基于物理實驗欣賞課程的教學改革探索與實踐*

魏 環 薄惠豐

(華北理工大學理學院 河北 唐山 063210)

中科院《2007科學發展報告》中提出：“……在國民科學素質的培養中，基礎科學教育，包括物理教育具有其獨特的地位.求新、求美、求真、良好的科學氣質，是物理學對于人文精神的貢獻.物理學不但作為一門學科知識推動了社會前進，更作為一種人文的大科學引領了公民素質的提高.”隨著國家對高素質創新人才的重視和需求的增加，大學物理作為一門重要的科學素質教育課程，受到了更多教育工作者的關注.我國高校物理教學改革開展了20余年，但更多針對的是教學內容、教學手段與教育技術的現代化，由于對課堂教學的改革探索既涉及教學理論又涉及學習理論，既涉及教師更關乎學生，因此，國內各高校對大學物理課堂教學的改革依舊處在探索與實踐研究的階段.

1 物理教學中的問題與教學改革的方向和目標

1.1 “教”的問題

理想的課堂教學過程應該是一個有目的、有設計、由教師與學生協同完成的教學活動.我國傳統的物理教學模式主要采用講授式教學模式：教師依照教學大綱和主干教材先行組織和設計課堂教學內容，在課堂上教師講學生聽.教師是課堂教學的決策者和單向講授者，學生則是傾聽者.在缺乏互動與討論環節的課堂上，學生往往成為被動、機械的學習角色[1].認知心理學表明，任何學習過程都需要學習者主動思考的環節，缺乏學習者主動參與的課堂教學是難以取得預期的教學效果的.因此，這種傳統的教學模式受到了許多人的質疑.

通過簡化與抽象使生活中的某個原始問題成為一個科學問題，是進行科學分析與研究的第一步，這種建模能力是創新能力的重要組成部分.我國傳統物理教學的特點是注重理論的邏輯推演和物理原理在虛構情景中的運用，疏于對學生處理原始問題以及建模能力的訓練，許多學生會考試但在遇到實際問題時卻往往表現得不知所措.因此，物理教學在學生的能力培養上所發揮的作用也受到了質疑.

1.2 “學”的問題

自主學習能力差是普通高校學生中普遍存在的問題.毋庸諱言，我國的高中物理教育帶有很大的功利性.高中物理課時充裕，教學內容較為基本和簡單，為了參加高考，教師帶領學生將簡單而基本的內容反復練習，學生為此做了大量習題，這種做法使學生習慣了灌輸式的教學方式，養成了學生對教師的依賴性.這種依賴性使得他們進入大學后感到諸多的不適應：不適應每節課超大的信息量，不適應教師提綱攜領的授課方式，不適應沒有了老師的鞭策和管理的學習氛圍，不適應自主學習的學習方式，找不到屬于自己的學習方法……，這讓一些學生產生了挫敗感.另外，大學物理與高中物理存在著很多差異：不同的教學目標，不同的教學理念，不同的教學起點，不同的考核項目與標準等等.這些差異的存在，均需要學生在大學階段調整學習視角、轉變學習方式.

1.3 教學改革的方向與目標

教學改革的原則應該是“揚長補短”，抓住存在的問題方知“短”在何處，方能確立教學改革的方向，找到改革的切入點.“補短”即為改革的目標.

“講授式”作為課堂教學的基本教學模式，不是學生機械被動學習的癥結所在.美國認知教育心理學家奧蘇貝爾指出，講授式教學模式對學生的學習過程而言是接受學習，但是接受學習不是機械被動學習的同義：在學生具有了吸收新知識的心理準備，同時又具備了適當的知識基礎的條件下，接受學習同樣可以是主動的和有意義的[2].因此，基于奧蘇貝爾的有意義言語學習理論，采取“激發學生的求知欲、使學生進入積極主動的學習狀態；增加課堂互動與討論的教學環節，甚至翻轉課堂，使學生作為主體真正參與到教學活動中”的教學方式，是取得良好教學效果和學習效果的正確途徑[3].

缺乏對學生建模能力的培養是物理教學中的一個短板；而“從理論到理論，讓學生在理想與虛構的情景中運用理論”的傳統教學方式則是對感性認識在認知過程中重要性的忽視，也同樣是需要糾正的短板.因此，“加強學生在學習過程中的感性認識經驗，加強對學生的抽象能力與建模能力的訓練與培養”應作為物理教學改革與研究的目標.

大學教師的教學工作不僅僅是傳授知識，還要培養學生獨立獲取知識和解決問題的能力.因此，針對學生自主學習能力差的問題，如何引導學生養成自主學習的習慣、發展獨立思考的能力，學會學習，成為無師自通的人，同樣也是物理教學需要探索實踐的內容.

2 基于物理實驗欣賞課程的教學改革

2.1 設置物理實驗欣賞課程的初衷與目的

物理學科有其自身的特點，它是一門嚴格意義上的實驗科學，具備實證性與可重復性是科學方法論對物理科學的基本要求，也是物理學的基本特征.與理論課程相比，物理實驗課程能夠更為集中地展示科學的理性精神，更好地促進學生對科學本質的理解與認識.因此，物理理論課程與實驗課程如同物理教學的右手與左手，二者相互配合，更加有助于物理課程教學目標的實現.進行課堂演示實驗是一種生動、直觀的教學方式，有助于學生在感性認識基礎上去領悟物理原理及概念.但是，在教學內容體量大而教學學時卻一再被壓縮的情況下，如何踐行上述教學設計思想?我們的做法是，通過設置公共選修課程來拓展教學空間.為此，自2008年開始，大學物理教學部依托我校的物理演示實驗室，開設了面向全校學生的公共選修課程，課程名稱確定為“物理實驗欣賞”.

物理實驗欣賞是以物理演示實驗為教學內容的課程，包括力學、熱學、聲學、光學、電磁學及近代物理6個部分.提到“欣賞”二字，許多人想到的可能是詩畫藝術；提到“物理”二字，想到的可能就是深奧的理論和繁瑣的數學公式了，作為自然科學基礎的物理實驗只討論物體運動的規律，何談對它的欣賞呢?的確，物理學是表達自然的實證科學，數學方程是它通用的表達手段.但在復雜的數學方程背后，物理學具有它獨有的“真”、獨有的“美”，而這種美只有懂得它的語言的人才能欣賞和體會到.因此，科學家是表現宇宙真實存在的藝術家，科學也是可以欣賞的[4].基于此，我們利用物理演示實驗具有“表觀現象多姿多彩、生動有趣且又極具物理內涵”的特點，通過這門課程為各個專業的學生搭建了兼具趣味與求知雙重功能的物理實驗平臺.希望通過這門課程，實現以下教學目標：

(1)為學生提供觸摸科學的機會，讓學生體驗發現的快樂，感受理論與實踐相結合的魅力，使學生體驗基于證據的學習方式，彌補學生在認知過程中感性經驗的欠缺.

(2)為學生提供理論與實驗緊密結合的物理課程，改變以往的物理教學從書本到書本的枯燥，使物理問題、理論和知識由抽象、艱澀難懂變得生動具體、通俗易懂.

(3)通過提供有趣的物理現象、提出疑問、追問原理、個人講解的教學程序與方式，打開并引導學生進入自主學習的通道.

(4)通過采用翻轉課堂的教學模式，為學生創造參與討論、主動學習的環境與條件，促使學生在學習過程中轉換角色，變被動為主動.

2.2 在師生的交流互動中將課堂“翻轉”的教學模式

翻轉課堂(Inverted classroom)這種教學模式的實質在于重新調整課堂內外的時間，將學習的主動權交給學生，而實驗課的教學過程及環節恰恰具備了上述要素，實驗課是天生的“翻轉課堂”.因此，物理實驗欣賞課程在采用了小班授課的同時，還采用了“翻轉課堂”這種教學模式，即課程針對力學、熱學、聲學、光學、電磁學及近代物理各部分的實驗均采用了“于現象中尋找規律；理在其中；理在身邊”這樣3個教學環節.

第一個環節“于現象中尋找規律”，是讓學生在教師指導下通過自己動手操作與觀察實驗現象，來發現其中的因果規律，教師針對具體實驗現象會提出若干問題，作為留給學生的作業，要求學生課下查找答案.例如針對電磁驅動效應的實驗，教師追問的問題是：為什么磁鐵能夠帶動導體旋轉?為何二者總是同向旋轉?導體與磁鐵能否同步旋轉?此類現象的應用有哪些?

第二個環節“理在其中”，是讓每個學生根據自己課下查閱的資料與自主學習的結果，在課堂上輪流發言，對指定的實驗現象應用物理原理為大家進行分析和講解，其他同學可以補充解釋,也可以隨時提出疑問或指出錯誤.教師會在聽取了大家的發言后做出總結，對發言中存在的錯誤予以糾正并給出正確的理論分析.

第三個環節“理在身邊”，是教師引導大家深入交流討論，尋找和列舉實驗現象中涉及的物理原理在生活中的其他應用(仍以電磁驅動效應為例，教師在這一環節將帶領大家認識異步電動機的工作原理、直線電動機的工作原理以及磁懸浮列車的驅動力、航母戰斗機的電磁彈射原理等等)，以達到“普及基本原理，開闊學生視野”的教學目的.

可見，教師在課程教學中發揮著組織與引導的作用：對交流互動環節進行組織、引導、答疑解惑，與學生協作探究，共同完成討論交流環節.

對學習者而言，興趣是最好的老師.“翻轉課堂”這種模式，為學生創造了參與討論、主動學習的環境與條件，提供了自主學習的機會，提供了基于證據的學習方式；課堂討論環節，要求人人發言，這對激勵學生獨立思考、增強自信非常有效；在討論式的學習方式中，每個人都將聽到不同的觀點和陳述，都需要經過批判性的思維過程完成對自我及他人觀點的肯定或否定，因此，討論式的學習方式還有助于培養學生的發散性思維和批判性思維.

3 教學效果

2011年起，任課教師每年都會要求選課的學生在課程結束后寫一份關于課程的體會、感想和建議，以便改進教學，使課程的教學安排更加符合學生的需求.從學生提交的文字看，大家對這門課程給予了肯定和很高的評價，歸納為以下3點：

第一，這種以演示實驗為依托的教學方式使知識通俗易懂，又使學習不那么枯燥；

第二，這個課堂讓學生感受到了理論與實踐的統一，培養了學生的耐心與信心；

第三，這門課程使學生由被動學習變為主動學習，從中獲得了很多從其他地方學不到的知識.

在這里引用幾位學生的原文：

(1)每一次的交流討論環節，總有不同思維的碰撞，在討論中使思維發散，使問題層層深入.在這樣的討論中得出的結論一方面不局限于實驗本身，另一方面又使人印象深刻，不易忘記；

(2)本以為只是一般的選修課……真正上課后，看到那些神奇的現象時，我發現我喜歡上這門課了！第二次課，物理原理的討論，我們自己講，彼此交流，我們動腦、思考，老師循循引導，這讓我感觸更深刻，這是我以前上課時所沒有體會到的，也許這才是大學教學中應該用到的方法，它讓學生參與其中，感受到了科學的魅力，讓我有了一種激情，一種渴望感，這是我上學以來所沒有遇到的，那是一種快樂、一種學習知識時的獨特感受，這是最大的收獲.

(3)老師耐心的教導，使我們感到溫暖，老師如同和自己的親朋好友討論問題一樣，這使我有了自信，敢于質疑，提出自己的想法；這門課給予了同學成長的舞臺，我們能夠充分地展現自己，同學互相了解、互相交流，體現了合作精神，每個同學都能參與，大家共同努力，最終獲得滿意的答案，它不僅僅是一門欣賞課，它讓我們了解了現象的原委.

(4)很欣賞老師們的授課方法，在自然科學的教學中，能讓學生自己動手，通過查資料、提問、思考、學生講課的方式加深學生的理解，培養主動獲取知識的能力，這種方法很新穎.學生顯然不適應這種教學方式，但好的方法需要推廣，如果學生能夠適應這一形式，課堂一定會變得生動有趣，也更有利于培養學生的綜合能力.

由此可見，“翻轉課堂”這樣的教學模式已經不僅僅是教師單方面的改革與設計了，它已經成為了學生期待的改革.

10年來，選修物理實驗欣賞課程的不僅有我校理工科各個專業的學生，更有經濟、管理、藝術、臨床、中西醫等文科與醫科的喜愛物理學的許多學生.這門課程不僅滿足了他們繼續了解物理學的愿望，而且由于課程中展現的物理現象直觀生動、道理相對通俗易懂、教學形式靈活親切、話題貼近生活，因此，他們同樣對這門課程給予了很高的評價.

經過10年的教學實踐，我們不僅構建并編寫完成了以普及物理、欣賞物理為特色的課程教學講義，形成了以“翻轉課堂”為基本形式的教學運轉模式，收集整理了師生互動交流環節所需的教學素材和預案，同時還培養帶動了一批年輕教師加入到教學研究的團隊中.

4 結束語

以物理知識為載體、以培養學生的科學素質為目標的大學物理課程，無法使外界在學生身上看到它立竿見影的效果，但是它在人才培養方面的重要性是不容置疑的.

本文介紹了我們針對傳統課堂教學模式下存在的“教與學”的問題，以揚長補短為原則,以“培養學生的自主學習能力、獨立思考和判斷的能力,最終學會學習”為教學改革的目標,以改革傳統的課堂教學模式為切入點,以我校開設的“物理實驗欣賞”課程為平臺所進行的教學改革與實踐，并對教學改革所獲得的經驗進行了總結.

教學研究即是科學研究.對一種全新教學模式的探究絕非一朝一夕之事，它不僅需要教師以科學的態度在教育教學的理論高度上潛心研究，更需要教師在課堂教學中反復實踐不斷摸索，因此，教學研究過程不容浮躁，更不容急功近利.我們以10年的潛心努力，精心培育一門面向文理工醫各個專業的公共選修課程，實踐證明，這門課程不僅獲得了廣大學生的歡迎與真誠的贊譽，也引起了許多同行的興趣和關注.本文對此次教學改革經驗所做出的總結，希望能夠為廣大同行提供值得借鑒的內容.