邊紅霞，屠 鵬，胡 冰，肖 雯

（甘肅農(nóng)業(yè)大學 理學院，甘肅 蘭州 730070）

實驗教學是指根據(jù)一定目的，運用一定的儀器、設備等物質(zhì)手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現(xiàn)象及其規(guī)律的教學實踐形式，是學習知識，獲取經(jīng)驗事實和檢驗科學假說、理論真理性的重要途徑。它不僅包括儀器、設備、實驗的物質(zhì)對象，還包括實驗者之間的協(xié)商、交流和資金的獲取等相關社會因素。[1]在實驗課教學過程中，以小組學習為主要組織形式，與同學協(xié)同合作，發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，解決問題，自主探究性地進行知識的整合與建構過程，對學生研究性學習能力的培養(yǎng)起著重要的作用。[2]傳統(tǒng)的實驗教學模式通常是實驗指導教師先進行大約四五十分鐘的理論講授，然后學生分組進行實驗。這種教學模式在實驗室設備臺套數(shù)充足的基礎實驗課教學中，實施起來相對較容易。在教師講授完原理和實驗器材的使用后，學生即可開始實驗操作，實驗過程中學生能夠保持對理論知識進行驗證的強烈興趣，所以實驗者專注力較高，實驗過程也可得心應手。但是，在很多理工科高校的專業(yè)實驗教學中，存在著由于一些大型實驗設備價格較高，學校很難同時配備足夠設備來滿足學生實驗需求的問題，導致實驗效率不高。而使用大型實驗設備進行實驗教學，恰恰是培養(yǎng)學生研究性學習能力的一個重要手段。有時在實驗中為了驗證結果，往往需要測試各種不同情況下的多組數(shù)據(jù)，并且每組測試都需要較長時間。在這種情況下，如果每個小組都進行各種情況的測試，必然會導致實驗過程較長，且實驗效率不高，教師和學生的實驗負擔過重。[3]針對此問題，筆者在教學實踐中探索實施實驗數(shù)據(jù)“共享”的實驗教學模式，是一個比較好的解決辦法。實驗數(shù)據(jù)“共享”教學模式是指在大型實驗設備不足的實驗教學過程中，學生分組進行各種不同情況的實驗測試，待實驗全部完成后各小組進行數(shù)據(jù)“共享”，學生通過對“共享”的數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出最終實驗結論的一種實驗教學模式。該模式的特點是不同組別的實驗者通過與他人實驗數(shù)據(jù)的共享，自主探究性地進行知識的整合與建構，對學生研究性學習能力的培養(yǎng)有著極大的促進作用。但是，“共享”實驗數(shù)據(jù)的教學模式怎樣既保證實驗教學質(zhì)量，又能培養(yǎng)和提高學生的研究性學習能力，是擺在部分專業(yè)實驗課程教師面前的一個難題，同時對教師的教學組織和管控能力提出了新的要求。下面，筆者以《材料力學性能實驗》教學實踐為例，探討“實驗數(shù)據(jù)‘共享’模式”在教學過程的組織和管理中如何促進學生研究性學習能力的提升，希望能為面對同類實驗教學問題的高校實驗教師及實驗管理人員提供借鑒。

1 實驗數(shù)據(jù)“共享”模式下的實踐教學過程組織

筆者所在的材料力學性能實驗室配有2kN的電子萬能實驗機一臺，要為60人的班級開設材料的拉伸、壓縮和彎曲等三個實驗，實驗量大幅超出設備日荷載量。以拉伸實驗為例，為了讓所有學生都能參與實驗，兩人一組，全班被分成30個小組，上下午各15組。按每組拉伸實驗約需15～20分鐘計算，排在第15組的同學大約要等待4～5小時，除去測量試樣基本參數(shù)及理解實驗內(nèi)容所用時間，大部分時間都處于觀察前面小組實驗過程或等待中。同樣，排在前面已經(jīng)完成實驗的同學，除去測量試樣基本參數(shù)、理解實驗內(nèi)容和處理數(shù)據(jù)的時間，也會消耗大部分時間以等待實驗結束。這樣的實驗教學過程，一方面使實驗課堂紀律難以約束，學生學習興趣不足。另一方面，15～20分鐘時間學生只能進行一種拉伸變形速率的測試，不能獲得全面的實驗結果，導致學生對實驗教學效果不認可，大型設備使用過程中學生研究性學習能力的培養(yǎng)更是無從談起。

1.1 預習

實驗指導教師在實驗前一周下發(fā)參考資料，告知學生實驗材料、電子萬能實驗機型號、處理數(shù)據(jù)用軟件等基本信息。要求學生查閱資料，掌握實驗材料的基本特征，著重關注材料的力學性能指標，查閱“拉伸變形速率對材料性能影響”的相關文獻資料；了解實驗設備的用途、測力范圍及精度；下載相關數(shù)據(jù)處理軟件，并熟悉其基本使用方法。

1.2 各小組實驗任務分配

實驗指導教師在實驗前通知學生兩人一組自由組合成30組，抽簽決定實驗次序。然后，按表1所示的六個拉伸變形速率給各組分配實驗任務。前24組中每一個拉伸變形速率下有四個重復組，如果重復組中個別實驗不成功或誤差較大，剩余25～30組的同學可以進行重復實驗，保證各拉伸變形速率下重復組數(shù)目足夠且相同。實驗結束后由學習委員將各組數(shù)據(jù)統(tǒng)一拷貝并負責傳遞給各小組。

表1 拉伸實驗組別及任務分配

1.3 實驗過程中學生任務安排

實驗指導教師在實驗開始前講授材料拉伸性能的評價指標及測定方法，并介紹萬能電子實驗機的使用方法及注意事項。在一組學生做實驗時，教師要求其他組同學開始實驗準備，不能處于空閑等待狀態(tài)。首先安排學生對試樣進行測量標注，學習對單組實驗數(shù)據(jù)的基本處理方法。同時要求學生繼續(xù)學習“拉伸變形速率對材料性能影響”的相關文獻資料，讓學生形成材料力學性能受變形速率影響的概念，互相討論不同拉伸變形速率下材料的特征參量及表征方法，形成如何展示材料性能隨變形速率變化的共識。最后，在實驗結束后，教師簡單向?qū)W生介紹數(shù)據(jù)處理軟件，給出作圖標準，要求學生利用不同拉伸變形速率下的實驗數(shù)據(jù)，研究材料的力學性能隨拉伸變形速率的變化規(guī)律。

1.4 學生“共享”實驗數(shù)據(jù)形成報告

在實驗結束后，每組學生都獲得了一種拉伸變形速率下的實驗數(shù)據(jù)，如彈性模量、屈服強度、抗拉強度、延伸率等基本的材料拉伸性能指標，并將各自獲得的實驗數(shù)據(jù)與其他組同學進行共享。全體學生即可獲得不同拉伸變形速率下的豐富實驗數(shù)據(jù)，可以對不同拉伸速率下材料的性能進行比較分析。

圖1不同變形速率下某高分子材料拉伸工程應力-應變曲線

圖1 為某組學生通過對共享的實驗數(shù)據(jù)處理后得到的各變形速率下某高分子材料拉伸的工程應力-應變曲線，圖中顯示材料的拉伸性能隨變形速率而發(fā)生變化，讓學生對該實驗得到直觀和全面的印象。

表2 各變形速率下某高分子材料的屈服強度和延伸率

同時，學生通過對各重復組實驗數(shù)據(jù)的進一步整理分析，還可獲得材料在不同變形速率下的屈服強度和延伸率數(shù)據(jù)（見表2）。通過表中數(shù)據(jù)學生可以發(fā)現(xiàn)材料的屈服強度隨變形速率增大而增大；延伸率在變形速率為100mm/min和50mm/min時，明顯比高變形速率和低變形速率時要小，從而理解和掌握延伸率的不確定特性。

2 實驗數(shù)據(jù)“共享”教學模式能夠培養(yǎng)學生的研究性學習能力

與上面的實驗教學過程相比較，傳統(tǒng)實驗教學模式中每組學生在完成自己的實驗任務后，只是按照教師的實驗指導處理數(shù)據(jù)，書寫實驗報告，完成實驗教學任務。這種看似完整的教學過程，實質(zhì)上還是按照一定的“老套路”進行的。學生難以發(fā)揮學習的主動性，學習需要得不到滿足。教師安排的預習、查閱資料等任務，對學生而言沒有動力，不被學生所重視。學生既不用投入大量的智力，也不用查閱資料，完全將學習變?yōu)椤爸恍枰冻鲇邢拗橇Φ捏w力勞動”，而沒有激發(fā)出學生的“學習需要”。

圖2 研究性學習的需要驅(qū)動階段圖

“學習需要”即求知欲，是人類最基本的需要之一。[4]馬斯洛的需要層次理論認為，人的需要是分層次的，低級需要獲得滿足后，高一級需要才會出現(xiàn)。[5]在實驗數(shù)據(jù)“共享”教學模式下，學生在完成自己的實驗測試任務后，教師的教學和學生的學習過程都還沒有結束，研究性學習的內(nèi)容才剛剛拉開序幕：為了滿足學生的“學習需要”，實驗指導教師會將學習過程分為圖2所示的兩個主要階段，即正確性需求下心理滿足研究性學習與未知問題解決需要的研究性學習階段。首先，學生都有知道其結果正確性的需求，為了滿足學生的需求，教師鼓勵學生進行文獻資料查閱，對比了解實驗數(shù)據(jù)的正確性。如果正確，學生心理獲得滿足；如果不正確，學生從實驗過程的進行、數(shù)據(jù)記錄與處理各個環(huán)節(jié)尋找問題的原因，最后問題獲得解答，學習心理獲得滿足，研究性學習能力提升。在數(shù)據(jù)正確性需求的層次得到滿足后，學生對材料性能研究的更深層次需要才顯現(xiàn)出來，學生會思考材料為什么會具備這樣的特征?例如，針對“為什么實驗材料的延伸率在拉伸變形速率為100mm/min和50mm/min時變小”的問題，教師可以指出判斷材料延性的另一指標是斷面收縮率，引導學生測量并收集各拉伸變形速率下所有試樣的斷面收縮率，以便進一步證明其是由材料本身的性能引起的，還是由材料中的夾雜物引起的？如果斷面收縮率能夠證明材料的延性變化，那么學生就會形成該材料在上述兩種變形速率下延性降低的認知結果。如果斷面收縮率不能佐證材料的延性變化，那么學生就要進一步思考查找材料內(nèi)部存在的問題。對于這些問題的逐步解決，使學生不斷陷入需要升級的狀態(tài)，將學習引入更深層次，讓其進入真正的研究性學習狀態(tài)，學習心理會獲得極大滿足。整個實驗過程完成后，學生和教師都會發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)“共享”教學模式不僅解決了大型實驗設備不足的問題，保證了實驗教學的質(zhì)量，又培養(yǎng)和提高了學生的研究性學習能力。

3 結 語

本文針對普通高校中普遍存在的大型實驗設備不足的問題，以材料力學性能實驗教學為例，通過實施各小組實驗數(shù)據(jù)“共享”模式下的研究性教學方法，改革了傳統(tǒng)實驗教學模式，在實驗中學生經(jīng)歷了獲取信息、篩選信息、研究信息的實驗數(shù)據(jù)“共享”過程，將獲取到的信息與理論知識進行關聯(lián)，并通過一系列的思維加工，最終獲得了對材料力學性能的綜合認識。該實驗教學模式注重學習的自主性、探究性和綜合實踐性，[6]為學生創(chuàng)設了“研究性”學習氛圍，從學習需求的逐層滿足出發(fā)，促進了學生學習方式的根本性改變，激發(fā)了學生的學習欲望，提高了實驗課程的教學效果。在實驗數(shù)據(jù)“共享”模式下學生研究性學習能力的培養(yǎng)過程中，教師做為實踐過程的主導者，組織和管控了教學過程。而學生做為參與主體，通過智力投入和創(chuàng)造性的實踐經(jīng)驗活動，理解并內(nèi)化了知識，提升了研究性學習能力。[7]這種實驗數(shù)據(jù)“共享”模式的實驗教學方式，不但有效解決了一些高校大型實驗設備不足的問題，同時又培養(yǎng)和提高了學生的研究性學習能力，具有一定的現(xiàn)實意義。