新型理工科建設背景的物理實驗教育教學平臺創新實踐改革

吳 寶 嘉(延邊大學 a.理學院;b.就業教育與服務中心，吉林 延吉 133000)

0 引 言

1996年法國開始在大學校預備班開設“適度發揮學生創造力”(Travauxd initiative personn ellleencadres簡稱TIPE)課程。大學校預備班屬于法國高中后教育，是法國培養高層次管理、科技、工程師人才的搖籃[1-3]。TIPE課程被規定為全體學生的必修課，占學年總課時的10%。學生2～3人組成一個小組，在教師的指導下，要求對學科已有成果進行批判性的研究，鼓勵學生介入學科前沿，強調學生的批判精神創新能力以及獨立分析問題和解決問題的能力。由于大學校預備班的教師素質一流，隊伍整齊，加上學生人數較少，指導十分到位，因此TIPE課程的開設獲得了巨大的成功[4-7]。

我國基礎教育經過幾年的“研究性學習”實驗后，于2001年4月，教育部下發了《普通高中研究性學習指南(試行)》，把“研究性學習”課程作為重要內容列入普通高中綜合實踐活動板塊。“研究性學習”課程作為一個獨具特色的課程領域，首次成為我國基礎教育課程體系的有機構成，被公認為我國當前課程改革的一大亮點[8-11]。中專教育要積極推行研究性學習，把研究性學習作為中專物理教育改革的重要內容。中專教師的培訓是工科院校的重要任務之一，物理教學中開展研究性學習是提高學生的研究性學習的理論和實踐水平的重要舉措。2002年12月，教育部在西安交通大學召開的全國高等理工科教育改革經驗交流會上周濟副部長提出：高等理工科教育要積極推行研究性學習，把研究性學習作為高等理工科下一步教育改革的重要內容。這一舉措順應了世界課程改革的發展趨勢[12-13]。

雖然，研究性學習在我國基礎教育改革中正在如火如荼地展開，但是如何把在研究性學習課程中的研究性教學方式和學習方式延伸到物理學科教學，甚至延伸到物理課堂教學在國內還是一個薄弱的研究領域[14-15]。教育部在《普通高中“研究性學習實施指南(試行)》也提到：“當前,受傳統學科教學目標、內容、時間和教學方式的局限,在學科教學中普遍地實施研究性學習尚有一定的困難”。這主要針對我國目前普通高中實際情況而言的。但在國外，如美國、英國、日本等，研究性教與學的方式已在科學教育的課堂上普遍運用。對大學來說，雖然在許多專業課中有課程設計、畢業設計、畢業論文等研究性學習的內容。但是，在學科教學中，特別是工科普通物理教學中開展研究性學習則是鳳毛麟角，物理學科教學中研究性學習的理論和實踐都不成熟。因此，學科教學中研究性學習的理論和實踐研究成為推廣和開展研究性學習的攻堅戰，這對新時代的每位教師來說，既是挑戰又是機遇。本文試圖將研究性教與學的方式引入到高等工科普通物理學科教學之中，并以建構工科物理能量知識結構為研究性學習的主題，探索物理學科教學中研究性學習實施和實踐的規律。

1 新型理工科建設背景的物理實驗教育教學平臺創新

1.1 傳統教學模式存在的問題

“教師備課——上課教師講——學生聽——學生記筆記——課后做作業——教師批作業”是傳統教學的大致流程。這樣的課堂結構在完成教師“教”的任務上是高效的，但卻存在著難以克服的弊端。著名物理學家楊振寧[16]指出這種模式的弊端：中國教育方法(東方的傳統)是一步一步地教，一步一步地學，傳統教學方法訓練出來的小孩子，可以深入地學到許多東西，這對于他進大學考試有許多幫助。但這種教學法的主要缺陷是學生只宜于考試，不宜于做研究工作，因為研究工作所要走的路與傳統的學習方法完全不一樣。

傳統課堂的弊端：這種結構基本的理念是把學生看作知識的容器，客觀上不允許學生獨立思考，如果說學生有所思考，也只能跟著教師的思路走；學生不知道老師要干什么，更不知道自己要干什么，只能是被動聽講；學生學得如何，教師不得而知，教師只能“一刀切”去完成自己“教”的任務。杜郎口中學校長崔其升[17]說：學習的天敵是依賴，教師的悲哀是包辦。 傳統教學低估了學生的能力，無限制地占用學生時間，不利于自主學習。

許多學生上課無心聽課、有的干脆睡覺，根本原因是學生沒有真正成為學習的參與者，而是旁觀者，他們不用對自己的學習負責，并且不承擔學習的后果。

1.2 新工科改革

依據研究對象和內容的不同，研究性學習的實施可以分為兩類，即課題研究類和項目(活動)設計類。課題研究以認識和解決某一問題為主要目的, 圍繞客觀事物是什么樣的或事物之間的關系、事物發展變化的規律是什么提出問題。課題研究以認識和解決某一問題為主要目的,具體包括調查研究、實驗研究、文獻研究等類型。項目(活動)設計以解決一個比較復雜的操作問題為主要目的，一般包括社會性活動設計和科技類項目的設計兩種類型。前者如一次環境保護活動的策劃,后者如某一設備、設施的制作、建設或改造的設計等。一項專題的研究性學習活動,可以屬于一種類型,也可以包括多種研究類型。綜合性較強的專題,往往涉及多方面的研究內容,需要運用多種研究方法和手段,更需要參加者之間的分工協作。無論是課題研究類，還是項目(活動)設計類，實施過程一般可分3個階段：進入問題情境階段、實踐體驗階段和表達交流階段。在學習進行的過程中這3個階段并不是截然分開的，而是相互交叉和交互推進的。學與教的基本過程模式如圖1所示。

圖1 學與教的基本過程模式

在研究性學習的教學中，教師與學生在教學中的地位發生了根本的變化，學生處于自主的地位，教師處于指導地位。學生自主是指研究的全過程(收集信息、選題和立題、設計研究方案、進行具體研究、總結研究成果、完成研究的全過程)應該由學生自主去完成，把學生置于一種動態、開放、主動、多元的學習環境是開展研究性學習追求的目標，但是并不排斥教師的指導作用和學校常規教學管理制度的約束。在研究性學習的理論和實踐中，認為教師已退居邊緣，成了“局外人”的觀點，是對學生主體性誤解而導致教師主體作用的迷失。教師在研究性學習中的地位應定位在：鋪墊知識、指導方法、組織管理、疑難點撥、鼓勵士氣、協作參與等方面。在研究性學習中，表面上學生在主動的探求知識，實際上學生學習的每一個環節都離不開教師的精心指導。這是因為對能力有限的學生來說，無論其人生閱歷，還是知識結構和研究能力，都不夠成熟。而研究性學習也不同于真正意義上的科學研究，不能靠學生完全獨立完成，學生的時間和精力也不允許這樣做。在研究性學習中，當學生面對困難不知所措甚至退避時，教師必須適時進行有效的指導。這種指導是一種深層次、高水平的指導，不是直接告訴學生做什么、怎么做，而是啟發誘導，使學生自己認識到應該怎么做，不是代替學生去解決困難和問題、而是通過一系列的指導策略，使學生自己解決問題，完成學習任務。這就要求教師在指導過程中，不僅要轉變指導觀念、更要講究指導藝術和策略。指導策略是要循著學生的思路想，并要提出質疑，提供可深入思考與探究的思路或方向，供學生進行判斷和選擇；物理學科研究性學習的指導內容有以下幾方面：

(1) 選題指導。選題是研究性學習過程中非常重要的一步，選擇的題目要可行，要具有實際意義和社會價值。題目太大或太難，學生會感到力不從心，面對困難容易表現出消極情緒，題目太小或太簡單，學生會覺得缺乏挑戰性，感到索然無味，使研究性學習流于形式。因此，教師要根據物理課程研究性學習目標把握選題方向和范圍，根據學生的知識水平和能力狀況，盡可能把題目難度定位在學生的“最近發展區”內，同時，還要對可利用的資源和環境條件作必要的考察和分析，保證研究的可行性和現實性。選擇的題目學生必須感興趣，選題的指導力求宏觀，給學生一定的選擇自由度。例如，在本課題的研究中，我們把研究性題目的范圍限定在能量范圍，給出了一些子題目供學生參考，但也允許學生選擇其他自己感興趣的與能量有關的題目。

(2) 計劃指導。物理學科的研究性學習應課內與課外相結合，校內與校外相結合。由于在課程計劃內安排的課時相對于開展研究性學習總體所需要的時間是有限的，就必然涉及到課內外時間空間與其主題內容的安排策略問題。即指導學生課內可做些什么，課外可做些什么；哪些工作可在校內做，哪些工作可放到校外去完成。一般而言，課內時間可用于選題、取材等方法指導和階段成果經驗的交流，而課外時間可用于課題研究的具體實施等。同時，需要對在課外進行的研究活動的場所選擇進行有針對性的指導。

(3) 組織形式指導。即指導學生如組織研究小組。當小組成員發生矛盾，小組其他成員難以協調或發現有的學生對該課題沒有興趣時，要適時指導并允許小組成員流動。

(4) 過程指導。這里所說的過程是指學生在課題選定后，制定研究方案、搜集信息、實施研究等過程。對過程的指導是最能體現教師創造性和指導水平的一個環節，要求教師掌握不同學生的心理，研究和靈活應用研究性學習的指導策略，真正做到“道而弗牽、強而弗抑、開而弗達”。

(5) 方法指導。通過研究性學習使學生掌握科學研究的基本方法和思維方法是開展研究性學習的主要目的之一。方法指導是很重要的一個環節，要求教師對研究性學習的方法作總體規劃，將方法指導貫穿在整個研究活動之中。本課題的第3章對物理教學中的研究性學習的基本方法作了統一設計。雖然這種設計是針對能量知識結構的建構而言的，但是，因為能量知識結構在物理學中的重要地位使得這些方法具有普遍性和代表性。

(6) 結題指導。在結題指導中，不但要指導學生對獲取的資料分析整理、提煉觀點、形成小論文研究報告，還要指導學生表達論文、圖表、模型、影像等多種方式及實現各種方式的方法。要注重結題指導中人文價值的發掘。例如，在微波的生物學效應的研究中不但要使學生了解“是什么”和“怎么回事”。還要使學生養成對生命的珍惜和熱愛之情。

總之，研究性學習中教的設計應關注研究的全過程，除要關注師生共同的活動內容外，更要關注由學生單獨進行的研究活動。如表1所示,給出了研究性學習的教的過程設計框架。

教師要根據該表中教的基本框架對研究性學習的教的過程作詳細的規劃和設計，并在實施過程中善于發現存在的問題，及時調整指導方案。

2 教學實踐實施

學的過程即實施研究的過程。不同的研究課題在研究方法和手段上有著各自的側重點，為便于學生開展課題研究，構建“意義建構能量知識結構的研究性學習”實施研究的基本模式如下：

表1 研究性學習的教的過程設計框架

(1) 類比研究模式。 建構能量知識結構時，常用的方法是類比方法。類比是由一類對象已知的屬性和關系，從而達到對另一類對象已知的屬性和關系的推測。發現兩種事物之間的類比關系，表明能把兩者納入同一層次的上位范疇之中。其基本流程如圖2所示。

圖2 類比研究模式基本流程

例如，由力學中的功能關系類比靜電場的功能關系時，研究的類比對象是靜電場，被類比的對象是重力場和彈性力場。這兩種場的相同點都是保守力場，不同點是這兩種保守力所做的功的形式不同，經過類比后，重力場和彈力場能引入的概念靜電場也能引入，只不過兩種勢能的表達式不同而已。特別注意的是，用類比法得到的概念和規律要通過實驗等方式進行驗證。這是類比法的使用條件。否則，可能得出荒謬的結論。例如，人和羊都是動物，通過類比得到，羊吃草，人必然也吃草的結論，這個結論是否正確要通過實踐檢驗。

(2) 整體研究模式。 普通物理學使用了微積分和矢量代數等數學工具，使得其研究范圍比高中物理廣泛，這也是普通物理學有別于高中物理之處，微積分不但是處理物理問題的工具，它也是人們認識和研究物理世界的一種方法和思想。在建構能量知識結構時，經常用這種思想研究問題，其基本流程如圖3所示。

圖3 整體研究模式基本流程

例如，研究剛體的規律時，常用的方法是類比法和微積分思想研究模式。只要熟悉質點動力學的概念和規律，剛體可以看作質點的組合，就可以用微積分思想得出剛體動力學的概念和規律。如用微積分思想從質點動能的公式推導出剛體轉動動能和轉動慣量的公式。

(3) 文獻研究模式。也稱為“歷史方法”，主要是以過去為中心的探究，對有關現有文獻對照一定課題進行進一步深入的研究。文獻是先人的勞動果實，是可貴的文化遺產。但所有的文獻都受到時空的限制，在新的時空背景下可能會表現出這樣那樣的問題，這就為我們實施研究性學習帶來了課題。文獻研究模式就是將一定的成果事件放在當時的歷史背景下進行成敗得失研究，以認識其經驗和教訓，同時揭示當前關注的一些問題，或對未來進行預測，為現實社會服務的研究模式。只要是追根求源，追溯事物發展的軌跡，探究發展軌跡中某些規律性的東西，就可采用文獻研究法。其基本流程如圖4所示。

圖4 文獻研究模式基本流程

例如，在學習熱力學第一定律時“永動機的歷史和教訓”一題就采用的是該模式。

(4) 實驗或觀測模式。物理學是一門以實驗為基礎的學科，通過科學實驗或科學觀測來獲得數據和進行研究和學習，是物理學的最重要的研究方法。在大學物理教學中，理論課與實驗課往往是兩門課，這就要求我們對這兩門課進行合理的整合，增加設計性實驗，開放實驗室，為學生研究性學習提供方便。運用此類模式，關鍵是要控制好變量和條件，真實準確地記錄變量，以確保數據的可靠性，另外，學會誤差處理的技巧和方法。其基本流程如圖5所示。

圖5 實驗或觀測模式基本流程

(5) 調查研究模式。在社會調查和資料分析基礎上進行深入研究。一般可運用于有關社會性問題的研究課題。實際上，這一模式是由兩個步驟組成的，即先進行調查，再分析調查結果。要調查就要列出調查計劃和調查提綱，包括確定樣本的對象和數量、調查方法、設計調查文本和進行社會交際與開展具體調查等；要分析調查結果，就要甄別調查資料的真偽和價值程度，有的還需建立一定的數據庫，找到問題及其原因，研究并提出相應的對策等。其基本流程如圖6所示。

圖6 調查研究模式基本流程

例如，“甘肅的能源結構與可持續發展”“微波對人體的影響”等課題都可采用該模式。

(6) 理想模型和理想實驗研究模式。通過想象建立物理模型或理想實驗來進行帶技術性的物理研究。這種方法忽略復雜事物的次要因素，抓住主要矛盾，使人們便于找出事物發展和變化的規律。物理學中的理想模型一般分為3種類型：①實體理想模型，如質點、理想氣體、點光源、光滑平面、剛體、細線等；②系統理想模型，如保守力場系統、絕熱系統、簡諧振動系統等；③過程理想模型，如勻速直線運動、勻加速直線運動、勻速圓周運動、準靜態過程等。例如，“理想氣體內能的研究”可采用該方法。其基本流程如圖7所示。

圖7 理想模型和理想實驗研究模式基本流程

理想實驗又叫思想實驗，它是想象推理來完成的。理想實驗是建立在可靠的實驗基礎之上，但又不是直接用操作來實現的實驗，理想實驗是一種科學的抽象方法，盡管它不是直接演示物理現象，而是用想象來描繪實驗過程，但是有可靠的實驗基礎作保證，因此它的可靠性讓人深信不疑。愛因斯坦、玻爾等人擅長理想實驗，伽利略用理想實驗發現了慣性定律。其基本流程如圖8所示。

圖8 理想實驗基本流程

在整個物理教學中,采取傳統模式和研究性學習模式相結合的教學方式，對于能量有關的內容采用研究性學習方式，對其他內容采用傳統教學模式。在研究性學習中采用課內外相接合的方式，力圖打破課堂、課外教學的界限，實現課內外的有機結合。

3 結 語

我國基礎教育經過幾年的“研究性學習”實驗后，已經進入穩步推廣期。隨著去年提出的新型理工科建設，實驗教育教學又成為了改革的前沿。本文以目前實驗教學存在問題為背景，針對物理實驗課程提出改革方案，通過問題情境階段、實踐體驗階段和表達交流階段分別進行創新實踐。構建了類比研究、整體研究、文獻研究、實驗或觀測、調查研究、理想模型和理想實驗研究等6種模式，實踐效果表明：通過學習能夠實現課內外的有機結合。

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