基于遷移理論提升大學物理實驗教學質量的探索與實踐

姜寒玉，何 軍，丁作銘，張開楊，褚紅燕

(南京師范大學 物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

培養學生的創新精神和實踐能力是當今高等教育的核心和最終目的.習近平同志指出，“惟改革者進，惟創新者強，惟改革創新者勝.” 通過融合創新、追求一流育人質量，需要把握因材施教的原則，本科生教育要注重讓學生獲得開展融合創新所需要的知識基礎[1].因此探索新的教育模式從而帶動整體人才培養質量的提高，是新時期高校教育教學的發展目標.

大學物理實驗是一門重要的基礎課程，對培養學生嚴謹的科學素養和創新實踐能力有著無可替代的作用，它也是學生進入大學學習的第一門實驗課程，更為后續的課程培養正確的學習態度.然而該課程實踐性強，學生在學習中遇到困難易知難而退，同時大學一年級開設課程較多，有限的精力更多關注本專業課程，對物理實驗只抱著“修學分”的態度，長此以往很難提高學生對大學物理實驗的重視程度.此外傳統的教學過程多未以學生為“中心”，只注重“教得好”，未注重“學得好”，難以激發學習興趣和潛能，更無從談及創新精神的培養.

基于此，本文嘗試在南京師范大學理工科專業的大學物理實驗課程中實施基于學習遷移理論的混合教學模式(圖1)，采用肖像式結構原則進行課前預習，將探究式教學方法貫穿授課過程，最后完成課后拓展創新的反饋和強化.這一模式的實施有效提高了教學效率，激發了學習興趣，增強了學生的探究和創新能力，以期為高校物理實驗課程的教學改革研究提供一定的參考.

圖1 基于遷移理論的肖像式結構原則混合探究式教學模式

遷移是一種基本的學習現象，是知識在新條件下的重新建構，包括對知識的進一步學習、對知識的深化理解、對知識的心理應用范圍的擴充[2].奧蘇貝爾認為，有意義的學習遷移，都是在原有知識結構的基礎上產生的[3].傳統的大學物理實驗教學主要采用示例教學，學生對實驗課的學習存在知識結構的認知碎片化，學習遷移效率較低.結構主義學者布魯納認為，將知識組織起來的最理想方式是建立知識結構，使個別事實與知識結構發生聯系，對已學的基礎知識，可以實現普遍遷移，縮小“初級”知識與“高級”知識之間的差距[5].學生在一定知識領域內的知識結構，具有概括性，清晰性和穩定性等特征，當學生在學習新知識時，上述特征的利用性越高，可辨別性越大，認知結構的遷移性越好[4].

為了提高學習遷移的針對性和有效性，課前采用肖像式結構原則對知識和規律進行梳理，構建思維邏輯和知識體系，包括簡化的圖解、知識樹和系統圖等形式，經濟有效的將知識結構再現[5].這一學習過程使學生脫離原本機械式的“死記硬背”，提高學生提出問題和解決問題的能力[6].遷移涉及知識的意義與應用范圍兩個不可分割的方面，知識的意義要通過知識的應用來理解[2]，因此在大學物理實驗教學過程中應用探究式教學手段是合理且恰當的[7,8].學生通過獨立進行實驗操作，并在實驗過程中進行思考、交流和表達，可以增加遷移時的知識獲得、技能提高和主觀能動性，進而培養探究精神和創新能力[9].根據以上原則，本文實施了以下的教學模式.

1 課前預習及調研

1.1 肖像式結構原則進行課前預習

為了提高課堂學習效果，促進學習的有效遷移，在向學生傳授新知識之前，讓學生呈現一個短暫的具有概括性和引導性的說明，能夠簡單、清晰的意識新舊知識之間的關聯性.這種知識和態度的遷移觀教學策略在我校大學物理實驗教學中，取得了積極的教學效果.我們鼓勵學生采用肖像式結構原則，利用知識樹、系統圖等形式有效梳理實驗原理、目的和過程并提出問題，變被動接受為主動求知(圖2).大學物理實驗課程的教學對象涉及物理學、能源動力、電氣工程、數學、化學、地理科學、計算機7個專業，共424人.經統計，368位學生采用這一形式進行了課前預習，在已有的知識體系上延伸了實驗內容，提出知識梳理中遇到的問題，實驗在生活和科研中的拓展等，學生帶著問題和思考進入課堂，并對課堂學習具有一定的期待度，調動了學習積極性，轉變了學習態度，無形中完成了知識體系的遷移.

學生通過知識梳理，已了解基本概念和實驗原理，以“用電流場模擬靜電場”為例[10](圖2(a))，提出為什么用電流場模擬靜電場，需要的模擬條件是什么？此方法是否適用于各種不同形狀的帶電體？有無更便捷的方法？以“空氣中聲速的測量”為例[10](圖2(b))，提出了駐波法和相位比較法二者的原理差異是什么？各自的優缺點是什么？導致本實驗產生誤差的因素有哪些？可見，這種預習形式使學生們有效梳理了知識體系，不是空著腦袋，而是帶著思考進入課堂，明確自己掌握什么、解決什么，教師們也可以根據學生的實際情況，科學合理的設置教學過程，明確自己要講什么、怎么講，將學生的知識和態度有效遷移至課堂教學.

圖2 結合肖像式結構原則完成的預習報告

1.2 課前調研

大學物理實驗是相關專業學生學習的第一門實驗課程，它不僅是培養學生科研探究能力和創新思維的重要課程，也需為學生在后續課程學習中培養良好的學習態度.每個學生在進入課堂之前，已經具有一定的知識體系和組織特征，這些都會影響未來的學習效果.因此作為教師，不應忽略這些經驗和特點，而是引導學生在“原有的”知識點上“生長”出“新的”知識點[11]，進一步完善他們的知識體系.

為了了解學生的學習態度和知識儲備的長短板，為后續將遷移理論延伸進入探究式教學奠定基礎[4]，設置了課前調研，內容包括物理學基礎知識儲備量，對常用儀器、基本測量方法和實驗數據處理方法的了解程度，以及對物理學及物理實驗的興趣程度等.問卷采用無記名方式，共發放424份，回收384份，問卷結果和數據采用Excel進行整理和錄入.

通過對實驗涉及的基礎知識儲備調查發現，力學基本概念了解比例占27.5%，光學和電學均占24.4%，熱學為23.7%.對實驗基本儀器的了解情況，力學占38.3%，光學和電學分別占21.2%和21%，熱學為19.5%.可見學生對力學基本理論和相關儀器掌握較好，如彈性模量、簡諧振動、轉動慣量、螺旋測微器、游標卡尺等基本概念和器具都有一定的了解，在后續探究式教學中可進行適當拓展和提升.光學和電學實驗相關理論和儀器掌握還需加強，尤其是與分光計、光柵、移測顯微鏡等相關的實驗.熱學的知識體系最為薄弱，在后續教學中我們加強了基本理論、實驗原理和操作過程的講授。

2 探究式教學貫穿課堂

探究式教學過程可概括為圍繞問題展開探究、取得事實依據、解釋問題、對比評價、表達交流[12]。通過肖像式結構原則的課前預習，學生們已經基本了解了每個實驗項目，并提出需解決的問題.知識儲備調研后有針對性的進行教學設計，查缺補漏，盡力做到有的放矢，將學生課前的知識體系有效遷移至探究式教學過程中，起到承上啟下的作用.首先教師整理學生提出的所有問題，進行歸納總結，根據學生掌握情況，合理安排教學內容，圍繞問題展開，深度理解實驗原理，并以學生為主體，開展課堂討論和交流，充分調動學生的主觀能動性(圖3).探究式教學過程結束后，通過課后反思啟示，強調遷移反饋的及時性，過早則增加記憶負擔，過晚則無指導作用[13].學生可以小組為單位，通過討論和查閱資料等多種形式完成.

圖3 探究式教學課堂設計示例

探究式教學本身具有啟發性和引導性，在前期肖像式結構原則的基礎上，應用在大學物理實驗課程具有良好效果，對學生的遷移學習有極大的影響，同時學習態度也由“被動”轉變為“主動”，學生帶著問題更大限度的參與到課堂中，在實驗過程中主動思考，分析并最終解決問題.

3 反饋與強化

3.1 課后啟迪創新

基于遷移理論的肖像式結構原則混合探究式教學模式，以提高學生的創新能力為最終目標.結構主義理論的反饋強化原則強調，沒有反饋就沒有教學.除了課后的反思啟示，還鼓勵學生通過獨立選題、設計思路、分析探索，創造新的研究成果，鍛煉科研實踐能力，將課堂知識能夠充分的反饋和強化，通過知識應用實現遷移的意義，這一模式下學生取得了較多的創新成果(表1).

表1 部分優秀獲獎作品

3.2 教學效果調研分析

為了了解這一教學模式與教學效果之間的相關性，本文再次進行了問卷調研，問卷內容分為學習態度和學習效果調查兩大類，包括興趣度、科研實踐意愿、選取提高性和綜合性實驗項目的期待度，實驗內容了解度、實驗結果的理想程度等共16個問題.共收取有效問卷331份，問卷結果和數據采用Excel進行整理和錄入，通過SPSS軟件進行“降維-因子”分析問卷的合理性，將選擇“很感興趣”或“總是”的賦值5分，“有一定興趣”或“多數是”賦值3分，“不太感興趣”或“很少可以”賦值1分，并剔除全賦值相同(如全部為“很感興趣”)的問卷，分析得到調研結果(軟件給出的結果至小數點后三位).

表2 旋轉后的成分矩陣反應調研因子歸屬關系

結果發現，各設置問卷變量標準差均在0.950～1.500之間，說明問卷變量都具有參考價值，可以很好的反映教學模式與教學效果之間的相關性.經巴特利特球形檢驗表明，顯著性概率為0.000，P小于0.050，相關矩陣不是一個單位矩陣，可以進行因子分析，KMO(取樣適切性量數)值為0.874，大于0.600以上，意味著很適合進行因子分析.采用主成分分析法，通過矩陣旋轉簡化數據結構，簡潔的反映了所有調研因子之間的歸屬關系.由表2可知，歸納為“興趣度”(變量1-4)、“教學過程”(變量5-10)、“教學結果”(變量11-13)、“遷移結果”(變量14-16).此外，通過總方差解釋，4個因子共解釋了原始變量之總變量的59.054%.整體而言，該因子分析效果較好，具有良好的代表意義.

根據SPSS探索出的4個維度，進行問卷分析，結果見表3.學生在興趣度維度表現優秀的比例最高，達42.2%，良好達42%，總比為84.2%.課前調研結果顯示，對物理學科“非常感興趣”的占23.7%，“有一定興趣”的占45.2%，總比為68.9%，對物理實驗“非常感興趣”的占24.3%，“有一定興趣”占46.9%，總比為71.2%.有進行實驗拓展和提升意愿的占71.5%.分析比較課前課后兩次調研結果，說明這一教學模式有效調動了學生的學習興趣.結合探究式的教學過程維度總體表現良好，總比達95.7%.教學結果維度總體表現良好，總比達92.7%，從知識體系遷移效果維度來看，優秀比例為44.2%，良好為46.1%，說明學生在整個學習過程中完成了知識體系的完善和有效遷移，經過考核對比，優秀及良好比率高達95.7%(見表4).可見，基于遷移理論的肖像式結構原則、混合探究式教學模式在我校大學物理實驗課程中的實施獲得良好效果.

表3 實施混合式教學模式教學效果調研結果

表4 混合式教學方法考核結果對比

4 結束語

基于遷移理念改進的大學物理實驗課程的教學模式，融入了肖像式結構原則指導的課前預習和探究式教學過程.通過實踐，該教學模式完善了知識結構的系統性，提高了教與學的針對性，彌補了示例教學過于固化的被動式學習，轉變了學生對實驗課程的態度認知，變被動接受為主動求知，使學生的實驗過程從機械性的簡單重復走向深度理解，提高了教學效率，使學生在知識遷移的過程中不僅完善了知識體系，也提高了學習能力，增強了學生的創新能力和解決問題的能力.