基于研究性學習理念的大學物理實驗教學模式探討*

楊 帆 宋建民 劉書華

(河北農業大學理學院 河北 保定 071001)

教育部2018年召開的全國高等學校本科教育工作會議提出了高等教育要堅持“以本為本”“四個回歸”的方針，強調了本科教育是大學的根和本，把本科教育放在了人才培養的戰略核心地位.大學物理實驗是高等學校本科階段的重要基礎課之一，是理工農醫類本科生進入大學后最先接觸的實驗課，是其接受系統的實驗理論、實驗技能和方法訓練的開端，在培養學生創新思維、實踐能力、科學素養和實事求是的科學態度等方面具有非常重要的作用.然而，當下大學物理實驗課教學仍存在一些問題，主要有：(1)實驗教學中大多還是教師先講原理和步驟, 然后學生“照方抓藥”進行操作，不利于學生自主學習能力、創新能力的提高.(2)由于課堂時間有限，課堂上學生忙于完成實驗，不能對實驗現象和實驗過程進行更仔細深入的探究.(3)實驗課堂模式單調，缺乏互動，學生學習興趣不濃.(4)成績評定主要看報告和實驗數據結果，成績不能體現對綜合實驗能力和實驗收獲的評價[1].諸如上述問題的存在，限制了大學物理實驗在人才培養中作用的發揮.近年來國內外大學物理實驗教學改革一直沒有間斷，更新教學理念，實施了MOOC和SPOC翻轉課堂等教學方法手段[2]，這些都為教學質量的提高起到了積極作用，但仍有諸多方面需要改進提高.比如；改革大多是關注如何教，對學生如何學關注不足；重視知識講授，對培養學生學習能力、研究能力、創新能力關注不足；針對以上問題，如何突出物理學的思維方法，體現物理學的應用價值，更好地發揮物理課在人才培養中的作用，如何提高學生學習興趣，提高學習能力、創新能力和可持續發展能力，都是值得進一步探討的重要課題.本工作將研究性學習教學理念應用于大學物理實驗課教學，以學生為主體，教師為指導，讓學生在研究中學習，在學習中找到方向去進一步研究開拓，提高學生自主學習能力、創新能力和綜合素質，取得了良好的教學效果.

1 改革思路

研究性學習是指在教師的指導下，讓學生以科學研究的方式，主動獲取知識，從而提高其發現問題、分析問題和解決問題等能力的一種教學模式.大學物理實驗一般都是小班上課，是一種基于項目的學習，實驗強調任務驅動和學生間的合作交流，而研究性學習教學模式的特點是自主性、探究性、過程性以及實踐性，這與大學物理實驗教學的目標是非常一致的.因此，研究性教學模式非常適用于大學物理實驗的日常教學[3].

將研究型學習理念應用于大學物理實驗教學中，首先要轉變思路，要從知識傳授型向能力培養型課堂轉變，始終貫徹以學生為主體，教師為主導的教學理念，明確實驗課的主角是學生，教師只是組織者、指導者和幫助者，實驗課的目的主要是培養學生的思維能力、分析問題、解決問題的能力，而不是僅僅讓學生完成課堂實驗內容.教師要引導學生將每一次實驗當作一項研究活動，使學生在每一階段都要主動學習，主動探究，經歷探索和發現規律的研究過程，在研究中學到知識，在學習中培養能力，獲得知識和能力雙收獲[4].

2 教學設計

首先，優化大學物理實驗內容，以實驗方法為主線，以懂原理、會操作、知應用為目標，兼顧力學、熱學、電磁學、光學、近代物理學內容，對實驗項目進行了統籌分析和優化，去掉了靜電場描繪和計數器等驗證性實驗；新增了電子秤設計和指針式溫度計設計等設計性實驗項目，減少了驗證性實驗，增加了設計性實驗比例，還增加了課外拓展實驗環節，加強對學生設計創新能力的培養.

建立了大學物理實驗學習平臺，網站涵蓋了我校大學物理實驗開設的全部實驗項目，每個項目都包括以下6個方面的內容：(1)預習導讀，引導學生有的放矢地預習.(2)實驗講解及操作視頻、PPT、實驗文本資料,學生通過觀看視頻，如同身臨其境做了一遍實驗,使學生提前熟悉實驗的操作，課堂上則有更多時間動手操作，觀察實驗現象，分析物理成因.(3)預習測試題，供學生自測預習效果.預習題緊扣實驗內容，只要預習題過關，實驗內容就基本已經掌握.(4)思考題，供學生課后完成.(5)課外拓展題，為學生進行課外拓展研究提供方向.(6)實驗報告模板.另外，網站還包括實驗基礎知識庫，比如誤差理論、有效數字運算、數據處理方法、物理實驗方法等物理實驗基礎知識.編制了實驗儀器庫，包括一些常用儀器的圖片，使用方法，注意事項，較復雜的實驗儀器配有操作視頻，網站的建立為學生自主研究性學習提供了有利的支持.

將大學物理實驗教學分為課前引導、實驗操作、課堂交流、撰寫報告、課后拓展研究5個階段.在教學過程中實行線上線下有機融合，課堂教學以實際操作實驗為主.配合啟發式、對比式、聯想式、討論式、探究式教學法，每一個階段都激勵學生的研究性學習熱情.

課前引導階段：給學生布置課前預習問題，引導學生結合網絡平臺和實驗教材，研究學習實驗要做什么、用什么儀器、怎么做、為什么這么做等問題，通過學習平臺自主進行預習測試，90分以上者可以進入實驗室進行操作，鍛煉學生自學能力.

實驗操作階段：由于學生通過預習對原理等基本內容已經掌握，因此，教師不再重述原理和步驟，只介紹實驗背景和現實應用，提高學生學習熱情，對于實驗內容和實驗原理、注意事項等問題進行翻轉課堂教學，讓學生講解，教師補充.在實驗過程中，學生要研究實驗方法，實驗過程、實驗現象，實驗結論.對學生實驗過程中出現的問題，教師不要急于糾正，讓學生自我研究、自我發現、自己糾正，必要時教師可以啟發學生分析、思考、得出結論，讓學生體驗研究的推理分析過程，體驗解決問題后的成功和快樂.教師要課堂巡視，對學生的實驗表現和實驗過程中出現的問題進行記錄、思考、歸納.

課堂交流階段：學生都做完實驗后，進入交流階段.首先小組內(4～5人)進行討論，然后推舉代表，進行全班交流.代表要求輪流制，鍛煉學生在公眾前表達和展示自己的能力.討論的問題根據實驗內容而定.可以是學生實驗過程中遇到的問題、解決方法、實驗現象的分析解釋(比如,如果電位差計測量電動勢實驗的校準過程中，檢流計指針始終偏向一側而無法指零，會有哪些可能的原因等)，也可以是對某一個實驗的擴展及應用探討(比如，牛頓環實驗測量透鏡的曲率半徑實驗中，可以讓學生討論，如何利用等厚干涉測量液體的折射率等).通過討論交流，學生們研究和分享在實驗中遇到的困難和解決問題的思路和過程，分享自己的收獲和體會， 鍛煉學生們的分析探究能力和團隊合作精神[5].

撰寫報告階段：撰寫實驗報告是實驗課的一個重要內容，是加深學生對知識的認識和理解,從被動學習轉為主動探索，并能培養其綜合分析能力和提高表達能力的一個重要階段，為了與研究性學習模式相適應，我們建立了新的實驗報告模版.其中實驗目的、實驗儀器利用填空的方式，實驗原理給定字數限制，要求用自己的語言簡明闡述，包括必要的公式或示意圖，鍛煉學生們的總結概況能力.新實驗報告模版還添加了新的項目“實驗反思”，主要包括：(1)實驗中遇到了哪些困難，你是如何解決的.(2)實驗中發現了哪些未料想到的實驗現象，試分析其產生原因.(3)簡要總結實驗收獲、心得或體會.這樣的實驗報告模式，學生不能只抄講義，而是需要通過研究、分析、總結才能完成，與經典實驗報告模式相比更能促進學生進行研究性學習，提高分析問題、解決問題的能力，更能反映學生真實的實驗能力和研究性學習的收獲.

拓展研究階段：本階段在課外進行，以題目的方式為學生自主拓展學習指出方向與思路.學生根據教師提供的拓展題目或方向(學生也可以自己選題)進行進一步研究學習，提交研究報告.報告可以是對實驗相關理論進一步探討，也可以是對實驗方法的改進，也可以是對實驗內容的現實應用.進行實驗理論拓展研究的要提供詳細的研究報告；進行新實驗設計或對已有實驗拓展改進的項目需要提供完整的設計方案和實驗數據.課外拓展項目不要過多，每學期一至兩個即可.

3 改革實驗成績評價體系

學生實驗成績的考核和評價是實驗教學的重要組成部分，為此制定了跟蹤實驗全過程的成績評價體系，力求比較準確反映真實的學生實驗能力和水平，并能激勵學生學習熱情[6].不但把預習、操作、實驗報告納入考核指標，也將研究學習能力、分析問題能力、創新能力考慮在內.細化了評分標準，督促和激勵學生認真做好每一個學習環節.實驗成績(滿分100分)=課內實驗成績×90%+拓展實驗成績×10%.課內實驗成績：包括預習10分，由網上學習平臺預習答題直接給出；實驗過程50分，其中，正確使用儀器完成測量10分，發現問題自行解決10分，正確列表如實記錄實驗數據10分，實驗數據在合理范圍內(包括有效數字正確，單位正確)10分，積極參與討論交流5分，實驗結束后規整復原實驗儀器5分；實驗報告40分，其中，實驗報告的完整規范性10分，正確處理實驗數據得出結果、正確表達、圖示實驗結果10分，討論實驗結果、完成誤差分析10分，反思與思考10分.拓展實驗成績由課外拓展研究報告評定，根據報告撰寫的深度、廣度、理論表達、實驗方案的科學性、實驗設計的可操作性等方面給分.

4 實施效果

通過兩個周期的教學實踐，教學效果明顯提高.主要表現在：(1)通過研究性學習教學模式，利用我們的大學物理實驗網絡教學平臺，線上線下有機融合，將通識簡單知識線上自主進行，線下更多的時間留給了自主實驗操作和課堂討論，激發學生去發現問題，思考問題，解決問題的主動性，教學效果大大提高.(2)隨著學生自主學習、自主研究能力的提高，看著講義“照方抓藥”做實驗的現象基本消滅，儀器損壞率降低.(3)課堂操作中，學生問“怎么做”的少了，問“為什么”的多了，提高了學生發現問題、解決問題的能力.(4)新實驗報告模板使用，使學生在撰寫實驗報告過程中，通過對實驗的反思，對實驗現象的解釋，不但更加深入理解實驗原理，而且鍛煉學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力.(5)跟蹤全過程的成績評定方法，更加促進了學生踏踏實實進行每一步鍛煉的主動性.

5 結束語

本工作將研究性學習理念運用于大學物理實驗教學，在教學過程的每一階段，都以學生為主角，教師為指導，引導學生自主進行學習、研究、交流，體驗研究過程，培養其學習能力和開拓創新能力.在如今這個知識更新日益加快的時代，終身學習能力顯得尤為重要，培養能力比傳授知識更重要.實踐表明，研究性學習教學模式可以有效培養學生的自主學習能力、分析解決問題的能力、創新能力，因此，這種教學模式在人才培養中將發揮越來越重要的作用.