段志剛 彭智敏

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

大學(xué)物理探究性教學(xué)設(shè)計策略及方法

段志剛 彭智敏

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

為了實現(xiàn)大學(xué)物理的教學(xué)目標(biāo)，嘗試使用探究性教學(xué)方法，并將探究性教學(xué)過程分為5個實施步驟，闡述了各步驟的設(shè)計策略及實施方法，并用實例做了相應(yīng)說明.

大學(xué)物理；探究性教學(xué)；設(shè)計策略；教學(xué)實例

1 概述

在當(dāng)下的大學(xué)物理教學(xué)中，教育工作者提出了素質(zhì)教育的目標(biāo)，希望通過大學(xué)物理的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生唯物的世界觀、科學(xué)的方法論，由此提升創(chuàng)新與實踐能力，并對此進(jìn)行了研究與論述.但與這個目標(biāo)相比，大學(xué)物理的教學(xué)卻依然停留在講授式教學(xué)和預(yù)設(shè)驗證性實驗為主的模式下，這種模式把物理知識習(xí)題化、工具化的弊端已廣被詬病，要實現(xiàn)素質(zhì)教育的目標(biāo)，必須更新教學(xué)理念與方法.為此，本課題組依據(jù)探究性教學(xué)原則，結(jié)合大學(xué)物理的教學(xué)實際進(jìn)行了教學(xué)試驗.本文闡述了探究性教學(xué)的設(shè)計策略及實施方法，并以教學(xué)實例作了說明.

2 探究性教學(xué)設(shè)計策略及實例

2.1 探究性學(xué)習(xí)的設(shè)計策略及步驟

探究性教學(xué)是指學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從學(xué)習(xí)內(nèi)容中選擇研究課題，參照科學(xué)研究的方式學(xué)習(xí)知識、應(yīng)用知識、解決問題的學(xué)習(xí)活動.探究性教學(xué)的理論于1961年由美國施瓦布教授提出，美國心理學(xué)家加涅進(jìn)行論證，繼而被倡導(dǎo)和推廣［1］.探究性學(xué)習(xí)的最大好處就在于整個學(xué)習(xí)過程是以學(xué)生為主體，學(xué)習(xí)環(huán)境是開放性的，能最大程度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生能自由地發(fā)揮創(chuàng)造力與動手能力.

在教學(xué)實踐中，學(xué)生以分組的方式安排學(xué)習(xí).參考探究性教學(xué)的理論，本課題組將探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)步驟分為：設(shè)計課題、理論及實驗探索、交流討論、改善理論及實驗，總結(jié)反饋五個階段.各階段的設(shè)計策略及實施方法如下：① 設(shè)計課題階段首先就是選題，選擇的課題一般以生活或研究中出現(xiàn)的現(xiàn)象為主.這個現(xiàn)象最好是常見的，有趣的，現(xiàn)有理論可解釋或推導(dǎo)的，用于解釋的理論是教學(xué)內(nèi)容，解答課題中用到的研究思想、科學(xué)方法是教學(xué)要求講授的內(nèi)容，同時選取的課題也要兼顧到各學(xué)校教學(xué)條件，是實驗室可再現(xiàn)或者模擬的現(xiàn)象，盡量不要選取純理論結(jié)果為課題，這樣的目標(biāo)不適用于基礎(chǔ)課的教學(xué).趣味性是一個大原則，這樣能激發(fā)學(xué)生的好奇心與學(xué)習(xí)積極性.例如，實例“視覺錯覺”教學(xué)的目的是告訴學(xué)生客觀數(shù)據(jù)才是判斷實驗現(xiàn)象的惟一依據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的研究作風(fēng).同時作為探究性教學(xué)的第一課，引導(dǎo)學(xué)生掌握研究問題的基本模式及方法.課題選定后要針對題目設(shè)計一系列的要求及問題，作用是引導(dǎo)學(xué)生的研究思路.例如，“視覺錯覺”的課題如果不設(shè)計對錯覺現(xiàn)象進(jìn)行分類比較的問題，由于視覺錯覺引起原因不同，圖例太多，學(xué)生就會陷入無法找出研究方向的混亂中.② 理論及實驗探索階段就是把學(xué)習(xí)過程模擬成科學(xué)研究.學(xué)生自主查找分析資料，對現(xiàn)象進(jìn)行解釋，按給定的題目完成理論解釋，設(shè)計實驗方案并進(jìn)行實驗，在完成引導(dǎo)性題目的過程中，新的想法可附加到課題的計劃中并完成，最終形成報告.這一部分是整個學(xué)習(xí)過程的核心，探究性教學(xué)的意圖都在這個部分實現(xiàn).資料靠學(xué)生自己查找學(xué)習(xí)，在知識學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上對問題的解答、實驗創(chuàng)新都是學(xué)生在研究過程中實現(xiàn)的.比如“孔明燈”課題與之類似的熱氣球理論、實踐都有了，創(chuàng)造點就是能對理論進(jìn)行合理的類推、整合、簡化.教師的原則就是不干預(yù)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)過程，只是進(jìn)行引導(dǎo)，無論學(xué)生的創(chuàng)意想法是怎么樣的，教師只提出方向性建議，不干預(yù)學(xué)生的思路.如果引導(dǎo)得當(dāng)，就會有較多意想不到的創(chuàng)新，比如在聲波實驗中，有學(xué)生查到外國學(xué)生利用聲波反射信號探測西瓜的成熟程度，其后學(xué)生利用音叉的共振現(xiàn)象，制作了一個能檢測西瓜成熟程度的“西瓜音叉”.這樣有創(chuàng)造性的例子教師也能受到很多啟發(fā)，課題中有不少完善和附加的研究問題，都是同學(xué)們在學(xué)習(xí)研究中提出來的.③ 討論階段對于學(xué)生來說是一個鍛煉機(jī)會，要把一個研究課題從頭至尾表述清楚，而且要突出自己的側(cè)重點和思考，還要面對同學(xué)來答疑，對于學(xué)生的邏輯能力、表述能力、判斷能力都有較大的鍛煉.教師在這個階段主要的作用只是把握討論的節(jié)奏，并對某些問題表述自己的見解，但不充當(dāng)最終裁決者的角色.一般在討論過程中學(xué)生會互相啟發(fā)，可根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，再次進(jìn)行理論與實驗的完善.④ 最后，撰寫的總結(jié)報告一般為兩個部分，一部分是與課題知識相關(guān)的內(nèi)容、實驗及拓展，包括查找的資料，理論的解答及設(shè)計的實驗及結(jié)果，對于類似問題的延伸和應(yīng)用.另一部分是學(xué)生對這個課題研究過程中思想、方法、技巧甚至心情等的認(rèn)識表述.在完成報告后，最后教師要針對學(xué)生學(xué)習(xí)的知識和方法做一個詳細(xì)講解，并點評各小組的完成情況及其中值得借鑒學(xué)習(xí)的地方［1～3］.

2.2 探究性教學(xué)實例

針對探究性教學(xué)的原則以及上述提出的教學(xué)步驟，給出幾個探究性試驗的實例.

實例一“視覺錯覺”.選題目的：使學(xué)生了解探究性學(xué)習(xí)的基本步驟，通過課題加深對于客觀測量的認(rèn)識，討論主觀感知與客觀存在的關(guān)系.教學(xué)內(nèi)容：（1）通過多媒體給學(xué)生展示圖1的兩幅圖片，由學(xué)生自由判斷3條曲線曲率是否相同，正方形每條邊是否彎曲，然后用圓規(guī)、直尺現(xiàn)場判斷，得出結(jié)論：3條曲線斜率一樣，正方形每條線是直的.提問：這是什么現(xiàn)象？為什么？（2）要求學(xué)生用一周時間，每小組給出視覺錯覺的定義及涵蓋內(nèi)容，找出各種解釋的理論依據(jù)，并找到盡可能多的視覺錯覺圖片，分類整理，分類標(biāo)準(zhǔn)可以參考文獻(xiàn)，也可自己定義.每種類型錯覺挑出3幅典型圖片，解釋錯覺出現(xiàn)在什么地方？怎么證明是錯覺？為什么會出現(xiàn)錯覺？形成報告與幻燈片.（3）每組展示自己的分類與圖片，并講解視覺錯覺的原因與討論實際應(yīng)用（有的學(xué)生找出了聽覺錯覺）.（4）概述總結(jié)自己怎么搜集資料、怎么分類、怎么設(shè)計驗證錯覺的實驗，按什么邏輯格式完成總結(jié).討論能不能眼見為實，具體到科學(xué)研究的問題上呢？討論主觀與客觀的關(guān)系（有的學(xué)生提問客觀測量有沒有錯覺）.（5）教師講解科研的基本步驟，闡述客觀測量才是實驗依據(jù)的意義.

圖1 視覺錯覺［4］

實例二〈伽耳頓板〉.選題目的：直觀理解大量偶然事件的統(tǒng)計規(guī)律和漲落現(xiàn)象，使學(xué)生了解統(tǒng)計規(guī)律，為統(tǒng)計物理學(xué)的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備.增強(qiáng)學(xué)生動手能力，每個人自制伽耳頓板，改變釘子的排列，用理論推導(dǎo)實驗曲線，討論理論與實驗的關(guān)系.教學(xué)內(nèi)容：（1）用多媒體展示彈珠游戲，分析游戲的編程機(jī)制，并展示游戲的原型——伽耳頓板.（2）用一周時間，按圖示做出板子（有人用不同的材料做，最簡便的是牙簽加紙板），比較圖2（a）和圖2（b）中鋼珠落下堆積形成的形狀是相同還是不同，有什么不同？在圖示兩種板子的基礎(chǔ)上，至少再做出一種釘子排列不同的板子，每種板型分別做10次以上重復(fù)實驗，描出相應(yīng)鋼球下落形成的曲線，查找資料表述伽耳頓板的數(shù)學(xué)理論，嘗試用數(shù)學(xué)推導(dǎo)解釋不同釘子排布形成的圖形，形成報告與幻燈片.（3）各小組展示板子及其相應(yīng)的堆積曲線和數(shù)學(xué)表述，討論理論與實驗的聯(lián)系.（4）討論隨機(jī)性與概率性，例舉實際應(yīng)用的例子，試圖找出其他常見的數(shù)學(xué)實驗.（5）教師講解統(tǒng)計規(guī)律與漲落原理及其在物理上的運(yùn)用，并討論理論與實驗的關(guān)系以及科學(xué)從生活中來的觀念.

圖2 伽耳頓板

實例三〈聲波的形狀及速度測量〉.選題目的：直觀觀測音色頻率等聲音指標(biāo)，綜合學(xué)習(xí)運(yùn)用并改造已有實驗設(shè)備，加強(qiáng)學(xué)生解決實際問題的能力，改變實驗教學(xué)模式.值得一提的是在這個課題中，學(xué)生查到外國學(xué)生利用聲波反射信號探測西瓜的成熟程度，其后學(xué)生利用音叉的共振現(xiàn)象，制作了一個能檢測西瓜成熟的“西瓜音叉”［5］.教學(xué)內(nèi)容：（1）用多媒體展示人聲及樂器信號的波形圖.（2）用一周時間，用現(xiàn)有設(shè)備展示不同聲音信號，并比較不同信號，如男女同學(xué)說同一句話比較聲音信號的區(qū)別；不同地域同學(xué)用方言說同一句話比較聲音信號的區(qū)別；不同樂器演奏同一曲目比較聲音信號區(qū)別，解釋聲波為什么各有不同？用什么物理參量表征？設(shè)計實驗展示聲音信號的各個物理指標(biāo).總結(jié)聲音各個參數(shù)的意義，并用軟件合成一些簡單聲音.在完成以上問題后，設(shè)計實驗測量聲速.形成報告與幻燈片.（3）解釋聲波的各個物理指標(biāo)，并用實驗得到的數(shù)據(jù)及圖示展示各個指標(biāo)在現(xiàn)實中如何體現(xiàn)，討論測聲速的實驗方案的可行性及準(zhǔn)確性.（4）討論電子合成聲波的應(yīng)用，展示學(xué)生收集的各種對于聲波的運(yùn)用.（5）教師講解聲波知識及相應(yīng)的示波器、碳棒等儀器的使用，討論聲學(xué)在日常和工程中的應(yīng)用.

圖3 聲波波形

實例四“孔明燈”.選題目的：孔明燈常見，有趣，所用理論知識較簡單，但存在把實際問題模型化數(shù)學(xué)化的問題，樹立學(xué)生建模的基本思想并進(jìn)行定量分析、優(yōu)化，為后面幾個建模的實例打下基礎(chǔ).教學(xué)內(nèi)容：（1）用多媒體展示熱氣球及孔明燈等原理相同的飛行器.（2）用一周時間分析受力并擬化成公式，給出孔明燈飛行的原理，由此分析各個參量對于飛行的影響并優(yōu)化根據(jù)計算找出制作孔明燈的最優(yōu)方法并制作放飛，另外制作一個處于“失重”狀態(tài)的孔明燈（這是一個學(xué)生提出的概念）.形成報告與幻燈片.（3）學(xué)生講解孔明燈的公式推導(dǎo)，并分析如何優(yōu)化孔明燈，展示制作的孔明燈，比較和熱氣球的差別.（4）討論熱氣球、飛艇、風(fēng)箏等飛行器的原理及優(yōu)化方案，討論日常生活現(xiàn)象如何定量研究擬化成物理模型.（5）教師講解孔明燈的分析，并總結(jié)建模的一般方法及思路.

3 總結(jié)

在大學(xué)物理教學(xué)中引入探究性教學(xué)方法雖然獲得了師生的好評，但還存在一些問題需要解決.首先，這種教學(xué)方法的評價機(jī)制還在試驗中，必須用新的評價機(jī)制來和新的教學(xué)方法匹配才能形成一個完整的教學(xué)模式.其次，這種方法的最大意義就在于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，因此課題本身也必須定期更新改變，否則隨著解答和實驗的完善與固化，探究性就失去了意義，同時也不是所有的教學(xué)內(nèi)容都適合用這種方法來進(jìn)行學(xué)習(xí)，所以必須尋找更多的適合的課題.探究性教學(xué)方法對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識是一個行之有效的教學(xué)方法，但在大學(xué)物理教學(xué)中完善這種方法還需要更多的研究.

［1］ 鄒尚智.研究性學(xué)習(xí)的理論與實踐［M］.北京：高等教育出版社，2002

［2］ 周慶林.研究性學(xué)習(xí)百法：研究性學(xué)習(xí)指導(dǎo)［M］.北京：中央民族大學(xué)出版社，2002

［3］ 方曉懿.研究性設(shè)計性物理實驗的教學(xué)方案和實踐［J］.物理與工程，2006，16（4）：45～46，57

［4］ http：//hi.baidu.com/sundayson/blog/item/5967d61b6f456dfaaf5133b9.html（百度空間）

［5］ 陳健等.物理課程探究性試驗［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2007

2011－11－30）