhl，Evaluating innovation in studio physics.Phys.Educ.Res.,Am.J.Phys.1999,67(7):S38

4Patrick B.Kohl,H.Vincent Kuo,and Todd G.Ruskell，Documenting the conversion from traditional to Studio Physics formats at the Colorado School of Mines:Process and early results.AIP Conf.Proc.，2008.1 064,135

5T.E.Furtak and T.R.Ohno，Installing Studio Physics.The Physics Teacher，2001.39

6G?k,Tolga.Exploring of Students′ Performances,Motivation Processes and Learning Strategies in Studio Physics.Latin-American Journal of Physics Education，2011,5(1):1 870～9 095

7John W.Belcher.，Studio Physics at MIT (see http://web.mit.edu/cet/)

8Lu T M.Turmoil and Opportunities in Higher Education.New York: Integrated Book Technology，1999

9Amy C.Gottfried,Ryan D.Sweeder,Jeffrey M.Bartolin,et al.，Design and Implementation of a Studio-Based General Chemistry Course.Journal of Chemical Education，2007, 84(2):265

王曉鷗(1960-)，女，博士，教授，博士生導師，主要從事光學非線性的研究及大學物理的教學工作.

2016-05-17)

*黑龍江省高等教育科學研究2014年重點課題，課題編號：14Z001