李雪琴,趙云芳,唐艷妮,羅積軍

(火箭軍工程大學(xué) 理學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710025)

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚧橄鬄榫唧w，化枯燥為生動(dòng)，把日常生活中接觸到的物理現(xiàn)象，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)方式再現(xiàn)，將“生活世界”轉(zhuǎn)換為“物理世界”，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的重要途徑之一[1-2]. 基于學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由具體到抽象這一普遍規(guī)律，將演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程與布盧姆的認(rèn)知目標(biāo)分類理論相結(jié)合，提出了基于目標(biāo)分類的物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法. 該方法先后通過(guò)教師講解演示加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，學(xué)生互動(dòng)體驗(yàn)物理原理的具體應(yīng)用，師生討論總結(jié)揭示現(xiàn)象背后的物理原理，從而在探索求知過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力.

1 基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，以不超過(guò)20人的小班為教學(xué)單位，讓學(xué)生在體驗(yàn)探索中掌握物理原理及其應(yīng)用，在分析討論中激發(fā)創(chuàng)造性思維，在創(chuàng)新制作中提高實(shí)踐動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新能力. 長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐表明：基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果.

人的認(rèn)知目標(biāo)是從識(shí)記相對(duì)簡(jiǎn)單的知識(shí)到形成抽象思維的漸進(jìn)過(guò)程,布盧姆把教育的認(rèn)知目標(biāo)分成六大主類，即:記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造[3]. 基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法將布盧姆的教育目標(biāo)分類理論與演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程相結(jié)合，分為教師原理講解、教師儀器演示、學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)、師生互動(dòng)探討、分享收獲體會(huì)、學(xué)生自制儀器6個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示. 這6個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，前一環(huán)節(jié)是后一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)和前提，后一環(huán)節(jié)是前一環(huán)節(jié)的發(fā)展和深化，而且各環(huán)節(jié)之間又是互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)、互相制約[4]. 現(xiàn)以太陽(yáng)能發(fā)電演示儀器為例，對(duì)基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行具體的教學(xué)過(guò)程說(shuō)明.

圖1 基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法流程

1.1 教師講解原理——記憶

記憶是人們對(duì)具體事物和普遍原理的識(shí)記，或者對(duì)方法和過(guò)程的回憶，是所有學(xué)習(xí)活動(dòng)的首要環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲得知識(shí)和能力發(fā)展的前提和基礎(chǔ)[4]. 對(duì)于陌生的知識(shí)點(diǎn)，首先要讓學(xué)生對(duì)其概念特征進(jìn)行區(qū)分、認(rèn)識(shí)，并在頭腦中留下一定的印象，然后通過(guò)再認(rèn)和回憶加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的了解和掌握. 對(duì)于具體的演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師在講解演示之前先提示、引導(dǎo)學(xué)生回憶相關(guān)的物理原理或定律，再根據(jù)學(xué)生的回答情況進(jìn)行總結(jié)歸納，以此加深學(xué)生對(duì)原有知識(shí)的理解和掌握. 例如，對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電演示儀(如圖2所示)，學(xué)生基本都知道其原理為半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，但是對(duì)其中的深入細(xì)節(jié)并不清楚，這就需要教師進(jìn)一步講解原理. 教師在演示該儀器之前，依次提出3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：什么是光伏效應(yīng)？PN結(jié)是如何形成的？PN結(jié)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用是什么？根據(jù)學(xué)生的回答情況，教師進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明. 通過(guò)問(wèn)答環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅回顧并完善了關(guān)于太陽(yáng)能發(fā)電的固有知識(shí)，而且在教師講解過(guò)程中對(duì)PN結(jié)兩側(cè)電位差的形成以及光伏材料的生產(chǎn)制作工藝有了更深入的了解. 教師針對(duì)具體演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式講解方法，對(duì)儀器基本原理進(jìn)行講解介紹. 通過(guò)對(duì)物理原理的提問(wèn)，結(jié)合實(shí)物儀器進(jìn)行講解，驅(qū)動(dòng)學(xué)生從長(zhǎng)時(shí)記憶中提取相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的識(shí)別與再認(rèn)知的過(guò)程.

圖2 太陽(yáng)能發(fā)電演示儀

1.2 教師演示儀器——理解

理解是在記憶的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的掌握. 通過(guò)第一步實(shí)驗(yàn)原理講解，學(xué)生對(duì)演示儀器的工作原理已經(jīng)有了明確的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行儀器的具體項(xiàng)目演示. 太陽(yáng)能發(fā)電演示儀中的太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，生成的電能可用于日常照明、家用電器供電，還可儲(chǔ)存起來(lái)為其他可充電設(shè)備充電. 教師在進(jìn)行操作演示儀器時(shí)，邊演示邊討論，例如：讓學(xué)生闡述太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)，舉例說(shuō)明太陽(yáng)能在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，或讓學(xué)生分析太陽(yáng)能電池板的面積與發(fā)電量之間的關(guān)系，等等. 教師采用師生探討演示的模式，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的物理思維和科學(xué)探究的有效方法. 在演示過(guò)程中學(xué)生可以將具體的物理現(xiàn)象和物理原理對(duì)應(yīng)起來(lái)，把“生活世界”轉(zhuǎn)換為“物理世界”，加深對(duì)物理原理的理解和掌握.

1.3 學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)——應(yīng)用

經(jīng)過(guò)教師的講解和演示，學(xué)生已經(jīng)對(duì)儀器有了直觀感性認(rèn)識(shí)，并產(chǎn)生了探究興趣，教師強(qiáng)調(diào)儀器使用注意事項(xiàng)后，學(xué)生可親自操作體驗(yàn). 在實(shí)踐體驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師布置具有探究性和啟發(fā)性的問(wèn)題，要求學(xué)生在理解演示實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，仔細(xì)研究實(shí)驗(yàn)裝置，并在體驗(yàn)結(jié)束后回答教師提出的問(wèn)題. 例如，太陽(yáng)能發(fā)電演示儀的體驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要思考的問(wèn)題分別為：影響太陽(yáng)能板發(fā)電量的主要因素有哪些？影響太陽(yáng)能利用率的主要因素有哪些？讓學(xué)生在體驗(yàn)環(huán)節(jié)帶著問(wèn)題探索實(shí)踐，不僅可激發(fā)學(xué)生探究知識(shí)的興趣，而且在鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力基礎(chǔ)上，也能激發(fā)學(xué)生主體的創(chuàng)造性思維.

1.4 師生互動(dòng)探討——分析

學(xué)生經(jīng)過(guò)親自操作體驗(yàn)，獲得了豐富的感性知識(shí)，在此基礎(chǔ)之上，由教師組織分析探討，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中遇到的問(wèn)題答疑解惑，并對(duì)學(xué)生在體驗(yàn)環(huán)節(jié)中需要思考的探究性問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié). 在此環(huán)節(jié)，先讓學(xué)生陳述相關(guān)問(wèn)題的答案，再由教師進(jìn)行分析總結(jié)，要引導(dǎo)學(xué)生從根本的實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，尋求問(wèn)題的主要突破口. 例如影響太陽(yáng)能板發(fā)電量的主要因素可以從太陽(yáng)輻射量、太陽(yáng)能電池板的材料組成和面積等方面進(jìn)行分析，影響太陽(yáng)能利用率的主要因素可以從太陽(yáng)能電池組件的傾斜角度、太陽(yáng)能電池組件的效率、組合損失、溫度特性、灰塵損失、線路損失等方面進(jìn)行分析總結(jié). 通過(guò)對(duì)演示儀器的深入探討和分析，不僅加深學(xué)生對(duì)物理原理的理解，而且能夠提高學(xué)生觀察能力、分析能力和邏輯思維能力.

1.5 學(xué)生分享收獲——評(píng)價(jià)

分享體會(huì)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生談?wù)剬?duì)太陽(yáng)能利用的認(rèn)識(shí). 例如：目前太陽(yáng)能利用包含哪些領(lǐng)域?太陽(yáng)能利用效率如何?太陽(yáng)能發(fā)電裝置有哪些待改進(jìn)的缺陷？學(xué)生可以在課堂上暢所欲言，而對(duì)于一些尚有爭(zhēng)議的問(wèn)題，在課后查閱相關(guān)資料. 最后為學(xué)生布置開(kāi)放性作業(yè)，針對(duì)目前的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不足之處，提出創(chuàng)新想法或改進(jìn)建議. 利用類似于太陽(yáng)能發(fā)電這種應(yīng)用型演示儀器，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)緊密結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理原理對(duì)人類生活產(chǎn)生的巨大影響，使學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的認(rèn)識(shí)世界、改造世界的觀念，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[5].

1.6 學(xué)生自制儀器——?jiǎng)?chuàng)造

經(jīng)過(guò)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電演示儀器的課堂演示實(shí)驗(yàn)講解、體驗(yàn)、討論及課后查閱資料等一系列環(huán)節(jié)，有學(xué)生確立了自己的創(chuàng)新想法. 學(xué)生通過(guò)查閱資料了解到，目前固定放置的太陽(yáng)能發(fā)電裝置不能根據(jù)太陽(yáng)方位的變化而變換位置，這就使得太陽(yáng)能利用效率大大降低. 改進(jìn)方法為制作自動(dòng)追日光伏發(fā)電系統(tǒng)，以此提高太陽(yáng)能利用率. 另外，因粉塵污染導(dǎo)致的“熱斑效應(yīng)”使太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率明顯下降. 為解決該問(wèn)題，在自動(dòng)追日光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加自清潔系統(tǒng)，及時(shí)清洗太陽(yáng)能發(fā)電板表面的粉塵，提高光電轉(zhuǎn)化效率. 該想法得到了實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可，并提供了學(xué)生創(chuàng)新基金，支持其完成自清潔追日光伏發(fā)電系統(tǒng)[6].

基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為最終目標(biāo)，讓學(xué)生在所學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)之上，將創(chuàng)新想法付諸創(chuàng)新實(shí)踐. 通過(guò)獨(dú)立選題、設(shè)計(jì)方案、觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論、探索發(fā)現(xiàn)新的研究成果,學(xué)生的科研實(shí)踐能力得到了鍛煉，綜合素質(zhì)得到了提升，不僅對(duì)教學(xué)效果的提升具有很大的幫助，而且取得了較多的創(chuàng)新成果，如表1所示.

表1 2015-2016年度部分優(yōu)秀獲獎(jiǎng)演示實(shí)驗(yàn)作品

2 基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義

2.1 對(duì)學(xué)生的影響

基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法使學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上自主體驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在體驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維并鼓勵(lì)學(xué)生自制演示儀器. 自制演示儀器設(shè)備的研制過(guò)程，對(duì)學(xué)生而言是創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過(guò)程. 學(xué)生在參與研制過(guò)程中，真正體會(huì)到了學(xué)以致用的樂(lè)趣，激發(fā)了創(chuàng)造興趣，提升了創(chuàng)新思維能力以及實(shí)踐動(dòng)手能力. 因此，自制物理演示儀器對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)具有非常重要的推動(dòng)作用.

2.2 對(duì)教師的影響

基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法雖然是以學(xué)生為主體，以學(xué)生創(chuàng)新自制演示儀器為目的，但是始終離不開(kāi)教師的指導(dǎo)與參與. 學(xué)生自制演示儀器過(guò)程中，從課題選取、儀器構(gòu)造、線路設(shè)計(jì)等方面都需要精心設(shè)計(jì)和再創(chuàng)造. 在此過(guò)程中，教師作為指導(dǎo)者和參與者，通過(guò)對(duì)學(xué)生自制演示設(shè)備的設(shè)計(jì)把關(guān)、調(diào)試整改，教學(xué)科研水平得到了提升[7]. 同時(shí)，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新能力的優(yōu)秀學(xué)生也能夠增強(qiáng)教師的榮譽(yù)感.

2.3 對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的貢獻(xiàn)

以培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力為目的的目標(biāo)分類演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，為推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)揮了不可替代的作用. 首先，學(xué)生創(chuàng)新自制的演示儀器具有靈活性、直觀性、適用性和經(jīng)濟(jì)性[8-9]，能夠豐富實(shí)驗(yàn)室資源，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)儀器的不足，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)力和影響力[10]. 其次，學(xué)生創(chuàng)新自制演示儀器與我校教學(xué)特色緊密結(jié)合，能夠展示物理原理在國(guó)防軍事中的應(yīng)用，不僅促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且能夠激發(fā)其他學(xué)生的創(chuàng)新熱情，帶動(dòng)更多學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐. 最后，學(xué)生創(chuàng)新自制演示儀器便于維護(hù)和管理，教師對(duì)學(xué)生自制儀器的原理結(jié)構(gòu)十分了解，能夠及時(shí)查明儀器故障原因并修復(fù).

3 結(jié)束語(yǔ)

基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，旨在為學(xué)生學(xué)習(xí)物理原理和科技知識(shí)創(chuàng)設(shè)良好的物理情境，以此激發(fā)學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)新精神. 該教學(xué)方法把高素質(zhì)人才的培養(yǎng)、教師的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)很好地融為一體，彰顯了自身特色，滿足綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性等現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求[11]. 因此，基于目標(biāo)分類的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)人才、提高教師教學(xué)科研水平和推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有十分積極的作用.

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