王曉鷗　劉志國　鄭仰東　韓 權(quán)　周可雅　趙 遠　張 宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院物理系　黑龍江 哈爾濱　150001)

?

“工作室物理”教學(xué)模式在大學(xué)物理課程中的應(yīng)用*

王曉鷗劉志國鄭仰東韓 權(quán)周可雅趙 遠張 宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院物理系黑龍江 哈爾濱150001)

“工作室物理”教學(xué)模式已在美國麻省理工學(xué)院等知名大學(xué)中廣泛使用.“工作室物理”將學(xué)生的探索研究融入到課堂教學(xué)中，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性.我們在大學(xué)物理課程中使用了這種教學(xué)模式，實現(xiàn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí).發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)模式對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)造性的思維、高水平的推理和批評性思維能力等方面都起到了積極作用.實踐證明，工作室物理不僅培養(yǎng)了學(xué)生探索物理知識的能力，還全面培養(yǎng)了學(xué)生在集體環(huán)境中自我學(xué)習(xí)、自我成長、自我完善的能力.

工作室物理互動式教學(xué)圓桌式布局

1　引言

在傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式中，學(xué)生是被動的傾聽者、接受者，他們的注意力主要是放在對知識要點的掌握上．這在一定程度上剝奪了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，限制了學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)造性思維的發(fā)展．

“工作室物理”(Studio Physics)教學(xué)模式的最大特點是將傳統(tǒng)授課和課堂活動融為一體，最早是由美國倫塞勒工學(xué)院(簡稱RPI)創(chuàng)立的教學(xué)方式[1]．其宗旨是倡導(dǎo)教師引導(dǎo)、學(xué)生主動獲取知識、主動探索物理規(guī)律，學(xué)生之間、師生之間互動、互助式的教學(xué)模式，使學(xué)生在課堂上便能對老師講授的內(nèi)容有更深刻的理解，進而提升學(xué)習(xí)成效．是充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念的最佳教學(xué)模式．

目前，這種教學(xué)模式已在美國、中國臺灣地區(qū)以及一些歐洲國家的大學(xué)盛行了將近20年的時間[2～6]，美國麻省理工學(xué)院(MIT)是使用該教學(xué)方法最具影響力的學(xué)校之一[7]，該校于2002年，就在物理課程的教學(xué)中采用了這一教學(xué)方法，并取得了良好的教學(xué)成效．由于工作室物理教學(xué)模式的成功，如今，美國一些大學(xué)已經(jīng)開始在化學(xué)、工程類等[8, 9]課程中實施這種教學(xué)模式．

2　“工作室物理”教學(xué)模式

標(biāo)準(zhǔn)的工作室物理需要在一個專門的工作室物理教室中進行．這一教室除了具備一般多媒體教室的功能之外，在每一張課桌上放上小型實驗儀器，有條件的情況下，在課桌上配備網(wǎng)口和與LabPro Device相連接的USB接口，通過Logger Pro數(shù)據(jù)采集軟件，可以將桌上實驗的數(shù)據(jù)進行采集處理，從而方便學(xué)生對數(shù)據(jù)進行分析．圖1給出了RPI的工作室物理教室實景．

圖1　RPI的工作室物理教室實景

根據(jù)認知心理學(xué)原理：學(xué)生在課堂上的注意力以及聽課效率與所選擇的座位有直接關(guān)系．在圖2所示的傳統(tǒng)布局的教室中，橢圓陰影范圍內(nèi)的學(xué)生上課時注意力更集中、聽課效率要更高些．麻省理工學(xué)院(MIT)根據(jù)學(xué)生有效聽課范圍，在RPI的工作室物理教室的基礎(chǔ)上將學(xué)生的座位重新布置，如圖3所示．從空間布置上來看，教學(xué)場所的課桌椅被擺放成圓形(或說環(huán)形)，教師的講臺位于環(huán)形擺布圓桌的中央，以此為中心的四周是一圈一圈的環(huán)形課桌椅，學(xué)生圍繞圓桌而坐，也形象叫做圓桌式教學(xué)．這種課堂布局建立了一種師生平等、民主的課堂氣氛，可減少學(xué)生的心理壓力；便于學(xué)生自由發(fā)言，便于開展討論式教學(xué)，易于學(xué)生-學(xué)生之間、教師-學(xué)生之間的溝通與交流；這種教育模式能更好地實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，促進學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮學(xué)生潛能．

圖2　傳統(tǒng)式教學(xué)的教室布局

圖3　工作室教學(xué)模式所用教室平面圖

圖4是MIT工作室物理教室實景，能容納60～90人．圖5是臺灣中正大學(xué)的工作室物理教室實景．截止到2009年，臺灣中正大學(xué)已建立了兩個工作室物理教室，分別內(nèi)置11個圓桌和13個圓桌，能容納99～117名學(xué)生．

臺灣中正大學(xué)的工作室物理教室每張圓桌坐9個學(xué)生，每3個學(xué)生為一個小組，每桌分為3組，每組有1臺電腦、1套小型演示實驗裝置，每張圓桌上共有3臺電腦、3套小型演示實驗裝置，教室的4面墻上共有6個屏幕，方便不同方位學(xué)生觀看．

圖4　MIT教室實景

圖5　臺灣中正大學(xué)教室實景

學(xué)生可利用現(xiàn)代技術(shù)手段對實驗數(shù)據(jù)進行采集、整理、分析，加深理解在不同物理條件下物理現(xiàn)象的變化規(guī)律．在教學(xué)過程中，教師可作精簡的講授，之后學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位做實驗(稱為課堂活動)．每個班級配備一名主講教師，一名研究生助教，一名本科生助教．助教的作用是在課堂活動期間巡視課堂，及時解決學(xué)生的問題．這種教學(xué)模式強調(diào)學(xué)生探究式和互助式學(xué)習(xí)，是一種以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，師生間、學(xué)生間高度互動最有效的教學(xué)手段，對建構(gòu)知識和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力非常有效．本文介紹我們使用“工作室物理”教學(xué)法的體會和經(jīng)驗．

3　“工作室物理”教學(xué)模式在大學(xué)物理課程中應(yīng)用

從2014年春季學(xué)期開始到2015年秋學(xué)期，前后用了2年的時間，每學(xué)期從英才學(xué)院抽出一個小班(30～40人)作為教學(xué)試點班，在大學(xué)物理課程中進行工作室物理教學(xué)嘗試．2016年春季學(xué)期開始在英才學(xué)院、電氣學(xué)院等4個大班全面使用工作室物理教學(xué)模式．受教室條件、演示實驗套數(shù)所限，我們采取傳統(tǒng)授課和工作室物理教學(xué)相結(jié)合的模式．根據(jù)我們現(xiàn)有演示實驗套數(shù)將一個小班(30～40人)學(xué)生分成4個討論小組，每組8～10人，共用一個由4張課桌拼接而成的平臺，每個小組配備一套實驗設(shè)備，學(xué)生可以自由操作演示實驗，并相互討論．我們?yōu)檫@個試點班配備一名主講教師、一名助講教師．

具體做法是：教師首先引導(dǎo)學(xué)生做與本次課程內(nèi)容相關(guān)的演示實驗，然后根據(jù)實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生研究物理規(guī)律，探索物理本質(zhì)；對于那些深奧的物理規(guī)律，在學(xué)生做完演示實驗后，由教師結(jié)合演示實驗現(xiàn)象作系統(tǒng)講解．這種教學(xué)模式既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又鍛煉了學(xué)生的動手能力，既培養(yǎng)了學(xué)生探索、研究的主觀主動性又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)造能力．學(xué)生對所學(xué)知識的理解也更深入，真正實現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，發(fā)揮了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性．圖6(a)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)的工作室物理教室實景，圖6(b)、(c)、(d)為學(xué)生正在操作、研究、討論實驗現(xiàn)象，探索實驗規(guī)律及其物理本質(zhì)．

圖6　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工作室物理教學(xué)課堂實景

3.1在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和能力培養(yǎng)方面的作用

由于學(xué)生習(xí)慣了傳統(tǒng)的“灌輸式”授課方式，我們剛開始應(yīng)用“工作室物理”教學(xué)模式時，課堂氣氛比較嚴肅．盡管老師多次鼓勵學(xué)生動手實驗和參與討論，大多數(shù)學(xué)生還是不愿參與，只是被動地期待老師給出問題的答案．后來，老師移走了講臺，讓學(xué)生收起課本，課堂氣氛逐漸活躍，學(xué)生參與的熱情高漲，如圖6所示，每個學(xué)生都參與了課堂的教學(xué)活動．學(xué)生之間的討論越來越多，而且也能夠向老師提出很多奇思妙想的問題．一些平時不愿意說話的學(xué)生也很勇敢地在課堂上提出自己的想法和問題．

現(xiàn)在的大學(xué)生思維活躍，對很多問題都有自己獨到的見解．“工作室物理”教學(xué)模式以學(xué)生為課堂的中心，能夠通過學(xué)生之間的討論和教師的引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動提出問題、分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新與創(chuàng)造性思維能力．

在工作室物理課堂，學(xué)生更愿意主動與授課老師進行溝通，一些比較害羞和偏內(nèi)向的學(xué)生也能主動與同學(xué)、與老師交流，在這種環(huán)境與氛圍下，對深奧物理知識的學(xué)習(xí)變成了一件輕松愉悅的事情．

同學(xué)甲覺得這樣的上課方式非常新鮮，像玩一樣，上起課來也更有熱情，他說：“相對于只是老師演示實驗，工作實物理課堂這種方式讓人印象更加深刻，不僅看到了現(xiàn)象，而且通過反復(fù)地對比操作，會思考這種現(xiàn)象是如何出現(xiàn)的，對一些物理原理的理解得更深了．”

再如，同學(xué)乙對渦流熱效應(yīng)演示儀非常感興趣，當(dāng)她的演示效果呈現(xiàn)時，即通過渦流熱效應(yīng)使凹槽里的冷水變熱時，非常興奮．她說：“工作室物理教學(xué)讓我們動手多了，可以進行多種嘗試，只要明白涉及的一些原理，實驗就很好理解了．而且可以隨時和老師、同學(xué)進行交流，非常有現(xiàn)場感．”

在傳統(tǒng)教學(xué)中，主講教師一言堂，演示實驗由主講教師操作，學(xué)生無法參與，課堂上也沒有更多的時間和機會對實驗現(xiàn)象進行更加深入的探討分析；而在工作室物理教學(xué)中，學(xué)生可親自參與實驗操作，并對實驗現(xiàn)象進行分析、比較，可加深對物理效應(yīng)、物理規(guī)律的理解．如圖6所示，在工作室物理課堂上，學(xué)生認真地關(guān)注實驗的每一個細節(jié)，比較、分析每一個現(xiàn)象，有時甚至將兩組相同的實驗放在一起演示，比較不同條件下的實驗現(xiàn)象，總結(jié)實驗規(guī)律，在興趣與快樂中引導(dǎo)學(xué)生如何研究物理現(xiàn)象和物理過程．

例如在做“麥克斯韋滾擺演示實驗”時，很多學(xué)生并不滿足于實驗中展示的機械能守恒及重力勢能和轉(zhuǎn)動動能之間的轉(zhuǎn)化，指導(dǎo)教師就鼓勵學(xué)生運用剛體轉(zhuǎn)動的知識對實驗現(xiàn)象進行分析，并最終把該物理過程抽象為一個例題在習(xí)題課上與學(xué)生進行分享，這種由學(xué)生參與完成的例題，學(xué)生們自然感興趣，并從中研究了物理過程．

3.2“工作室物理”教學(xué)模式的優(yōu)點

這種教學(xué)模式的實質(zhì)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，是一個專門為促進活躍的、合作式的學(xué)習(xí)而打造的學(xué)習(xí)環(huán)境．教室的布置是為促進學(xué)生團隊在短期任務(wù)中的互動，同時也營造了一種輕松的學(xué)習(xí)氛圍，達到大班教學(xué)如同小班教學(xué)的效果．其優(yōu)點在于：

(1)絕大多數(shù)的學(xué)生都分布在有效聽課區(qū)域內(nèi)，可提高聽課效率；

(2)將實驗操作融入到課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識，更重要的是讓學(xué)生感受物理，完全整合了理論和實驗課堂，可充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；

(3)所有學(xué)生與教師保持相當(dāng)合適的距離，形成一種學(xué)生平等、師生易于溝通和交流的良好課堂氛圍，便于實施互動式教學(xué)．

這種教學(xué)模式不僅實現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，還很快就能見到學(xué)習(xí)成效，切實貫徹了教師引導(dǎo)、學(xué)生參與的互動式教學(xué)的宗旨．

基于建構(gòu)主義理論，這種“工作室物理”課堂教學(xué)模式的主要特點是將教學(xué)理念與教學(xué)特色融入整個教學(xué)過程中，承認教師在學(xué)生知識架構(gòu)以及情感態(tài)度與價值觀形成中的引導(dǎo)作用；注重課堂中諸客體之間互動的暢達平等(如教室中的擺設(shè)會因時制宜，物與我的交流，師生互動對教材個性化生成，人對自然人文環(huán)境的關(guān)注與協(xié)調(diào)等)，尤其尊重學(xué)生的獨特性體驗與創(chuàng)見，不管這些體驗和創(chuàng)建是否成熟，要培養(yǎng)學(xué)生自我審視的習(xí)慣．工作室物理教學(xué)模式符合學(xué)生的認知規(guī)律，具有一定的科學(xué)性．

教學(xué)實踐表明，“工作室物理”教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)的單向知識傳授模式，是探究式、討論式、互動式的教學(xué)，它鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)會相互學(xué)習(xí)，教會學(xué)生如何去思考，有利于學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的全面發(fā)展．學(xué)生在工作室物理課堂環(huán)境中還提升了自我學(xué)習(xí)、自我成長、自我完善的能力以及團隊合作精神．

1王鑫, 劉全慧. 工作室課堂與大學(xué)物理教育——介紹美國 Studio Physics 教學(xué)模式. 大學(xué)物理， 2010, 29 (2): 54～56

2Cummings K, Marx J, Sornton R, et al.，Evaluating Innovations in Studio Physics, Physics Educational Research.American Journal of Physics, Supp l. 1999(67): S38～S45

3Karen Cummings, Jeffrey Marx, Ronald Thornton, and Dennis Kuhl，Evaluating innovation in studio physics.Phys.Educ.Res.,Am.J.Phys.1999,67(7):S38

4Patrick B.Kohl,H.Vincent Kuo,and Todd G.Ruskell，Documenting the conversion from traditional to Studio Physics formats at the Colorado School of Mines:Process and early results.AIP Conf.Proc.，2008.1 064,135

5T.E.Furtak and T.R.Ohno，Installing Studio Physics.The Physics Teacher，2001.39

6G?k,Tolga.Exploring of Students′ Performances,Motivation Processes and Learning Strategies in Studio Physics.Latin-American Journal of Physics Education，2011,5(1):1 870～9 095

7John W.Belcher.，Studio Physics at MIT (see http://web.mit.edu/cet/)

8Lu T M.Turmoil and Opportunities in Higher Education.New York: Integrated Book Technology，1999

9Amy C.Gottfried,Ryan D.Sweeder,Jeffrey M.Bartolin,et al.，Design and Implementation of a Studio-Based General Chemistry Course.Journal of Chemical Education，2007, 84(2):265

王曉鷗(1960-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)非線性的研究及大學(xué)物理的教學(xué)工作.

2016-05-17)

*黑龍江省高等教育科學(xué)研究2014年重點課題，課題編號：14Z001