高光珍，賈天俊

PBL在“薄透鏡焦距的測量”實驗中的應用

高光珍，賈天俊

（濱州學院 物理與電子科學系，山東 濱州 256603）

問題導向?qū)W習（PBL）是一種以問題為核心，學生圍繞問題展開知識建構(gòu)，圍繞解決問題的目標而自主學習的教學模式。在“薄透鏡焦距的測量”實驗中，采用PBL教學模式，通過設計問題引入實驗，以小組為單位設計實驗方案，進行實驗探究，在分析與小組討論的基礎上，逐步對實驗進行深度拓展；教師在實驗中對學生進行引導，并及時評價反饋。結(jié)果表明，在“薄透鏡焦距的測量”中實施PBL教學模式，取得了良好的教學效果，學生主動參與程度提高，思維能力和解決問題的能力得到了提高。

問題導向?qū)W習；薄透鏡；實驗；應用

21世紀的競爭是科技的競爭、人才的競爭，全世界都在優(yōu)先發(fā)展教育，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)人才。作為優(yōu)質(zhì)人才的關(guān)鍵就是要具備自主學習能力、分析與解決問題的能力。但傳統(tǒng)的以教師為中心的教學方式，師生互動不足，學生學習積極性不高，學習效果欠佳，特別是實驗教學重理論、輕實踐，重知識、輕能力，培養(yǎng)出來的大多數(shù)學生缺乏創(chuàng)造性，動手能力差、思維僵化。

《大學物理實驗》是理工科各專業(yè)的一門重要必修基礎課，在學生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎，培養(yǎng)學生樹立科學的世界觀，增強學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識等方面，具有其他課程不可替代的重要作用。但傳統(tǒng)的大學物理實驗中，驗證型實驗居多，以教師教授為主，如“薄透鏡焦距的測量”實驗，實驗教材對實驗步驟的描述很詳細，但設計思想未見提及，學生常常只滿足于弄明白教材內(nèi)容，按操作步驟被動完成實驗，主動參與不夠，在培養(yǎng)科學探究能力方面沒有發(fā)揮應有的作用。基于以上問題，筆者在“薄透鏡焦距的測量”實驗中，進行了問題異向?qū)W習（problem based learning，PBL）教學模式的探索與實踐，取得了顯著的教學效果。

1 PBL教學模式的特點

PBL是以問題為基礎，以學生為中心，培養(yǎng)學生自學能力，發(fā)展學生綜合思考能力和解決實際問題能力的教學模式，由美國教授Barrows于1969年首次采用［1］。其特點在于提倡“以學生為中心”的教學理念，以問題為起點，師生雙方圍繞“解決問題”展開教學活動，學習過程中學生是主體，教師是學生學習的推動者和促進者［2］。

1.1 注重創(chuàng)設問題情境

問題是課程的組織核心［3］，把問題作為引導學生自主獲取新知識的驅(qū)動力。傳統(tǒng)的大學物理實驗中，大部分實驗項目都是驗證型實驗，以教師講解為主，實驗原理、步驟和方法均由教師決定，講解實驗原理后，通過學生實驗操作，得出某個物理量或驗證某個定律；學生簡單接受、機械重復，不利于學生分析、解決問題能力的提高，導致學生對大學物理實驗興趣不高。PBL教學模式中，教師根據(jù)實驗內(nèi)容設計真實的問題情境，將問題情境同生產(chǎn)、生活實際結(jié)合起來；學生圍繞問題自行搜集資料、設計實驗方案、進行實驗操作以解決問題［4］。需要注意的是，設計的問題應具備以下三個特征：（1）問題來源于生活，引起認知沖突，激發(fā)學習興趣；（2）問題符合學生的認知水平和特點；（3）問題易于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與能力。

1.2 強調(diào)學生自主學習

問題呈現(xiàn)后，將學生分成小組，每組2～3名，通過學生的自主探索和與小組成員的合作討論來設計實驗方案，解決問題。在小組學習中，學生需要積極主動參與小組實驗活動，自己去探索、發(fā)現(xiàn)，對問題提出假設并去一一驗證，充分和同伴交流、討論。實驗操作完成后，小組就自己的操作、實驗中出現(xiàn)的問題及實驗結(jié)果相互討論，總結(jié)經(jīng)驗教訓。PBL以小組的形式讓學生自己組織設計過程，并決定分工合作的方式，增強了學生的群體意識和團隊精神，提高學生的自主學習能力和協(xié)作能力［5］。

1.3 突出教師促進作用

傳統(tǒng)的實驗教學模式，以教師為中心，教師是知識的傳授者，PBL教學模式以學生為中心，學生是主動學習者，教師扮演“課程的組織者、情感的支持者、學習的參與者、信息的咨詢者”等角色［6］。在備課階段，教師結(jié)合實驗大綱要求、實驗特點、學生實際等精心設計問題，在課前一周發(fā)給學生；在小組實驗探究過程中，教師要實時把握學生實驗探究的進度和程度，及時予以指導；在實驗操作結(jié)束后，教師組織全體學生討論，對實驗中未解決和新發(fā)現(xiàn)的問題進行探討、交流［7］，引導學生對實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果、誤差進行討論，將理論知識和實際問題聯(lián)系起來。

2 PBL教學模式在大學物理實驗教學中的實踐

PBL的教學組織過程大致包括：提出問題（教師或?qū)W生）→劃分小組（學生）→歸納假設（學生）→收集資料（學生）→論證研究（教師、學生）→解決問題（教師、學生）→進行驗證（教師、學生）→提出新問題（教師）［8］。本文以“薄透鏡焦距的測量”實驗為例，介紹PBL教學模式的實施過程。

2.1 問題設計

問題是PBL教學活動的主線，問題設計的合理與否直接關(guān)系到課堂教學效果［9］。問題的難度應該符合維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”原則，讓學生能“跳一跳摘桃子”。學生通過頭腦中已有的舊知識，找到新舊知識的聯(lián)系，建構(gòu)新知識，完成有意義學習。本實驗的問題包括：生活中的透鏡有哪些？薄透鏡的焦距是什么？焦距由哪些因素決定？凸透鏡成像有什么特點，如何測量凸透鏡的焦距？凹透鏡成像有什么特點，怎樣讓凹透鏡成實像，如何測量凹透鏡的焦距？實驗過程中，讓學生利用實驗儀器，設計多種方法來測量薄透鏡的焦距。

2.2 實驗的組織

1）教師提出第1個問題“薄透鏡的焦距和哪些因素有關(guān)系？”學生分組討論，教師引導學生回憶薄透鏡成像的高斯公式，透鏡在空氣中、在近軸光線條件下，薄透鏡成像的規(guī)律為1/s′－1/s= 1/f′。教師提出第2個問題“根據(jù)高斯公式，如何測量透鏡焦距？”學生回答問題，測物距s、象距s′可算出焦距f。教師予以肯定，并給學生說明符號規(guī)定：線距均從透鏡中心（光心）量起，與光線行進方向一致時為正，反之為負。公式法測凸透鏡焦距的光路圖如圖1所示。提醒學生，使用高斯公式時注意物距、像距的符號。以小組為單位，設計實驗方案，進行實驗。

圖1 公式法測凸透鏡焦距

教師說明光源使用的注意事項，和激光光源測焦距的優(yōu)勢，講解光學元件同軸等高的調(diào)節(jié)方法。

2）教師提出第3個問題“如何消除由于透鏡厚度引入的誤差？”學生分組討論，設計實驗方案?？刹捎枚纬上穹?，其光路圖如圖2所示。

圖2 二次成像法測凸透鏡焦距

教師巡回指導學生。提醒學生注意公式法和二次成像法測量的是一個透鏡的焦距，測量結(jié)果應該差別不大。

3）教師提出第4個問題“如何測量凹透鏡的焦距？”由于凹透鏡對實物只能成虛像，不能直接用屏來找像的位置。確定凹透鏡所成虛像的位置，或者設法使凹透鏡成實像是設計本實驗的關(guān)鍵［10］。教師繼續(xù)追問，如何讓凹透鏡成實像？學生聯(lián)系凹透鏡成像的特點，進行小組討論。教師和學生共同總結(jié)出問題的答案，根據(jù)光的可逆性原理，凹透鏡對實物成虛像，反之可以對虛物成實像，這個虛物可以通過凸透鏡輔助成像得到。學生設計實驗方案，進行實驗，教師及時指導，提醒學生注意，物距、像距如何確定，符號如何確定。輔助透鏡法測凹透鏡焦距的光路圖如圖3所示。

圖3 輔助透鏡法測凹透鏡焦距

學生自行設計表格，記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出薄透鏡的焦距。

4）提出相關(guān)的實驗問題讓學生自主探究。（1）測凸透鏡焦距還有其他方法嗎？（2）透鏡的焦距大于光具座的長度時，怎樣測定它的焦距？（3）自己設計兩種測量凹透鏡焦距的實驗方案，并說明原理和測量方法。

2.3 結(jié)果分析與評價

實驗結(jié)束后，大部分學生的實驗結(jié)果基本符合參考值。說明學生實驗操作基本達到要求，實驗過程也比較認真。有一小部分的學生實驗結(jié)果有偏差，教師應引導學生分析原因。例如，在確定清晰的像的位置時，可能像的位置沒選擇準確；記錄數(shù)據(jù)，沒有估讀到最小分度的下一位；測量凹透鏡焦距時，物距的大小算成了物屏到凹透鏡的距離；利用高斯公式計算時，沒有注意各物理量的符號等。在整個實驗過程中，教師要及時做出準確的評價并反饋給學生。

3 結(jié)束語

教學實踐表明，PBL教學模式是一個自學、討論、再自學、再討論的學習過程，學生成為學習的主體。PBL教學模式在“薄透鏡焦距的測量”實驗教學中取得了良好的教學效果。真實化的問題情景，加強了理論聯(lián)系實際，并激發(fā)了學生對新知識的興趣和探索；實驗操作過程中，使學生參與探究過程，實驗設計思路清晰，學生對實驗現(xiàn)象和結(jié)果有了更好的理解，有利于加強對高斯公式和薄透鏡成像特點的掌握；以小組為單位的新形式促進了學生之間的交流和溝通，培養(yǎng)了學生的團隊精神與合作意識；教師的及時指導，使教學更具有目標性和方向性。PBL教學模式培養(yǎng)了學生解決實際問題的能力、綜合應用知識的能力、批判性思維能力以及自主學習能力。將PBL教學模式應用于實驗教學，將是《大學物理實驗》教學改革的一種有效實踐。

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App lication of PBL M ode in Thin-lens Focus M easurement Experiment

GAO Guangzhen，JIA Tianjun
（Department of Physics and Electronics Science，Binzhou University，Binzhou 256603，China）

PBL teaching is a teachingmodelwhich with the goal of problem-centered，the study groupsmake knowledge construction around the problem-solving by autonomic learning.The PBL teaching mode was applied in the“Thin lens focusmeasurement experiment”，through the design of problem，and on the basis of analysis and research by study groups，gradually to the experimental depth development.Teachers in the experimentworked as the students'guidance，and provided timely feedback.The practice results indicated that，the implementation of PBL teachingmode in the experimentof thin-lens focusmeasurementexperiment can improve the degree of student participation，and develop the students thinking ability and problem solving ability.

problem based learning；thin-lens；experiment；application

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.033

2013－09－25；修改日期：2013－11－12

濱州學院教學研究基金資助項目（BYJYYB20122 7，BYJYYB201128）；濱州學院校級精品課程基金資助項目（BZXYJPKC201104）。

高光珍（1980－），女，在讀博士，講師，研究方向：物理課程與教學論。