基于先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐與探索

嚴(yán)家斌

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

長(zhǎng)期以來(lái)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)方法主要采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?其特點(diǎn)：(1)以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主,通過(guò)實(shí)驗(yàn)把理論知識(shí)事物化、數(shù)據(jù)化,并以圖或表的方式展現(xiàn)抽象的公式等理論知識(shí)；(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少,通常實(shí)驗(yàn)課時(shí)只占總課時(shí)1/6左右，任課教師往往僅安排經(jīng)典或重要的內(nèi)容供學(xué)生實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致學(xué)生難以全面、深入掌握課程內(nèi)容；(3)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室不像通識(shí)課程實(shí)驗(yàn)室有大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備供學(xué)生使用,實(shí)驗(yàn)空間和器材相對(duì)較少,在實(shí)驗(yàn)中通常需要分組進(jìn)行,導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)期間動(dòng)手少、觀摩多；按固定步驟的實(shí)驗(yàn)多、自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)少；對(duì)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)分析套用理論的多、自己主動(dòng)思考的少。

以上情況與培養(yǎng)學(xué)生的觀察、動(dòng)手、創(chuàng)新能力的初衷相去甚遠(yuǎn)。對(duì)此國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開(kāi)展多種模式的實(shí)踐與探索,如自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒1-3]、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒4-5]、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒6-7]等。自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵ǔＪ窃谠诮o定的實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)條件下,讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。主要通過(guò)構(gòu)建層次性主題式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式,把實(shí)驗(yàn)課程按內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和課外研究性實(shí)驗(yàn)4類(lèi),每類(lèi)又由若干個(gè)主題式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以詳細(xì)指導(dǎo)為主,對(duì)設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)則只講明方法與要求,具體實(shí)施由學(xué)生據(jù)實(shí)驗(yàn)條件自己獨(dú)立完成[1-3]。 可以使不同層次的學(xué)生在課余時(shí)間充分地利用實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn),自主思考,不僅獲得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,而且使實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的利用率也大大地提高。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞峭ㄟ^(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的空間、時(shí)間、管理和部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放,在完成正常教學(xué)任務(wù)的前提下,利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管理技術(shù)、指導(dǎo)教師、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等資源,面向在校學(xué)生開(kāi)放使用的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。目的是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,并在此過(guò)程中加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解、掌握新的實(shí)驗(yàn)技能,充分發(fā)揮學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性與主動(dòng)性[6-7],是在學(xué)生專業(yè)必修學(xué)習(xí)之外,在學(xué)有余力的條件下利用課余時(shí)間對(duì)自身創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的自我訓(xùn)練。

事實(shí)上，在課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,核心問(wèn)題是如何激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動(dòng)力。對(duì)理工科學(xué)生而言,專業(yè)課程的課堂學(xué)習(xí)往往涉及大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo),既枯燥又抽象。任課教師如果處理不好,學(xué)生往往是前幾節(jié)課學(xué)習(xí)興趣昂然,之后逐漸學(xué)得索然無(wú)味,甚至在課堂上堂而皇之地做課程不相關(guān)的事情。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣除了學(xué)生本身對(duì)本課程的愛(ài)好外,另一種方法就是遵循基本認(rèn)識(shí)規(guī)律,進(jìn)行外部促動(dòng)：先從感性認(rèn)識(shí)開(kāi)始,以實(shí)驗(yàn)過(guò)程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)、圖表等了解將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容、現(xiàn)象及存在的問(wèn)題,繼而引發(fā)繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力,然后在課堂的理論學(xué)習(xí)上提高學(xué)習(xí)效率。本文結(jié)合我校地球物理學(xué)專業(yè)的“電法勘探原理”課程特點(diǎn),闡述了近幾年來(lái)利用先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的探索與實(shí)踐過(guò)程與效果。

1 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的背景

近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者就如何結(jié)合學(xué)科發(fā)展、課程特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出學(xué)生易于接受、樂(lè)于接受的授課方式,以提高學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)探索精神、挖掘創(chuàng)新的潛質(zhì)進(jìn)行了多方面的探索。如研究型教學(xué)、開(kāi)放式教學(xué)、研討式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂[8-11]。主要從教學(xué)方式、教學(xué)手段等層面進(jìn)行探討,而很少涉及課程特點(diǎn)。地球物理專業(yè)課程有2大特點(diǎn),一是直白無(wú)味的描述性教學(xué)內(nèi)容,如地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、地震學(xué)、地電學(xué)等；二是邏輯推理性強(qiáng)，但又令學(xué)習(xí)者感到枯燥的理論公式,如地球物理場(chǎng)論、電法勘探、地震勘探、重力勘探、磁法勘探等。在這些課程中大篇幅的理論公式雖然是建立在看得見(jiàn)摸得著的地球本體上,但對(duì)初學(xué)者而言很疑惑,因?yàn)榭吹靡?jiàn)、摸得著的地球是每個(gè)地方都不一樣,如何能用統(tǒng)一的公式表達(dá)？這是初學(xué)者的困惑,也是授課的難點(diǎn)。地球物理課程的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)看得見(jiàn)摸得著的地球表面或斷面建立多種模型,以數(shù)值模擬或物理模擬的方式直觀地表現(xiàn)各種物理現(xiàn)象,因此設(shè)計(jì)了通過(guò)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)在課前了解學(xué)習(xí)內(nèi)容的教學(xué)方式,與翻轉(zhuǎn)課堂模式差別在于：翻轉(zhuǎn)課堂模式基本上由學(xué)生主導(dǎo)課堂教學(xué)過(guò)程,學(xué)生是課堂的中心,教師在課程中只起引導(dǎo)作用,而在先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中教師是教學(xué)的核心,教師可利用學(xué)生先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作為教學(xué)內(nèi)容的素材,并解答學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的疑惑。先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程如下：

(1) 課程開(kāi)始前1個(gè)月左右教師把教學(xué)教案下發(fā)給學(xué)生,同時(shí)列出相應(yīng)章節(jié)的實(shí)驗(yàn),為了實(shí)驗(yàn)室管理的方便,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按模塊化分類(lèi)[12]。

(2) 實(shí)驗(yàn)室課程開(kāi)始前半個(gè)月做好實(shí)驗(yàn)安排與準(zhǔn)備,同時(shí)學(xué)生根據(jù)各自的時(shí)間申請(qǐng)感興趣的實(shí)驗(yàn)或自已設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、器材等。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,把實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖表或數(shù)據(jù)或報(bào)告及實(shí)驗(yàn)中遇到或發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,提供給教師審查或作為課堂理論教學(xué)素材。

(4) 課程教學(xué)中,教授相應(yīng)章節(jié)時(shí)教師讓學(xué)生報(bào)告相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(為了鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)報(bào)告的興趣,可采取對(duì)課程平時(shí)成績(jī)加分的形式),分析實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題,針對(duì)典型問(wèn)題予以討論。

(5) 結(jié)合理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生重做相關(guān)實(shí)驗(yàn),安排好后續(xù)章節(jié)的單一實(shí)驗(yàn)或綜合實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的完善。

實(shí)施專業(yè)主干課程“電法勘探原理”的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件與平臺(tái)是關(guān)鍵因素,由于我校自2008年以來(lái)對(duì)應(yīng)用地球物理系的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境建設(shè)方面投入較少,實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅少而且老化比較嚴(yán)重,本科生在實(shí)施傳統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)往往要按10～15人一組開(kāi)展,每組1臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2012年,對(duì)地科09級(jí)本科生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较逻M(jìn)行的問(wèn)卷調(diào)查,“你對(duì)電法自主實(shí)驗(yàn)的環(huán)境滿意嗎？”的調(diào)查中(見(jiàn)圖1),收回問(wèn)卷69份,滿意50份、一般18份、不滿意1份。盡管滿意的比例達(dá)到73%,但考慮到學(xué)生的顧慮,這個(gè)比例并不高?！澳銓?duì)電法自主實(shí)驗(yàn)的儀器滿意嗎？”的調(diào)查中,不滿意的達(dá)14%(見(jiàn)圖2)；“你對(duì)電法自主實(shí)驗(yàn)的儀器性能滿意嗎？”的調(diào)查中,不滿意的高達(dá)55%(見(jiàn)圖3)。

在課程實(shí)施的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中,采用申請(qǐng)制,要求學(xué)生1人1臺(tái)設(shè)備獨(dú)立實(shí)驗(yàn)(最多不能超過(guò)3人1組),1周7天，全天開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,因此現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件難以滿足要求。為此課題組開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整合[12]與建設(shè)工作。2013年,自制了全空間電法實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái),該平臺(tái)可以進(jìn)行地表觀測(cè),也可進(jìn)行地下觀測(cè)；可開(kāi)展直流電法實(shí)驗(yàn),也可開(kāi)展激發(fā)極化實(shí)驗(yàn),還可進(jìn)行自然電場(chǎng)、充電法等實(shí)驗(yàn),有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題。2014年,利用本科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)購(gòu)置2臺(tái)設(shè)備、自制了電極。2015年,購(gòu)置和自制了8套水槽觀測(cè)模型，自制了一套簡(jiǎn)易的物性觀測(cè)裝置,進(jìn)一步完善了含浦大尺寸物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在多方努力下?shí)驗(yàn)環(huán)境與條件得到了提升,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣也大大提高。在后續(xù)的“你對(duì)開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)感興趣嗎？”調(diào)查中,選擇“有興趣”的58人,“沒(méi)興趣”的3人。在對(duì)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)實(shí)施的滿意度調(diào)查中,70%的學(xué)生表示滿意(見(jiàn)圖4)。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境滿意度調(diào)查

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿意度調(diào)查

圖3 實(shí)驗(yàn)室儀器性能滿意度調(diào)查

圖4 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)滿意度調(diào)查

3 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新熱情和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)

教學(xué)的目的不僅是書(shū)本知識(shí)的教授,更重要的是要促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、激發(fā)學(xué)生潛在的探索能力、強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神?！半姺碧皆怼闭n程先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用“學(xué)生先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)—理論講授/學(xué)生報(bào)告—課堂分析”對(duì)這些能力的培養(yǎng)進(jìn)行了訓(xùn)練。先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題的方法,課堂報(bào)告掌握了對(duì)問(wèn)題的合理表達(dá)方式和圖表、語(yǔ)言邏輯的靈活運(yùn)用,課外研學(xué)擴(kuò)展了理論知識(shí)的應(yīng)用。因此,在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中及課程結(jié)束后常常會(huì)引發(fā)一系列思考與創(chuàng)新活動(dòng)。在課程中學(xué)生也會(huì)自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證心中的疑問(wèn)。2012級(jí)某位學(xué)生提出在電法實(shí)驗(yàn)中為何供電電極要與測(cè)量電極平行,采用不平行觀測(cè)有影響嗎？因此設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)及課堂分析,得到滿意的結(jié)論。在問(wèn)卷調(diào)查中“開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中你嘗試過(guò)設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)嗎？”(見(jiàn)圖5),可以看到有近50%的學(xué)生有設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)的愿望。在另一項(xiàng)調(diào)查“如果在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程你有新的想法/思考需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證,你會(huì)立刻申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎？”,可以看到相當(dāng)高的比例有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)習(xí)中的問(wèn)題(見(jiàn)圖6),而這類(lèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)本科生而言是一種創(chuàng)新思維上的產(chǎn)物。學(xué)生不僅在課程學(xué)習(xí)中主動(dòng)性比較高,在后續(xù)的學(xué)習(xí)過(guò)程中也表現(xiàn)出較好的創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,積極地參與學(xué)校的本科生科技創(chuàng)新、自由探索項(xiàng)目的申報(bào),有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的訓(xùn)練和科研實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在學(xué)科競(jìng)賽中也取得優(yōu)異的成績(jī),如2015年由11級(jí)本科生組成的代表隊(duì)在全國(guó)地球物理知識(shí)競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中相互協(xié)作、操作有序、觀測(cè)仔細(xì),獲得第一,總成績(jī)獲全國(guó)第二的好成績(jī)。

圖5 設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)意愿調(diào)查表

圖6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證調(diào)查表

3 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐效果

專業(yè)課程先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的目的不僅僅是為了使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法與過(guò)程,更重要的是為了使學(xué)生深入地體會(huì)教材中理論知識(shí)背后的物理含義和進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)或探索的熱情。 “電法勘探原理”課程共48學(xué)時(shí),其中8個(gè)學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)課,由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多,儀器、實(shí)驗(yàn)空間有限,8學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,因此以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示性成份更多些,這就造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致對(duì)地球物理現(xiàn)象的理解困難,形成“電法勘探原理”這門(mén)課程難學(xué)、甚至厭學(xué)。而在先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式中,實(shí)驗(yàn)室24 h對(duì)學(xué)生開(kāi)放,學(xué)生自主安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容。為了使學(xué)生能充分地實(shí)驗(yàn),避免實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)器材上的沖突,實(shí)驗(yàn)采用申請(qǐng)制,申請(qǐng)后由實(shí)驗(yàn)室管理人員安排設(shè)備。從實(shí)施效果看,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性增加、主動(dòng)性增強(qiáng),主動(dòng)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)逐年增加,學(xué)生主動(dòng)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)平均每人達(dá)10次(每次1～3 h)以上,在2016年的統(tǒng)計(jì)中最少申請(qǐng)了7次,最多申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)15次。同時(shí)課堂出勤率增加、遲到減少,并有占座位現(xiàn)象；由于有先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)作基礎(chǔ),課堂氣氛活躍、互動(dòng)增多。從問(wèn)卷調(diào)查中也可看到(見(jiàn)圖7),學(xué)生對(duì)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)有興趣的占絕大多數(shù),認(rèn)為對(duì)課程學(xué)習(xí)有很大幫助占91%(見(jiàn)圖8)。

圖7 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)興趣調(diào)查

圖8 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)對(duì)課程學(xué)習(xí)影響調(diào)查

4 結(jié)語(yǔ)

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)課程教學(xué)的重要組成部分,是深入理解和應(yīng)用課程理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)的重要途徑,也是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不可缺少的環(huán)節(jié),然而就課程教學(xué)本身來(lái)說(shuō),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率是任課教師的首要問(wèn)題,在對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)品質(zhì)的調(diào)查中(見(jiàn)圖9)發(fā)現(xiàn),學(xué)生上課注意力不集中的原因主要有：一是教師講得快占58%,二是對(duì)課程的興趣占14%。對(duì)前一點(diǎn)仔細(xì)分析與了解得知,教師的講課速度并不快,主要是開(kāi)課初期學(xué)生沒(méi)有認(rèn)真學(xué)習(xí),造成對(duì)課程內(nèi)容半生不熟,那么在后續(xù)的課程講授中如果教師不回顧前面的基礎(chǔ),學(xué)生就會(huì)弄不明白原理而感覺(jué)教師講課快。因此在課程教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中,讓學(xué)生適當(dāng)參與到教學(xué)過(guò)程中,提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)節(jié)課堂氣氛,依據(jù)課程特點(diǎn)嘗試讓學(xué)生先做實(shí)驗(yàn),事先主要了解課程內(nèi)容,對(duì)課程中描繪的現(xiàn)象在總體上有一個(gè)感情認(rèn)識(shí),進(jìn)而引發(fā)探索,通過(guò)近5年的實(shí)踐與探索,這種教學(xué)方法達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 課堂上注意力不集中原因調(diào)查