大學物理實驗課程的課堂生態研究

陳桂云，吳　威，曾倫武

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大學物理實驗課程的課堂生態研究

陳桂云，吳威，曾倫武

(南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031)

用教育生態學的理論和方法研究了大學物理實驗課程，指出其課堂生態尚未呈現出教師、學生和環境三要素之間的整體均衡，良性互動，協調共進的態勢. 從理念與結構框架、環境場構建、教育客體重整、教學流程重構、評價方式完善5個層面，重構大學物理實驗的課堂生態系統. 研究給出了新教學模式下的課堂生態系統結構框架，探討了互動性課堂的教室籌建、內容重組、教學流程和評價方式.

大學物理實驗；生態課堂；教學模式

教育生態學為教育學和生態學兩學科相交叉的學科，其研究對象是由教育主體、教育客體和環境系統共同構成的教育生態系統，學科功能主要體現在借用生態學理論進行教育生態健康評價、教育生態危機預警和教育生態實踐指導3個方面[1]. 1932年，美國沃勒在研究中提出“課堂生態學”概念，從社會學層面剖析課堂教學. 這是教育生態思想的萌芽. 而“教育生態學”概念則發源于臺灣學者方炳林1975年的《生態環境與教育》及哥倫比亞大學Lawrence Cremin 1976年的《公共教育》[2]. 教育生態思想出現后，教育研究的注意力發生改變：由關注個別學生學習經歷及學校成績轉向了研究學生成長所處教育環境的各種因素[3]. 這是教育研究的質的飛躍，是更加注重教育系統要素相互聯系、相互制約的整體性思考范式. “教育生態學”概念及思想后又被臺灣學者李聰明《教育生態學導論》(1989)、大陸學者吳鼎福和諸文慰 (1990)、 任凱和白燕 (1992)、 范國睿(2000)等研究所發展，逐漸成為一門獨立的教育學領域子學科——教育生態學[2]. 教育生態學提倡運用生態系統的生態平衡、協同進化等生態學概念研究教育現象及發展規律，對教學實踐深具指導意義. 在這一概念框架下，課程教學旨在構建師生和環境三者交互作用的動態系統，以實現三者的整體和諧發展.

目前，從高校課程生態化研究來看，主要集中在英語、體育、馬克思主義原理等課程上[2,4]. 雖然，2010年邢紅軍就提出教育生態學和相互作用心理學可以為物理教育生態化理論的建構提供有益的啟示，但鮮有關于大學物理課程領域的研究報道[5-6]. 郭麗君認為，可以用缺陷分析法考查某個教育生態系統的缺陷來幫助該系統走向持續完善. 對于教育生態研究的微觀領域——課堂生態研究，則可以通過對課堂生態系統的組成要素(教師、學生、教科書、教室環境等) 做缺陷分析來追溯課堂生態系統的缺陷[1]. 本文以大學物理實驗課程為切入點，用缺陷分析法考察該課程的課堂生態，探究大學物理實驗課程的物理課堂生態建設問題.

1　大學物理實驗課程的定位和目標——課堂生態系統的完善方向

教育部高等學校物理基礎課程教學指導委員會的“理工科類大學物理實驗課程教學基本要求”[7](簡稱“教學要求”)指出：物理學本質上是一門實驗科學. 大學物理實驗課是高等理工科院校對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端. 大學物理實驗課覆蓋面廣，涉及到許多實驗思想、方法及手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，是培養學生科學實驗能力、提高科學素質的重要基礎. 它在培養學生嚴謹的治學態度、活躍的創新意識、理論聯系實際和適應科技發展的綜合應用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用.

“教學要求”指出：大學物理實驗課程要培養學生獨立實驗的能力、分析與研究的能力、理論聯系實際的能力和創新能力. 具體任務是：1)培養學生的基本科學實驗技能，提高學生的科學實驗基本素質，使學生初步掌握實驗科學的思想和方法，培養學生的科學思維和創新意識，使學生掌握實驗研究的基本方法，提高學生的分析能力和創新能力. 2)提高學生的科學素養，培養學生理論聯系實際和實事求是的科學作風、認真嚴謹的科學態度、積極主動的探索精神及遵守紀律、團結協作、愛護公共財產的優良品德. 可見，大學物理實驗課程的最根本目標是使學生通過該課程獲得全方面的發展.

大學物理實驗課程的課堂生態系統由教師、學生、實驗指導書、儀器、教室環境等組成. 該生態系統的健康運行，需要各要素整體均衡、良性互動、協調共進，達成該課程的目標. 大學物理實驗課程的定位和目標是課程生態系統的完善方向.

2　大學物理實驗課程的現實狀況——課堂生態系統的缺陷分析

綜觀我國高校大學物理實驗課程，目前整體發展態勢良好，尤其是隨著教育部高校本科教學質量工程的實施，一大批國家級及省級大學物理實驗教學示范中心陸續建成. 在諸如清華大學、中國科技大學、上海交通大學、東南大學等大學物理實驗教學示范中心中，借助各種類型教學資源，構建教學立體網絡，分層次進行物理實驗教學已經成為常態. 我國大部分高校目前已能夠利用包括網絡技術、多媒體教學軟件等在內的現代教育技術豐富教學資源并開放物理實驗室，能夠開展包括基礎性實驗、綜合性實驗、設計性或研究性實驗在內的分層次教學. 在教學內容、課程體系、教學方法、教學手段等各方面也進行了各種有益地探索. 大學物理實驗課程總體而言，在高教課程大系統中，發揮著大學基礎課程尤其是實驗類課程的基礎作用.

但是，大學物理實驗課程在實踐中同樣也存在著諸多不足. 從教育生態學角度說，課程實踐尚未呈現出教師、學生和環境三要素之間的整體均衡、良性互動、協調共進的態勢. “教學要求”及課程大綱所規定的教學目標尚未能充分實現.

2.1系統要素之間缺乏良性互動，課堂生態活力不足

很多高校的大學物理實驗課堂所呈現的，還是以任務為導向的過于死板的課堂面貌. 教學方式過于教條，缺乏創新. 教師在實驗開始時布置實驗任務，交代注意事項；實驗中巡視并解決問題；實驗后檢查實驗數據，略作評價. 學生只管按部就班地實驗，獲取實驗數據并讓教師認可. 遇到大部分學生沒有預習實驗時，教師為提高課堂效率，索性講解全部實驗原理、實驗環節等相關內容. 學生在速成學習后，迅速按部就班做完實驗，課后再循規蹈矩地完成實驗報告，以順利獲得滿意的實驗成績為最大期盼. 師生基本都不喜歡實驗環節出現儀器和實驗數據的狀況. 而物理實驗課程的環境，只是課程的場所，與人之間的互動少之又少. 雖然通過多年的建設，走廊和教室的墻壁已掛了實驗室規章制度和物理名人名言，課桌椅嶄新，新換的儀器人手1臺. 教師重在教的任務，學生重在學做的任務. 教會學生做實驗并評價，是最基本的實驗流程，師生之間的互動死板僵化，這顯然還是未有效發揮教育主體能動性的填鴨式教學. 師生之間、生生之間、人與教學資源之間缺乏良性互動，人與環境的作用尚待重新定位與完善.

2.2課程與實驗室建設成果未能在課堂生態中發揮積極作用

網絡課程建設和實驗室建設已經成果斐然，多數高校都能列舉出很多建設成果. 網絡上也遍布著各種學習資源，包括國內外著名高校提供共享的教學資源及各個高校自身建設的網絡學習資源. 近幾年的慕課、微課建設更使得網絡上的在線課堂層出不窮. 學生學習的時空得到拓展，學習便利性大為加強. 教師也嘗試利用這些物理學習平臺給學生課后探索提供幫助，并且利用QQ、微信等與學生進行交流反饋，鼓勵學生將實驗過程中出現的問題向課外延伸，深入拓展相關內容，開闊視野同時增強學生的實踐應用能力. 但是，許多教學資源以及實驗室建設成果未能在大學物理實驗的課堂生態中發揮出積極作用，有些資源只演變成實驗室建設展示成果的花架子，實際利用效率并不高，甚至出現了教師和學生并不喜歡使用這些資源的現象. 如何有效地利用這些資源，為課堂教學生態注入活力，還有待深入研究.

2.3實驗室開放形同虛設，未能有效發揮其應有作用

近10年，各高校都在積極創造條件開放物理實驗室，爭取在教學時間、空間和內容上給學生更大的選擇自由. 實驗內容也能兼顧預備性實驗、基礎驗證性實驗、設計性實驗和研究性實驗，以適應學生的個性發展. 開放的大學物理實驗室在教師科研、學生SRT訓練上都發揮著積極作用. 但是，帶著課堂實驗問題，或者帶著自己發現的物理相關問題，進一步利用開放時間來實驗室深入探索的學生少之又少. 不僅大學物理實驗對學生變成了一門掙學分的課程，甚至于不少大學生的SRT訓練也演變成功利地掙學分、謀取利益的手段，難有真正的科學研究探索. 而開放實驗室帶來的管理問題以及安全隱患，給實驗室管理者也帶來了巨大壓力，這更使得實驗室開放制度在實際執行時形同虛設，開放實驗室并未能有效發揮其應有作用.

2.4課堂成績評價方式不盡合理，還有待完善

學生大學物理實驗的成績，通常依據其在預習、課堂實驗、實驗報告和實驗考試4環節中的表現而定. 成績評定方式在教學中有重要的導向作用，尤其是學生課堂實驗的評價，直接影響著學生的具體實驗過程. 但評價很容易傾向于學生實驗數據好壞及實驗時間長短. 當教師觀察到所有學生實驗態度都很好，做實驗很認真時，那些實驗結果好的、所用時間短的學生更容易得到好的評價. 可是實驗過程如果伴隨著技能、思想方法的學習，同時還需要發現個體實驗的具體問題并尋找解決方案，實驗時間可能因人而異，且不會較短，實驗數據也未必都很好. 若學生在實驗中發現數據問題，思考出內在的原因，并調整實驗驗證自己的判斷，可能對其發展意義更大. 但是當教與學于師生都變成功利的任務時，師生雙方通常都不愿意看到犯錯這類意外發生. 評價方式并未能真正促使學生投入到實驗的學習過程中，為此，這方面還有待進一步完善.

3　大學物理實驗課程的教學模式——課堂生態系統的模式重構

3.1理念與結構框架

大學物理實驗課程的最根本目標是使學生通過該課程獲得發展. 因此重構課堂生態系統需秉持這樣的理念：在課堂生態系統教學模式框架內，關注學生發展，關注學生能從該課程得到什么，更甚于關注知識本身[8-10]. 課程內容的學習討論和實驗的完成過程應成為學生實驗技能、科學素質，分析解決問題能力及創新能力發展，甚至于智商、情商、逆商、社交商共同協調發展的媒介. 這一教學模式框架下的課堂，會同時是某種小社群組織的生態體. 它要在利益博弈、觀點碰撞和思想交鋒中體現學習與發展兼顧、科學與人文交融、合作與競爭并存的特點. 這樣的教學模式下，高效正確地完成實驗是最重要的目標，犯錯的價值會被重新思考，并被納入學習過程.

重構的大學物理實驗課堂生態系統的結構框架如圖1所示. 獨立發光的小星體表示每個獨立的學生，發光代表它既可以影響他者也能被他者所影響. 他者包括教師、其他學生及環境. 這些小星體是課堂生態系統中最為重要，需要通過課程獲得發展的教學主體. 它們獨立自主地完成自己的實驗，并在過程中發現問題、分析問題和解決問題. 3個個體組成1個小組，在個體需要幫助時可以互相討論、彼此啟發. 1個課堂生態系統可以包含6～10個這樣的小組. 組內個體之間及不同小組之間合作與競爭并存. 教師或助教是較大的星體，能光照整個生態系統，是課堂生態系統中另一個重要的教學主體,同樣可以影響他者也能被他者所影響，并且其理念與教學智慧對整個生態系統的健康運行起著最為關鍵的作用. 小月亮是環境場，大星體和小星體置身其中. 生態系統運行時，三者可以彼此輻射，傳遞能量與信息，展開互動.

T or AT.教師或助教；Gn.學生小組；F.環境場圖1　課堂生態系統的結構

3.2環境場構建——互動性課堂的教室籌建

課堂生態系統需要在能誘發探索與互動的環境場所中運行. 環境場所自然形成環境場，產生課堂氣氛，影響著該場所中的所有教學主體. 環境場的構建，包括互動性課堂的教室籌建、實驗室墻壁布置、規章制度、儀器擺放、實驗室衛生等多方面內容. 其核心是互動性課堂的教室籌建，可建設能容納30人做實驗、面積約為100 m2的教室，10張圓桌，每桌3人. 每桌能放3臺可聯網的電腦及3套實驗儀器. 1個演講臺兼控制臺，1臺投影儀. 其簡圖如圖2所示. 該互動性教室其典型特征就是方便師生、生生之間的互動. 其基本功能應該包括：個體獨立實驗功能、互動功能(人機、師生、生生)、協作學習功能、分組競賽功能、演講討論功能及多屏監視功能等.

圖2　互動性教室簡圖

教師可以把操作權交給任意一學生，學生在其座位上可以遠程操控教師的電腦，為全體學生講解自己實驗所發現問題的分析過程和解決方案. 也可以組成小團隊，合作達成某個問題的解決，給同學演示. 組內和組間既可以協作也可以展開競爭. 學生在優勢互補、相互競爭、相互促進中形成良好的人際關系，培養合作精神，激發探索興趣，促進個性健全發展.

3.3教育客體重整——互動性課堂的內容重組

以既有的教學內容為重組對象、網絡課程建設和實驗室建設成果為依托，各種網絡資源為活水，重整教學內容. 既往開發的包括基礎性實驗、綜合性實驗、設計性或研究性實驗在內的分層次教學內容照用，但要更為考究地重新編排其呈現形式. 要將重構課堂生態系統所秉持的理念融入內容的呈現方式中，使得教學內容暗藏玄機——激勵學生自主探索以完成自我發展. 教學理念是課堂生態系統之魂，究竟如何匠心獨運地呈現教學內容，并沒有固定套路，可因師者不同而異. 重組時秉持原則：不能使教學內容變成強加給學生的實驗任務. 教學內容要內蘊豐富激勵，能誘發自主學習、自主探索及各種互動討論.

重組的內容可以為：

1)誘發探索興趣的內容；

2)思考原理、啟發創意的內容；

3)操作技能內容；

4)實驗及深入探索內容.

以牛頓環測量透鏡的曲率半徑實驗為例，以上內容可為：

1)探究牛頓環花樣的變化；

2)思考原理及設計其他圖樣；

3)調試圖樣清晰的操作；

4)測量實驗及儀器、測量方法、數據、誤差、障礙及解決方案的深入探究.

所有內容讓學生在環境場中通過與教師、其他學生、教材、網絡資源高效互動中一點一點地帶出來，不能直接呈現結果. 環境場中的學生實際上要經歷發現之旅，于玩耍、思考、親自動手操作在合作又競爭的探索中經歷發現問題、學習、互動討論、解決問題以及可能犯錯并糾錯的過程. 在和同伴的合作與競爭中完成包括實驗技能及科學素養的提高，實現分析解決問題及創新能力的發展，甚至于智商、情商、逆商、社交商的協調發展.

3.4課程教學流程重構

更有活力充滿互動的課堂生態需要重構課程的教學流程. 與上述重組的內容相對應，基本流程建議為：

1)玩起來，以進行情緒調動和思維熱身；

2)思考起來，探究背后機理，誘入自主學習過程；

3)做起來，動手中學習，鍛煉動手能力并總結操作技巧；

4)完成實驗操作并深入探索，向發現之旅縱深處拓展.

教師用問題和評價導引學生沿著這4步流程前行，所有環節都可適度引入合作與競爭機制，確保課堂生態系統中能量和信息能高效流動.

以牛頓環測量透鏡的曲率半徑實驗為例，重構的課程教學流程如下：

1)讓學生玩起來

a.怎樣調出漂亮的條紋？

b.條紋如何變形？

比一比誰的條紋最漂亮.

2)讓學生思考起來

a.條紋的機理怎樣？

b.如果換成劈尖形狀的空氣膜，條紋如何變形？

c.你還可以設計出什么樣的圖樣？

比一比哪個小組能最先準確地描述出機理，哪個小組的設計最具創意.

3)讓學生做起來

a.調一調儀器，調出最清晰的圖樣. 開展調試技能大賽，比一比誰能讓最難調的儀器在最短時間內呈現清晰的圖樣，誰總結的調試技巧最棒.

b.誰能讓中心暗斑變亮斑，并解釋原因.

4)讓學生完成實驗操作并深入探索

a.測量哪些物理量？如何測量？

b.儀器有什么“缺陷”?采取什么實驗方法可以避開這個“缺陷”？

c.如何處理數據？數據差異性的原因？

d.誤差可能有哪些來源？

e.你遇到哪些障礙？如何解決？

f.對于儀器和方法有無建設性意見？

3.5評價方式完善

重構的課堂生態系統模式要有相匹配的評價方式. 既有的4環節評價方式并非完全不合理，可予以完善. 尤其是直接影響學生具體實驗過程的課堂實驗評價，更要進一步完善. 另外還要補充課后學習討論及進入開放實驗室深入探索的激勵和評價方法.

課堂實驗評價可以包括：實驗態度、動手能力、發現問題能力、解決問題能力、合作能力、闡述能力、有無創意設計等多種考核指標，從個體及小組評價，自我及他者評價角度予以評價. 評價以鼓勵學生積極探索為根本，避免讓學生過于關注成績. 教師實時口頭評價輔以筆錄評價，以調控學生在實驗過程中的狀態. 課后探索評價重在鼓勵學生充分利用開放實驗室的便利，深入自主探索，將課堂學習向課后延伸，拓展課程對學生影響的時間和空間，使學生能從課程中獲取最大限度的發展. 例如，在評價方式的導引下，有學生課后深入探索儀器缺陷，提出了改進螺旋測微計方案，并成功申請了螺旋測微計的實用新型專利.

4　結束語

立足于課堂生態建設而重新架構的大學物理實驗課程教學模式，更具人本情懷，更為關注學生身心及能力和素質的發展. 課程只是教學媒介，人的發展才是一切課程的根本. 在這樣的教學模式下，個體的發展不僅在于自己優秀，還在于為他者留有發展空間. 不同個體之間，不同小組之間在利益的博弈中謀取共同發展. 反思自己亦反思他人；說服自己亦說服他人會是課堂的常態. 它會是一種與傳統課堂完全不同，鼓勵探索、創新、反思、對話，鼓勵競爭但更鼓勵協作的新型課堂文化. 這種課堂文化對學生的熏染濡化功能是任何線上慕課所不能替代的. 如果操作得好，教學理念能被有效踐行，通過大學物理實驗課程發展學生科學素質，實現科學課程所能給予的學生能力發展，甚至于課程去促進個體智商、情商、逆商、社交商的協調發展都不僅僅是空話. 在大數據的時代，善加利用媒體資源，強化實體課堂自身優勢，用更鮮活的教育引領學生成長于現實世界，會具備更為深刻的超越課程本身的意義.

[1]郭麗君,陳中. 試析教育生態學的學科定位[J]. 現代大學教育, 2016(2):1-5.

[2]姚小云. 教學研究型大學本科課程生態化有效教學模式建構[J]. 牡丹江教育學院學報,2016(3):104-106.

[3]張曉文. 生態視域下班級文化的生態內涵、特征和功能[J]. 現代教育科學，2016(4):114-117.

[4]孫丹,殷際文,李艦君. 論教育生態學視角下大學英語教學創新[J]. 黑龍江高教研究,2013,31(5):189-190.

[5]邢紅軍. 原始物理問題解決的自組織表征理論與實證研究[D]. 北京：北京師范大學,2010.

[6]熊新農,康念鉛,周培聰,等. 基于卓越人才培養的大學物理自適應生態教學[J]. 高等農業教育,2016(1):58-61.

[7]教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會. 理工科類大學物理課程教學基本要求、理工科類大學物理實驗課程教學基本要求: 2010年版[M]. 北京：高等教育出版社,2011.

[8]陳桂云,戴存禮. 面向學生發展的多元化大學課程體系構建[J]. 中國農業教育,2014(5):25-29.

[9]陳桂云. 大學基礎物理課程價值的人本視角[J]. 中國農業教育,2009(6):34-37.

[10]陳桂云. 人本視角下的大學物理課程地位和作用[J]. 高等理科教育,2011(6):121-125.

[責任編輯：任德香]

Classroom ecology of college physics experiment course

CHEN Gui-yun, WU Wei, ZENG Lun-wu

(College of Engineering, Nanjing Agriculture University, Nanjing 210031, China)

The theory and method of educational ecology was applied to study the college physics experiment course. It was pointed out that the classroom ecology of the course had not yet shown overall balance, beneficial interaction among teacher, student and environment. In view of concept, frame structure, environment field construction, education object reforming, teaching process reengineering and evaluation methods, the classroom ecosystem was reconstructed in a more humanistic mode. The structural framework of classroom ecosystem was given. The building of an interactive classroom, the reorganization of the content, teaching process and evaluation methods which could be used to enhance the vitality of ecosystem were also discussed.

college physics experiment; classroom ecology; teaching model

2016-06-03

南京農業大學教育教學改革研究項目(No.2015Y054);南京農業大學工學院基礎課部教育教學改革研究項目

陳桂云(1971-)，女，江蘇淮安人，南京農業大學工學院副教授，博士，研究方向為課程與教學論.

G642.423

B

1005-4642(2016)10-0017-06

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文