師玉榮，馬 君

(中國海洋大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 青島 266100)

在中國海洋大學(xué)“通識為體，專業(yè)為用”的教學(xué)理念指引下，基于大學(xué)物理演示實驗面向全校文理學(xué)生開設(shè)“探究物理現(xiàn)象”通識課程. 該課程2008年開設(shè)，最初課程名稱為“文科物理演示實驗”和“理科物理演示實驗”，文理分開，后改為偏重文科的“趣味物理演示實驗”，現(xiàn)在是文理兼容的“探究物理現(xiàn)象”，課程名稱的改變體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計理念的不斷革新，從講授為主到引導(dǎo)探究，再到引導(dǎo)學(xué)生主動探究，強調(diào)學(xué)生動手實踐. 該課程被評為中國海洋大學(xué)“2015年通識教育核心課程”，該課程32學(xué)時，1.5學(xué)分，每學(xué)年開設(shè)1～3個班，每班限選30人.

通識教育強調(diào)學(xué)習(xí)途徑[1]，大學(xué)不像基礎(chǔ)教育對教科書內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而是注重訓(xùn)練學(xué)生的思維. 基于對通識教育理念的思考，“探究物理現(xiàn)象”課程的教學(xué)設(shè)計不但注重通過物理演示實驗使學(xué)生獲得物理知識，更注重學(xué)生獲得物理知識的途徑和思維能力的培養(yǎng). 課堂形式為：約30名學(xué)生分成5個組，每個小組的5～6名組員圍坐1張方桌，5個方桌圍著教師、演示桌和白板，分組學(xué)習(xí)的過程采用小組討論、協(xié)作實驗的方式. 選課的學(xué)生文理均有，物理基礎(chǔ)參差不齊，課程內(nèi)容設(shè)計應(yīng)該寬口徑、文理通融. 每個小組成員文理學(xué)生兼有，這樣小組學(xué)習(xí)活動中文理思維可以很好地互補. 經(jīng)過多年的教學(xué)實踐和不斷探索，該課程逐步形成了強調(diào)探究過程和動手能力的“4F引導(dǎo)探究”和“項目任務(wù)驅(qū)動”的教學(xué)設(shè)計，實踐中2種教學(xué)過程相互滲透、相互加強，取得了很好的教學(xué)效果.

1 實踐教學(xué)的條件保障及教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的安排充分考慮到不同教學(xué)內(nèi)容的特點和物理演示實驗室的條件. 演示實驗的特點是現(xiàn)象明顯、操作簡單，與大學(xué)物理授課內(nèi)容緊密相關(guān)，缺點是每個實驗只有1套儀器(物理演示實驗室有120多套演示實驗儀器). 為了創(chuàng)造學(xué)生可以自學(xué)、自主實驗的平臺，一方面實驗室購置了大量的實驗器材，例如磁鐵、導(dǎo)線、電機、鐵架臺、電烙鐵、熱熔膠等，讓每位學(xué)生都能參與實驗；另一方面培訓(xùn)學(xué)生充分利用智能手機和電腦開展實驗[2-3]，例如Phyphox軟件，可以充分利用手機的各種傳感器進行磁場強度、頻譜、加速度等的測量，也可以提供特定頻率的聲音，F(xiàn)FT Spectrum Analyzer等手機軟件為開展實驗提供了有力的幫助；手機的拍攝功能和電腦Tracker等軟件可以處理運動物體的運動軌跡、速度和加速度等.

4F引導(dǎo)探究和項目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)過程都屬于建構(gòu)主義學(xué)派的方法，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的實質(zhì)是真實的情境中學(xué)生在教師的幫助下自主探索并和其他學(xué)生進行廣泛交流，通過解決問題來建構(gòu)知識體系[4]. 自主建構(gòu)學(xué)習(xí)的時間不能太短，不完成1個主題則不能達到教學(xué)效果，為此該課程教學(xué)安排應(yīng)充分考慮教學(xué)內(nèi)容的特點. 例如質(zhì)點力學(xué)，從錐體上滾、逆風(fēng)行舟、各種球的碰撞到轉(zhuǎn)動圓盤上質(zhì)點的運動，儀器結(jié)構(gòu)簡單，實驗操作簡便，實驗現(xiàn)象明顯，這部分內(nèi)容學(xué)生比較熟悉，生活中體驗也多. 所以這部分的內(nèi)容以4F引導(dǎo)探究方式為主，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活體驗提出探究問題. 而電學(xué)、磁學(xué)、波動光學(xué)等教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生日常生活的體驗不多，而且實驗現(xiàn)象比較細微，實驗室可以提供實驗材料，因此課堂主要采用項目任務(wù)驅(qū)動方式，學(xué)生分組實驗，在實驗過程中體驗學(xué)習(xí)物理知識的樂趣.

2 4F引導(dǎo)策略用于探究式學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計

4F引導(dǎo)法是多層次的提問引導(dǎo)策略，該策略包括：Fact(事實)，F(xiàn)eel(感受)，F(xiàn)ind(發(fā)現(xiàn))，F(xiàn)uture(應(yīng)用). 將該策略融入到教學(xué)設(shè)計中，可以循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生觀察、感受、詮釋和應(yīng)用，該策略協(xié)助教師引導(dǎo)學(xué)生連接經(jīng)驗，融入課堂討論，激發(fā)學(xué)習(xí)動力[5]. 選修探究物理現(xiàn)象課程的學(xué)生大多是低年級的學(xué)生，激烈的高考使學(xué)生普遍缺乏提出問題的能力，而4F策略可以很好地引導(dǎo)學(xué)生層層深入地提出探究問題，自主學(xué)習(xí).

結(jié)合物理演示實驗教學(xué)的特點和多年物理演示實驗探究式教學(xué)的經(jīng)驗，下面以最速降線實驗為例，詳細介紹4F引導(dǎo)策略引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的步驟. 4F引導(dǎo)策略的教學(xué)設(shè)計過程及教學(xué)目標(biāo)如表1所示.

表1 4F引導(dǎo)策略的教學(xué)設(shè)計過程及示例

由上面的例子可以看出：4F引導(dǎo)策略能夠引導(dǎo)學(xué)生的思維經(jīng)歷聚合→發(fā)散→聚合→發(fā)散的過程，該過程一方面能保持學(xué)生的注意力，另一方面能引導(dǎo)學(xué)生層層深入發(fā)掘問題，使討論不偏離主題，能夠引導(dǎo)學(xué)生更有效地討論. 特別重要的是由于問題的層層深入，而且有發(fā)散有聚斂，所以小組自主討論學(xué)習(xí)過程中，理科生因物理理論基礎(chǔ)好可以很好地帶領(lǐng)小組尋找問題的答案，文科生因發(fā)散性思維更突出可以發(fā)現(xiàn)更多的問題，文理思維互相補充、互相碰撞，使學(xué)生可以更有效地進行自主探究式學(xué)習(xí).

第1周主要對學(xué)生進行培訓(xùn)，教學(xué)過程中教師主要做必要的引導(dǎo)、提示，知識是學(xué)生自己討論出來的，自己建構(gòu)的. 實踐表明：小組學(xué)習(xí)采用4F引導(dǎo)策略，能夠讓學(xué)生更有效地進行自主探究式學(xué)習(xí).

3 項目任務(wù)驅(qū)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力

在中學(xué)階段學(xué)生學(xué)習(xí)物理做了大量的習(xí)題，但是接觸物理實驗的時間非常有限，所以學(xué)習(xí)的物理知識很難與生活體驗和實際應(yīng)用聯(lián)系起來. 進行課程設(shè)計時特別強調(diào)學(xué)生動手實驗，讓學(xué)生敢動手、會動手，同時在體驗中學(xué)習(xí)物理知識.

項目教學(xué)法是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組團隊的形式相對獨立地處理項目，通過團隊協(xié)作選題和計劃提出項目構(gòu)思，然后進行實施、改進、完成項目和展示項目等多個過程，并最終解決實際問題. Stoller認為項目教學(xué)是完全基于成員合作的小組活動，以公開演示或表演的形式展示成果，在此過程中，學(xué)生能夠掌握所需的知識和技能[6]. 學(xué)生在完成項目的過程中動手能力和團隊協(xié)作能力得到提高，組員可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，通過獨立解決問題的方式能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[7].

動手實驗的項目任務(wù)分2種：小組小項目任務(wù)和小組大項目任務(wù)，小組小項目任務(wù)實施流程如圖1所示.

圖1 小組小項目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)設(shè)計流程

以磁學(xué)為例：小項目任務(wù)有4個題目，分組實驗的環(huán)節(jié)不同，小組負責(zé)的題目不同，展示環(huán)節(jié)中大家能夠相互交流、相互學(xué)習(xí).

實驗1：利用自制的扭秤裝置演示鋁(鋁箔球)是順磁質(zhì)，銅(銅球)和水果(蘋果)是抗磁質(zhì).

實驗2：自制2個50匝線圈，利用直流電源及2個線圈通反向電流相互排斥演示電流和電流之間的磁相互作用.

實驗3：自制小孔成像實驗裝置，利用其在光屏上顯示磁鐵對通有交流電的白熾燈燈絲的庫侖力作用.

實驗4：自制居里擺，把小鐵釘做成單擺，用酒精燈加熱小鐵釘使其變?yōu)轫槾刨|(zhì)，磁鐵對小鐵釘作用的變化使其形成擺動.

這些小項目任務(wù)利用簡單的實驗材料就顯示出令人驚奇的現(xiàn)象，不管是理科生還是文科生都對動手實驗興趣盎然. 實驗過程給學(xué)生留下深刻的印象，更重要的是鍛煉了學(xué)生的動手能力.

大項目任務(wù)是課程大作業(yè)，主要利用課外時間進行，小組協(xié)作自主選題，準(zhǔn)備實驗材料，完成項目制作和項目任務(wù)匯報展示. 教師是協(xié)助者，在每個環(huán)節(jié)只起到引導(dǎo)作用，學(xué)生是任務(wù)的主體. 該課程的大項目任務(wù)安排為：第1周介紹往屆學(xué)生的大項目任務(wù)作品及新增加的可選項目，第2～6周通過每次課的小項目任務(wù)培訓(xùn)學(xué)生的動手實踐能力，并引導(dǎo)學(xué)生進行小組大項目任務(wù)的選題，第7周小組決策選題，第8～15周自行安排完成項目任務(wù)，最后1周展示匯報成果.

大項目任務(wù)應(yīng)該具有可執(zhí)行性、綜合性、層次性，適合不同層次、不同特點的學(xué)生共同完成，每個學(xué)生可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢. 在完成項目任務(wù)的過程中，雖然小組有分工，但他們可以把任務(wù)拆分開，例如有人負責(zé)做實驗，有人負責(zé)查文獻，有人負責(zé)寫課程論文，有人制作PPT，但是完成任務(wù)的過程需要組員協(xié)作，才能最終完成項目，并把項目展示出來，此過程培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力.

大項目任務(wù)的來源：可以是學(xué)生自選題目，也可以是往年學(xué)生做過的項目，或是近幾年的大學(xué)生CUPT題目，例如有的學(xué)生喜歡做輝光球?qū)嶒炑b置的核心部分特斯拉線圈，有的學(xué)生做過滴水起電機，有的學(xué)生選擇當(dāng)年的CUPT題目，例如裝滿瓶子、循環(huán)擺、颶風(fēng)球等.

大項目任務(wù)成果包括：論文形式的探究報告和項目成果展示. 最后1次課進行項目成果的展示：每組總用時20 min，其中展示12 min，評委(教師與學(xué)生)對展示內(nèi)容的提問、與展示方的討論和評價共8 min. 大項目任務(wù)的成績包含3部分：探究報告50分，成果展示的PPT制作和講述30分，成果展示的討論提問環(huán)節(jié)的表現(xiàn)20分.

為了完成項目，小組成員既要分工又要合作，理科生主要承擔(dān)理論和實驗設(shè)計的任務(wù)，文科生主要承擔(dān)實施實驗任務(wù)，提出改進意見，制作PPT等，合作過程能夠使文科生和理科生相互學(xué)習(xí)，共同提高.

該教學(xué)法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度. 為了更好地完成項目，學(xué)生必須在課下查閱文獻，自主學(xué)習(xí)所需的知識；為了完成項目，小組必須設(shè)計實驗方案并反復(fù)實驗. 學(xué)生深刻體會到：“項目任務(wù)使我真正明白了書本上所學(xué)的知識是非常理想的情況，而真實情況下看起來非常簡單的過程解釋起來非常麻煩.” 實踐表明項目任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方式培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實踐意識和能力，有學(xué)生在總結(jié)中提到：“我們既要紙上談兵又要實踐檢驗，在進行數(shù)據(jù)處理時，用到的Fortran和Matlab，也是我第1次用學(xué)到知識解決實際問題而非單純做題.” 正如有學(xué)生在總結(jié)中寫到：“項目任務(wù)完成的過程非常曲折，選題過程、實驗方案不斷嘗試和修改過程、數(shù)據(jù)分析過程、撰寫學(xué)術(shù)報告論文、展示過程，每個過程都步履艱難.” 當(dāng)然有的小組項目沒有成功，例如有小組做滴水起電機，實驗總是不能出現(xiàn)預(yù)想的結(jié)果，該小組學(xué)生不斷改進實驗裝置，仍然沒有達到最終目標(biāo)，不過這個小組最后的報告很精彩，失敗原因分析得非常透徹. 因此，無論成功與失敗，小組完成大項目任務(wù)的過程都是非常有效的學(xué)習(xí)過程.

項目任務(wù)驅(qū)動的成果很多被用作教學(xué)的演示儀器，例如學(xué)生自制的特斯拉線圈被用作實驗室的展示作品，獵人打猴實驗裝置、轉(zhuǎn)動圓盤上質(zhì)點的運動軌跡等也被用作了實驗室的實驗項目.

4 成績評定

探究物理現(xiàn)象課程的成績評定不僅注重過程參與，也充分考慮了文科生和理科生的差異. 綜合成績包含3部分：課堂出勤及參與課堂任務(wù)情況占30%，作業(yè)(實驗反思)占30%，測試成績占20%，最后的小組大項目任務(wù)占20%.

1)課堂出勤與課堂任務(wù)情況的成績主要參照課堂記錄(是否缺勤，小組任務(wù)參與度)以及小組長的總結(jié)和評分，這部分成績文科生和理科生差異較小.

2)學(xué)生在BB網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提交作業(yè)(實驗反思)，10次作業(yè)的批閱成績，提出有創(chuàng)新性觀點的問題并對問題進行深入分析的學(xué)生能夠得到較高的分?jǐn)?shù)，作業(yè)質(zhì)量理科生占優(yōu)勢，所以成績評定時通過側(cè)重文科生提出的問題而非對問題的深入分析來平衡.

3)課程測試安排在學(xué)期的2/3時間節(jié)點，測試題目包含3個課堂演示實驗及其原理分析，3個開放性的題目測試學(xué)生設(shè)計實驗的能力和通過實驗提出探究問題的能力，這部分成績文理學(xué)生差異較小.

4)小組分工合作完成大項目任務(wù)，主要利用學(xué)期后1/3的時間進行，小組成員都能夠發(fā)揮自己的優(yōu)勢，因此文科生和理科生的成績差異不大.

實踐表明，除了前10%沒有文科生，剩下的文科生和理科生成績差異較小.

5 實踐成效及總結(jié)展望

學(xué)生的課程反思報告和基于學(xué)校課程教學(xué)質(zhì)量管理平臺的學(xué)習(xí)體驗調(diào)查問卷表明：學(xué)生普遍認為該課程的教學(xué)模式提高了學(xué)生的自主發(fā)展、合作參與、創(chuàng)新實踐能力和學(xué)習(xí)參與度.

該課程激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，選修過該課程的很多學(xué)生參加了中國海洋大學(xué)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽校內(nèi)選拔賽并獲得了很好的成績，例如2018級周虹利同學(xué)參加中國海洋大學(xué)第4屆大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽校內(nèi)選拔賽表現(xiàn)突出，獲校賽一等獎(第一名)；也有整個小組相約參加大學(xué)生物理實驗競賽. 該課程的大項目任務(wù)驅(qū)動的經(jīng)驗也被本校其他課程借鑒，例如中國海洋大學(xué)行遠書院的通識課“日常物理”的課程論文環(huán)節(jié)，很多論文課題借鑒了本課程的項目題目，提高了教學(xué)效果. 該課程的教學(xué)模式也得到了國際同行的認可，2017年秋季學(xué)期，牛小宇同學(xué)所在小組的項目任務(wù)是關(guān)于韋氏靜電感應(yīng)起電機的研究工作，他們將作業(yè)整理成會議報告投到了美國物理教師年會，收到了會議主辦方的邀請，參加會議并做報告，報告題目是Electrified efficiency analysis of Wimshurst machine(韋氏靜電感應(yīng)起電機高效性分析)，該學(xué)生在會議期間交流了本課程的開展思路及運作方式，參會代表對于該課程創(chuàng)新實踐教育的工作成果給予肯定和贊揚.

教學(xué)相長，4F引導(dǎo)探究和項目任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式使得課堂中師生互動和生生互動非常充分，比傳統(tǒng)的教師主講的教學(xué)方式更能激發(fā)出學(xué)生對創(chuàng)新性問題的思考，Matlab編程研究的最速降線[8]和錐體上滾的動力學(xué)分析[9]就是為解決學(xué)生提出的問題所做的工作，強調(diào)探究和實踐的教學(xué)方式也提高了教師的教學(xué)水平.

教學(xué)實踐中也發(fā)現(xiàn)了一些問題需要解決，例如學(xué)生的項目任務(wù)作品受實驗材料的限制，不夠精致，需要實驗室提供更好的實驗條件；小組項目任務(wù)，存在部分組員貢獻少的現(xiàn)象，也存在小組項目任務(wù)各個組員成績評定難以絕對公平. 在以后的教學(xué)實踐中，教師還需不斷加以完善.