大學物理實驗探究式教學改革研究

李鴻英，韓 飛，孟令巖

(長春師范大學物理學院，吉林 長春 130032)

近年來，師范類專業資格認證是各師范院校迫切需要推進的工作。認證的基本思想是堅持以學生為中心，構建完善的人才培養體系。以學生為中心，即持續關注學生的發展、學生的學習和學生的學習效率。在教學方面，強調學生在教學過程中的主觀參與和以學生為本、以學定教的教學體驗，以此發展學生的綜合能力。而成功的教學研究需要建立一個以“學”為中心的教學學習環境，讓師生根據不同情況進行課程開發和設計，這與師范認證的理念是一致的。

探究式教學沒有固定的教學模式，其模式取決于教學對象、教學內容、教學條件和教師本身。物理探究式教學的目的是培養學生的科學素養，教師需要充分利用課程資源，引導學生參與學習過程。而學生參與式教學是一種符合時代要求的高等師范院校探究式教學方式，以辯證唯物主義實踐認知理論為指導，兼顧學生心理特征和大學物理實驗課程特點。此實驗教學法重在培養學生的團隊協作意識、學習的主動性、實踐創新能力等，重視學生在教學過程中的交流與合作，提高學生主動探究的能力。而這些能力的培養都應以實踐為途徑，以提升學生的科學素養為目標。

1 大學物理實驗教學方法現狀

1.1 傳統實驗教學模式

我國許多高等師范院校長期以來一直沿用傳統的大學物理實驗教學模式，實驗題目以經典的驗證性實驗為主，實驗成績由平時成績和期末實驗考核兩部分組成，通過權重設置綜合評定。將實驗報告、出勤和實驗過程中的表現作為平時成績評定的依據。期末實驗考核成績通常有兩種評價方式：一是實驗理論筆試;二是實驗操作考試(由教師根據學生已學實驗題目確定考試內容，學生獨立完成)。盡管傳統教學模式下的實驗教學內容比較陳舊，方法也比較單一，但這些實驗有助于學生掌握一些基本實驗儀器的操作方法，了解物理量的測量方法，進而更好地理解物理理論知識。這種模式最大的不足是將教師作為教學的中心，限制了學生科學探究的積極性，不利于學生的創造性和自身能力的提高。這種教學模式更關注結果，而忽視了學生在學習過程中的經歷和體會[1]。

1.2 網絡虛擬學習模式與計算機支持

大學物理實驗教學中輔助完成教學環節的實驗教學模式有：使用計算機和互聯網資源，使用仿真技術、虛擬VR技術等。這種模式是利用網絡建立相關實驗的選課系統，其項目包括實驗題目、實驗簡介、授課教師、開課時間、實驗室房間號、單次實驗同時可容納的最多人數等。同時建立師生可共同使用管理的配套系統，教師可實時監控學生的出席、實驗進展、實驗成績整理等情況，學生可查詢自己的實驗結果、成績等。該系統結合互聯網技術，具有預約功能，緩解了實驗室容納量小的壓力，同時允許學生進入系統進行實驗的預習、自學、討論，甚至可以直接進行仿真虛擬實驗。這既提高了大學物理實驗教學的有效性，又提高了學生的學習效率[2-3]。

1.3 開放式實驗教學模式

開放式實驗教學是目前一種新型的大學物理實驗教學模式，以教師為主導，以學生為學習主體，并以學生的自主探究實驗活動為基礎。從形式上來講,開放式是指進行實驗的時間、地點和使用儀器的開放。從更深層的意義上說，開放式意味著從實驗題目、實施方案的選擇上給學生留有足夠的選擇空間。開放的實驗一般包括必做和選做兩部分內容。必做的部分是一些基礎性比較強的實驗內容，而選做的部分是學生在完成必做實驗內容的基礎上，根據自身的能力和興趣，選擇高層次的實驗內容進行自主探究。開放式實驗教學模式不僅在時間、地點、實驗設備等方面做到開放，更重要的是進行因材施教，既培養學生的自主意識和自身能力的個性化，又激發學生對物理實驗的探究積極性。但這種實驗模式也存在一些不足，比如教師的工作量加大、負擔更重，實驗設備耗損速度加劇等。因此，在開展開放式實驗教學時，既要考慮教師個人所能承受的工作總量，還要考慮學生的自身能力是否能促使其按照預想方案進行自主探究。要想使開放式實驗教學模式更優化，就要對開放式實驗教學模式進行科學化管理，制定一系列保證其順利實施的有利措施，進而提高學生學習的有效性[4]。

1.4 分層次開放型實驗教學模式

分層次、階梯式大學物理實驗教學是一種打破傳統的教學模式而獨立發展而成的教學模式，依據由淺到深、由已知到未知、由易到難的原則，對傳統的大學物理實驗內容進行合理整合與層次的劃分。一般劃分為基礎實驗、綜合提高性實驗、研究性與設計性實驗，但只有極少數高等師范院校開設研究性實驗內容。分層次開放型實驗教學可分為兩個層次：第一層次為必做實驗，內容涉及力、熱、電和光的相關基本物理量的測量、基本實驗儀器的操作、基本測量方法的運用、基本數據處理與誤差的分析，還包括實驗技能的訓練，是基礎類實驗。實際教學中，主要由教師講解實驗原理、演示操作過程，指導學生在了解整個實驗的基本思路基礎上進行模仿操作，在模仿中完成對學生基本實驗技能的培養，使學生掌握科學測量方法，養成科學實驗態度。第二層次的實驗增加了知識的深度、廣度與難度，主要是一些具有綜合性、提高性以及與現代科技接軌的實驗，其目的是鞏固基礎性實驗階段性學習成果，放手讓學生獨立設計實驗，開闊學生的思路與眼界，提高學生的實驗綜合設計能力[5]。

2 學生參與式探究實驗教學的重要作用

一個有意義的教學過程應是教師和學生共同建構知識體系的過程，那么教師必須改變其傳統意義上的傳道、授業、解惑的角色定位，將學生從傳統接受模式中解放出來，由知識學習的被動接受者轉變成為學習活動的積極建構者、參與者、探究者和合作者。在共同建構知識的過程中，教師由知識的代言人、權威者轉變成為對話者、交流者，更成為學生探究活動的引導者和促進者。因此，大學物理實驗教學過程中，學生參與式探究實驗教學具有非常重要的作用[6]。

2.1 貫徹三維教學理念

探究式教學設計強調師生間的有效互動，注重調動教學體系各要素的積極作用，以確保整個體系有效運轉，提高教學有效性。而學生參與式探究實驗教學是讓學生參與每個實驗的設計、實驗設備的選取與擺放、實驗原理的講解、操作步驟的演示。在注重雙基培養的同時，更重視對學生學習方法、科研能力的培養，以適應中學物理教學的需要。因此，學生參與式探究實驗教學的實施不僅可以在教學中貫徹三維教學理念(學生、教學方法、教師)，還可以利用物理實驗課程的教學優勢，展現物理課程的特色。這對開展豐富而有效的物理實驗教學、提升物理實驗教學的活力具有非常重要而實際的意義。

2.2 提高學生學習的主動性和積極性

學生參與式探究實驗教學突破了傳統的教學理念，改變了傳統的實驗課程授課方式(教師講解實驗原理、操作演示，學生在教師的指導下按照實驗步驟完成實驗)，學生參與所有實驗的教學組織與管理。具體實施措施：先從每個實驗的輪流組中推選出一名組長提前學習每個實驗的相關內容，然后由組長組織本組成員預習并討論實驗(包括實驗目的、實驗原理、改進方法、誤差分析等)。課上指導成員完成實驗，要求當堂完成該實驗的實驗報告，并進行下一輪實驗的預習工作。在整個實驗教學過程中，教師要密切關注學生的學習過程，必要時對學生給予一定的指導，而對能提出有創意的問題且積極嘗試、主動設計實驗的學生，要給予及時的肯定和相應的加分鼓勵。這種教學方式不僅能夠激發學生學習的主動性和積極性，也能更好地緩解學生進行實驗時的畏難情緒。

2.3 培養學生的創新能力

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。培養大學生的創新實踐能力，是高等學校教育的重要內涵，是學生自身發展和社會經濟發展的要求。創新應用人才培養作為一個課題，有著深刻的現實背景。當今市場環境更加開放，競爭更加激烈，迫切需要專業技術人員及時補充、更新、拓展知識，迫切需要實現勞動密集型向技能密集型的轉變[7]。

學生參與式探究實驗教學不僅可以提高教師的教學效率，活躍教學氣氛，還可以幫助學生提高物理學習的興趣，拓寬獲得知識的渠道，更能將枯燥的物理知識具象化，便于學生理解和掌握，從而提高學生的探究實踐能力，最終實現培養學生創新能力的教學目的。

2.4 提高學生的職業技能，樹立現代教育理念

擁有扎實過硬的專業知識基礎，是培養創新實踐人才的基本前提。強化學生在實驗、實踐過程中解決實際問題的能力，并在此基礎上進一步深化學生在專業設計、科學實踐等方面的專業知識，拓展學生的專業素質，提高學生的創新能力是實驗教學的基本目標[8]。學生參與式探究實驗教學要堅持以人為本，強化學生科學素養的培養，強調學生的專業發展和自我實現，重視學生專業知識、職業技能和道德情感的全面協調發展，樹立現代教育理念。

3 學生參與式探究實驗教學設計內容

3.1 分析實驗，確立目標

有效實施實驗教學及客觀評價學生的重要保障是制定科學系統、具體可行的實驗教學目標。大學物理實驗的教學目標涵蓋認知領域和操作技能領域兩部分，具有突出的外顯性、具體的可操作性、明確的可評價性，且必須根據大學物理實驗及其教學特點制定。因此，教師應在實驗教學之前對整個實驗教學內容和各個實驗的詳細分析，確定本次實驗教學要達到的目標[9]。

3.2 分組實驗，培訓“技術骨干”

實驗設備數量和教學資源的有限使所有實驗必須按輪分組進行。在第一輪實驗教學前，先由每個實驗小組推選一名學生擔任本組的組長，再由教師培訓各組長進行實驗時所需的物理知識、操作技能等，使之成為該組的技術骨干，在實驗教學過程中組織本組成員完成各項實驗教學任務。其具體工作包括：檢驗本組成員的預習情況，組織討論本組的實驗方案，協調本組成員間的分工、協作關系，關注本組成員的實驗進展情況，匯總本組內較集中的問題，分析實驗數據的合理性，客觀評價本組的實驗情況，最后還應做好對下輪實驗組長的培訓工作。

實行組長輪換制。為了起到示范作用，達到良好的教學效果，第一輪組長要具備扎實的物理理論基礎知識，認真負責，態度積極，善于溝通和寫作。隨著實驗教學持續開展，小組成員輪流擔任組長，承擔不同實驗的教學組織工作。在學生參與式探究實驗教學中，每個學生都能得到鍛煉，成為技術骨干。他們的成功與否關系著整個實驗教學的成敗，因此，教師需要對每輪實驗的技術骨干進行指導、監督和評價。

3.3 課前預習，設計方案

在實驗課前，組長組織本組成員進行初步預習，了解所要做的實驗及應達到的目標，并討論形成實驗方案，完成預習報告。對于無法解決的問題，學生可以相互討論，也可以尋求教師的幫助。這樣的教學方式使大學物理實驗教學變得豐富多樣，不僅為學生的發展提供了廣闊的空間，還培養了學生的創新能力，激發了學生學習的主動性，提高了實驗教學的效率。

3.4 選取儀器，主動實驗

實驗時，學生根據已設計的方案進行實驗儀器的選取、擺放、檢查、調試。合適的儀器會達到事半功倍的效果，使測量物理量的工作變得簡單易行，并且會減小實驗誤差，使數據更加合理。儀器的合理擺放便于實驗操作，更便于調試、檢查，排除故障。

作為實驗教學主體環節的實驗操作過程，直接影響整個實驗教學效果。教師要充分發揮學生的主體作用，鼓勵學生積極主動地獲取相關數據，并進行合理分析，對不合理的內容要能提出問題，給出解決方案，并大膽嘗試加以驗證；還要幫助學生將目前正在學習的知識內容納入已知的知識體系，建立某種關聯，完成對知識的有意義建構。

3.5 協作學習，綜合探究

協作學習是以個人自主實驗學習為基礎而進行的小組討論、協作，進一步完善和深化對知識的理解、對主題內容的建構。協作學習由技術骨干主持，教師參與討論并做好引導工作。研討的問題包括：(1)組內有爭議的集中問題；(2)可以促使討論或實驗持續、深入進行的關鍵問題。合作學習過程中，一切以學生為中心。教師要以更高的角度進行指導，適時恰當評價學生在學習、討論過程中的表現，但不可干預甚至替代學生的工作。

3.6 即時匯報，評價反饋

在學生參與式探究實驗教學中，學生不僅需要在課上完成實驗內容與實驗原始數據的記錄、實驗數據處理與誤差分析、實驗結論的總結，還要進行匯報。每個學生利用10分鐘的時間介紹自己的實驗設計思路、數據采集方法、實驗結果以及實驗中未解決的問題，大家就此展開討論并給予評價。這種實驗教學模式不僅為學生提供鍛煉的機會，還可以提高學生的教學技能。

3.7 采取多種評價方式

評價包括教師對學生的評價、組長對本組成員的評價、學生的自我評價，實驗數據的準確性、完整性不再是唯一標準。評價直接影響學生的學習積極性和主動性，是實驗教學的重要環節之一，主要圍繞自主學習能力(達到實驗預習、實驗準備和實驗過程等相關要求的程度)、自我表現(合作學習過程中的作用)、是否達到了知識建構的要求(掌握實驗知識、技能的程度)三個方面展開。

3.8 改革考試方式

學生參與式探究實驗教學以研究性學習為主，以多種考核方式代替單一試卷考試。通過實驗設計、實驗匯報和實驗報告對學生的學習成績進行評價。

《大學物理實驗課程教學基本要求》指出：鼓勵采用反映學生科學實驗能力的各種評價方法。學生參與式探究實驗教學可以采用動態評價法，動態評價不是對原有實驗評價方法的顛覆，而是對原有實驗評價方法的補充。例如，在“平時成績+期末成績”的評價下，平時成績包括出勤率、預習報告、課堂表現和實驗報告，期末考試包括理論考試和操作考試。動態評價涉及每個實驗，記錄每個實驗組的指標得分、自我評價得分和交換實驗組得分。動態評價和初始評價方法的結合將大大提高成績與學生實際能力之間的相關性。此外，動態評價的內容包括學生的基本知識、操作技能、合作態度和人際協調能力等。動態評價包括教師評價、學生自我評價和群體相互評價，符合大學物理實驗評價主體的多元化取向。從每個實驗的微觀角度來看，學生的能力發展階段是不同的，使用的評價干預措施是不同的，評價結果也是不同的，這與大學物理實驗評價方式的多元化是一致的[10]。

4 結語

學生參與式探究實驗教學是學生在原有知識的基礎上，選擇合適的題目，獨立完成整個實驗過程的教學方式。主要過程為“查閱資料—設計實驗方案—實施實驗過程—得出實驗結果—分析總結”。在這個過程中，學生不僅獲得新的知識，而且學會運用所學知識，真正做到“學以致用”。學生參與式探究實驗教學更加重視學生的主體性發展，強調新知識的獲得過程。同時，教師作為課堂教學的指導者，應擺正自己的位置，真正做到以學生為中心。學生參與式探究實驗教學模式能夠提高學生的團隊協作意識，培養學習的主動性、創新性，注重交流與合作，從而提高學生再學習的研究能力。