思政教學結合同伴教學法融入大學物理實驗的探索

陳 峻，朱道云，龐 瑋，吳 肖，唐 靚

(1.廣東工業大學 實驗教學部，廣東 廣州 510006；2.廣東工業大學 通識教育中心，廣東 廣州 510006)

2016年12月8日，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調：“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，努力開創我國高等教育事業發展新局面”[1].

大學生進入大學之后的第一門正規的基礎實驗課程就是大學物理實驗，這門課也是我校面對全校幾乎所有專業學生開設的一門基礎課.物理實驗學是自然科學的一個重要基礎,許多現代科學的新興技術都是伴隨著這個基礎的不斷積累、推陳出新而發展壯大起來的.我國高等院校基礎教學的一個重要組成就是大學物理實驗課程,理工科甚至部分文課學生進入大學后最開始接觸到的必修實驗課程一般都是大學物理基礎實驗課程，因而對學生后續要學習的專業課程的都具有非常重要的引導和鋪墊作用,尤其是基礎實驗課程中的實驗思想、實驗操作基本方法、實驗設計能力的培養是鍛煉學生科學實驗素養和創新能力的一個重要基礎.這些都與當下強調的“思政教育”密不可分的.很難想象一個不具備遠大理想和抱負、不具備未來社會建設的中堅力量的理念、不具備馬克思辯證思維方法、沒有被歷史偉人的感人事跡激勵過的年輕人在未來對我們社會能有多大的貢獻，如何去承擔我們社會主義建設接班人的角色.

因此，習總書記提出的“各類課程與思想政治理論課同向而行，形成協同效應”是非常必要和及時的.這就要求我們在大學基礎物理實驗課程的教學中除了實驗知識的教授外，還要不斷拓展實驗中所延伸到的精神思想、道德情感，通過教授的實驗教學內容與之融合，從而有效的在思政教學上引導學生.

1 同伴教學法(Peer Instruction)簡介

哈佛大學著名教授埃里克·馬祖爾(Eric Mazur)創立的同伴教學方法(Peer Instruction，簡稱PI)，將傳統的灌輸式授課課堂變為了探索若干主題問題為導向的學生自主學習和學生小組的團隊合作學習方式.PI教學法的教學主體由老師轉變為學生，而老師的主要作用變為主導和引導，鼓勵學生合作學習，注重培養學生的批判性思維.在課堂上，教師的主要任務是講解課程的重點和難點，營造對主題問題互動討論的過程，注重激發學生的學習熱情、引導學生的探索精神.

埃里克·馬祖爾最早將PI教學法應用于哈佛大學的物理類課程中，其相關研究工作持續十年之久,美國國家科學基金對他的研究工作給予了3次資助,其研究論文已發表在Science上[2],埃里克·馬祖爾的PI教學法吸引了全世界各國教育者的眼球[3,4].同伴教學法特別適用于大范圍的基礎性實驗課程教學，在實驗教學過程中可以把學生分為若干小組，以小組團隊為單位實施教學會獲得更好的教學成效.我校在大學物理實驗等基礎實驗課程中相繼開展PI教學法改革嘗試，具有豐富的PI教改經驗，也取得了一定的教改成果[5].

2 思政教學結合同伴教學法的設計

思政教學如何融入基礎實驗教學一直是一個改革的難點，由于實驗教學的特殊性，通常包含較少的講授時間、較多的學生自主實驗時間和教師指導時間，因而思政教學不能像一般的理論課教學一樣貫穿.經過多年的同伴教學法的教學改革嘗試，課題組對于同伴教學的基于問題的分組討論教學方式應用于基礎物理實驗教學有豐富的經驗，而把思政教學內容作為主題討論點切入同伴教學法之中將能發揮出較好的教學效果.

標準的PI教學過程的實施包括講義準備、課堂PI環節、量化考核等幾個主要過程，如圖1所示.將思政教學逐步融入其中，做到“潤物細無聲”，教學目標的總體設計是教學的關鍵因素之一，由于在課堂中教師需要完全以問題的方式來引導學生進行思考和學習，擺脫對原講義的使用和依賴.為了幫助學生進行有效預習，現有教材無論從內容還是從編排上均存在弊端，筆者以講義形式對實驗內容進行新的編排組織.編排講義過程中將注重把思政教學相關內容融入其中，將思政素養、人文素養、職業素養滲透其中.

圖1 思政教學結合同伴教學流程

未來社會主義建設的中堅力量和接班人將是現在的青年學生，幫助學生樹立遠大理想，立志成為對社會發展有貢獻的社會主義新人.引導學生腳踏實地掌握實驗技能是實現理想的前提條件.教學目標的設計上需要能夠給予學生的人生觀、價值觀和職業觀有正確的導向作用，把專業技能的培養和個人理想信念、社會責任感鏈接成一個有機的整體.例如在《用分光計測定光柵常數》實驗課中，把郭守敬望遠鏡相關內容引入其中，郭守敬是中國古代著名的科學家，在天文學、數學等方面有突出貢獻，我國在2019年建成的具有世界領先地位的千萬量級的巡天望遠鏡LAMOST就是以郭守敬命名，而郭守敬望遠鏡的分光物理原理和分光計實驗課中的光柵分光原理是相同的，如圖2所示.這就將人文歷史和道德情操引入實驗教學的課堂之中.

圖2 郭守敬和郭守敬望遠鏡教學PPT示例

3 思政教學結合同伴教學法的教學運用

PI教學體系的課堂教學最重要的特點就是擺脫講義，教師根據課程內容設計出相應的PI問題，利用問題做引導，帶領學生通過分組討論，對問題進行思考、解答，并從中激發學習興趣、習得思考方式、形成學習方法，所以PI問題的設計和實施是教學核心所在.

3.1 PI問題設計

PI問題的設計是關鍵之一.主題問題需要緊密結合課程的主體，重點是能夠闡述清楚物理原理、圖像和方法，并引導學生進行深入思考.筆者把思政元素嵌入到討論的主題之中，形成若干個關鍵問題.設計上著重把以下兩個思政點嵌入PI問題之中：1) 從歷史發展的角度闡述實驗學的發展歷程，探討科技進步離不開對原有知識的積累與更新.引經據典，借助歷史名人的典型事例進行教學，闡述實驗學對歷屆諾貝爾獎獲得者的研究所發揮的重要作用，并從歷史范例中逐步說明事物發展的軌跡和變化規律，引導學生用發展的眼光看待問題、分析問題和解決問題，并培養學生的科學思維方法.2) 將馬克思主義和唯物辯證法的方法應用到實驗科學之中，任何科技的變革，都是在不斷的修正與進步之中完成.教會學生不能以固有的思維模式思考問題，而應該運用辯證法來分析每一種實驗方法及儀器結構的優缺點.遇到問題，都應該嘗試用馬克思辯證法處理.

3.2 PI問題的使用

在課堂教學中，通過某個現象或概念引入第一個PI問題，然后學生對此問題展開分組討論，分組一般以自由組合方式進行，每組不超過4個人.學生討論過程中，教師和助教主動巡視全場，聽取或參與部分組的討論，并根據學生的討論及時把握討論的方向.每位學生在上課前都會分得一組代表不同選項的色卡(或采用雨課堂等具有統計功能的教學軟件)，討論時間截止后，要求每位學生根據剛才討論的結果選擇作答.教師和助教統計答案分布，將此信息反饋給學生，并對學生講解此問題的思考、解答方式，通過不同的選項結果逐步引導學生完成較高質量的思政教學.

以“用分光計測定光柵常數”實驗課程為例，筆者設計了一組相關PI問題，包括了郭守敬望遠鏡的施密特反射式望遠鏡的光柵分光原理問題，以及天文望遠鏡和射電望遠鏡的區別等關鍵問題，如圖3所示.進而討論中國在天文學領域的快速發展，雖然我國在空間領域發展的時間相對較短，但發展相當迅速，與較早發展空間技術的發達國家目前已經沒有很大差距，發射嫦娥號，探索外太空，建造世界上最大的望遠鏡等等，這些標志著我國已經成為一個太空強國.除了郭守敬望遠鏡還進一步引申出另一個我國建造的世界上單口徑最大的射電望遠鏡FAST，在宇宙的探索中做出了巨大的貢獻，發現幾十個脈沖星，相信有一天人類發現地外文明也不是無稽之談.通過對多個主題問題的討論，將可以更好的讓思政內容融入課堂的教學之中.

圖3 郭守敬望遠鏡的施密特反射式望遠鏡的光柵分光原理

3.3 量化考核

PI教學法獲得教學結果和統計數據的一個重要手段就是量化考核.考核主要采用考試來進行，并且盡量采用客觀題方便進行數據結果的統計和分析，為了比較教學效果，考題將完全來自課堂教學中所使用的問題.通過不同形式的考核，比如短期考核、期末考核，可以較為準確地對教學效果進行量化統計和分析，可以通過對比實驗班和常規班的考核結果來形成大量的教學改革的數據，進而分析思政教學改革中存在的問題.

筆者在2019—2020學年的上學期對我校2年級機械類專業(學生具備較好的素質且選擇的班級學生學習能力和成績基本接近)的4個班級進行了教學改革，4個教學班被分成兩組分別命名為實驗組和對照組，實驗組的機械1班和機械2班采用思政教學結合PI的教學方式，而對照組的機械3班和機械4班則是常規的教學方式，實驗組和對照組的教學內容設置上完全一致，且在上課過程中都穿插了思政元素，區別僅在于教學手段和方法上.在一個學期的教學結束后，對4個班進行了一次期末考核，考核的形式為客觀題閉卷考試，方便進行數據的統計和分析，考試題目均全部來源于上課的授課內容.

筆者對4個班的考核成績進行了統計分析，結果如圖4所示，圖4(a)、4(c)為實驗組的機械1班和機械2班，圖4(b)、4(d)為對照組的機械3班和機械4班.從圖中可以看出實驗組的2個班學生成績相對于對照組整體上有一定幅度提高，特別注意到直方圖中實驗組的高分段學生數量有明顯增多趨勢，而低分段學生數量則相應減少，這說明學生學習掉隊的情況有所緩解，大部分學生都有著強烈的學習熱情和積極性，學生成績分布向高分段集中.

雖然機械2班(圖4(c))的平均分略低于機械3班(圖4(b))，但機械2班學生成績高分段分布較為集中，低分段分布較少，而機械3班學生成績分布較為彌散，低分段分布情況較多.進一步從正態分布圖的鐘形曲線(圖中虛線)可以觀察到實驗組的曲線峰值位置相對于對照組有明顯的高分段偏移趨勢，且曲線形態收窄，說明實驗組的學生學習整體效果相對于對照組有所提高，學生成績分布也更為集中.從實驗組和對照組的學生成績差異的顯著性檢測(配對T檢驗，如表1所示)可以看出，機械1班和機械3班配對檢測P<0.05，機械2班和機械4班的配對檢測中P<0.05，因此實驗組和對照組的學生成績相比較有顯著性差異.綜合以上的分析可以得出結論，本次教學改革中的實驗組的兩個班的教學效果和學生成績都要優于傳統教學的對照組，學生的積極性和學習熱情都有所提升.

圖4 實驗組和對照組的學生成績統計直方圖及正態分布圖

表1 實驗組和對照組的學生成績配對T檢驗

本文還收集了一些學生對本次教改的感想和建議，部分摘錄如下：“謝謝老師采用這種互動教學方式，我個人認為新的教學模式雖然增加了自己課前預習工作量，反而讓我更深入了解到這實驗的有趣以及學習到更多知識，特別是歷史上的相關人物他們的事跡我最感興趣，因為采用互動教學，課堂氣氛活躍了很多，時間總覺得不夠用，很多同學都提前半個小時甚至一個小時來實驗室做實驗”，“互動教學模式帶來的是一種比較學術的討論氛圍，不過預習任務還是要靠自覺，我覺得更重要的是讓我感受到實驗的魅力，小小的實驗蘊含的實驗原理和我國現代高新科技發展都有密切聯系這深深吸引了我”，“感謝老師的悉心指導，老師對待數據處理的嚴格程度讓我體會到一種責任心，實驗數據是嚴肅的、客觀的，實驗過程中也需要用辯證思維方式去分析實驗中的問題和錯誤”，“互動教學雖然讓我動手做實驗的時間減少了一點，但覺得通過對問題的討論能很透徹理解實驗比原來那種略懂好多了，要效果，并不是一味效率”.

4 結束語

基礎物理實驗課程是大學生進入大學之后的第一門必修實驗課程，具有非常重要的意義.基礎實驗課程非常強調基本的實驗方法和實驗技能培養，科學思維素養、團隊合作的精神、正確的人生觀、價值觀、成才觀和對社會責任感等思政相關內容顯得尤為重要，傳統實驗教學法中融入思政元素顯得力不從心，大部分學生都處于被動灌輸學習模式，學習效果和成績都不能令人滿意.而本文所采用的思政教學結合PI教學模式具有得天獨厚的優勢，既能有效激發學生的學習熱情，又能通過團隊討論學習的方式充分兼顧每位同學的自身特點，班級學生的整體學習效果都獲得了大幅度提高.這種采用問題導向式的思政教學法，很自然的把社會主義核心價值觀等思政教學內容貫穿于整個課堂之中，做到“潤物細無聲”，從而讓思政教學在基礎物理實驗的教學中能夠取得較好的教學效果.