韓育宏 丁文革 張榮香 何壽杰 王淑芳(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)
大學(xué)物理是高校理工科專業(yè)的一門通識性必修基礎(chǔ)課,在為學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)必要的物理基礎(chǔ),領(lǐng)悟和掌握處理物理問題的思想和方法,增強(qiáng)邏輯推理及發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力,培養(yǎng)探索精神、創(chuàng)新思維和科學(xué)精神,進(jìn)而樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀等方面,都具有其他課程不可替代的重要作用[1].以往的教學(xué)通常以教師的教為主,教學(xué)內(nèi)容一般為教材的基本理論知識,缺乏實(shí)際應(yīng)用、科技前沿和思政元素,學(xué)生的課堂參與度比較低,自主學(xué)習(xí)能力欠缺,能夠掌握基本知識但能力培養(yǎng)和價值塑造不足.為提高課程和人才培養(yǎng)質(zhì)量,2019年教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》,要求提高課程的高階性、突出創(chuàng)新性和增加挑戰(zhàn)度.這就要求教師轉(zhuǎn)變教學(xué)理念,以學(xué)生發(fā)展為中心,提升課程內(nèi)容的廣度和深度,通過教學(xué)改革和創(chuàng)新持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量,進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生積極思考和探究,培養(yǎng)科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力[2].
如何實(shí)現(xiàn)以學(xué)生發(fā)展為中心呢?1969年加拿大麥克馬斯特大學(xué)的Barrows教授首創(chuàng)以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法PBL(Problem-Based Learning),即以學(xué)生為中心的教育方式,強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主,而不是以教師講授為主.PBL將學(xué)習(xí)與問題掛鉤,使學(xué)習(xí)者投入于問題中,在問題的探究中掌握隱含的科學(xué)知識.問題導(dǎo)向教學(xué)法的精髓在于發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用,而遞進(jìn)式問題鏈,是根據(jù)事物之間的內(nèi)在聯(lián)系提出一系列由淺入深的問題[3].大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容與自然現(xiàn)象、生產(chǎn)生活、科學(xué)前沿等密切聯(lián)系,適宜在基本知識的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)逐步深入的一系列問題.因此,我們結(jié)合大學(xué)物理的課程特點(diǎn)和一流課程建設(shè)的要求,構(gòu)建了遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)方法,即以學(xué)生發(fā)展為中心,以教材內(nèi)容為核心,通過設(shè)置遞進(jìn)問題鏈驅(qū)動課堂教學(xué),逐步升華教學(xué)過程.由淺入深、環(huán)環(huán)相扣的問題能夠驅(qū)動學(xué)生深入思考,引導(dǎo)學(xué)生的思維向知識的深度和廣度發(fā)展,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生合作探究和解決問題的能力,同時提升科學(xué)素養(yǎng).本文以光的偏振一節(jié)為例,探討一流課程建設(shè)背景下遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法在大學(xué)物理課堂的應(yīng)用.
要構(gòu)建適宜的遞進(jìn)式問題鏈,首先需要分析教學(xué)內(nèi)容并確立教學(xué)目標(biāo),精心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),并在教學(xué)過程中檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效.
光的偏振是大學(xué)物理光學(xué)部分的重要內(nèi)容,結(jié)合理工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和一流課程建設(shè)要求,確立了知識、能力和素質(zhì)3方面的教學(xué)目標(biāo).知識目標(biāo)為能夠鑒別常見光的偏振態(tài),利用馬呂斯定律求解光強(qiáng),用布儒斯特定律確定界面反射光的起偏角.能力目標(biāo)為通過光波與繩波的對比領(lǐng)會類比推理的思維方式,能夠?qū)⑵裰R與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系,分析立體電影、攝影攝像、智能手機(jī)屏幕等問題中偏振的具體應(yīng)用.素質(zhì)目標(biāo)為通過偏振片的研發(fā)過程和相關(guān)進(jìn)展激發(fā)家國情懷,培養(yǎng)探索精神、創(chuàng)新精神和科學(xué)精神.
遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法包括課前、課中和課后3個教學(xué)環(huán)節(jié),借助信息化教學(xué)手段,依托超星學(xué)習(xí)通平臺,采用混合式教學(xué)方法.整體教學(xué)流程如圖1所示.
圖1 遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動的整體教學(xué)流程
課前借助超星學(xué)習(xí)通平臺,教師發(fā)送文字、視頻、網(wǎng)頁等學(xué)習(xí)資料,讓學(xué)生自主學(xué)習(xí),同時布置預(yù)習(xí)和自測題,追蹤了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況,及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)進(jìn)而給予引導(dǎo)和調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì),以便在課堂上更有針對性地開展教學(xué).這種線上線下結(jié)合的教學(xué)方式可以加強(qiáng)師生之間的互動,使學(xué)生主動學(xué)習(xí)和思考[4].
課中強(qiáng)化教師引導(dǎo)和學(xué)生主體,以遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動教學(xué)活動,啟發(fā)學(xué)生深入思考,并設(shè)置小組討論,發(fā)揮師生雙方的主觀能動性,形成師生和生生之間思考、交流、討論、分享和相互促進(jìn)的交互式課堂,全面培養(yǎng)和提高學(xué)生解決問題的能力和科學(xué)素養(yǎng).
3.2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境導(dǎo)入課堂
課堂伊始,圍繞光的偏振教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)問題情境,使學(xué)生形成問題意識,激發(fā)解決問題的動機(jī)和學(xué)習(xí)興趣.通過演示“乒乓球穿墻而過”的小魔術(shù)(圖2),即乒乓球可以在一個“中間有黑色隔板”的圓筒內(nèi)自由穿梭,極大地吸引了學(xué)生的注意力,學(xué)生會很好奇,并且提出問題,“乒乓球穿墻的原因是什么?”由此激發(fā)了科學(xué)探究的欲望,同時活躍了課堂氛圍.
圖2 “穿墻術(shù)”魔術(shù)
3.2.2 引導(dǎo)思考基本理論問題
物理知識的學(xué)習(xí)中需要不斷地提出問題,使學(xué)生在思索和解決問題的過程中加以內(nèi)化.通過回顧橫波的特性和列舉繩波的特例,提出問題,“光與繩波有何不同?怎樣驗(yàn)證?”在光波與繩波偏振現(xiàn)象的類比中,認(rèn)識光的偏振性,同時穿插介紹偏振材料的發(fā)現(xiàn)和偏振片的發(fā)明,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識,在此基礎(chǔ)上引出光的3種常見偏振態(tài).在講解自然光時提出思考問題,“讓強(qiáng)度I0的自然光通過一塊偏振片,轉(zhuǎn)動偏振片時,透射光強(qiáng)如何?”在講解線偏振光時提出問題,“如何獲得線偏振光?”之后繼續(xù)提出問題,“線偏振光通過一塊偏振片,轉(zhuǎn)動偏振片時,透射光強(qiáng)如何變化?”從而引入馬呂斯定律,進(jìn)一步提出問題,“在正交的偏振片之間,插入第三塊偏振片,是否有光透出?”在講解部分偏振光時提出問題,“部分偏振光通過一塊偏振片,轉(zhuǎn)動偏振片時,透射光強(qiáng)如何變化?”一個個問題環(huán)環(huán)相扣,學(xué)生不僅掌握了物理知識,而且鍛煉了思考解決問題的能力.
3.2.3 解決生產(chǎn)生活實(shí)際問題
從生產(chǎn)生活中提煉物理問題,讓學(xué)生基于新知識,通過獨(dú)立思考或者小組討論的方式加以解決,體驗(yàn)學(xué)以致用的快感.講授線偏振光時,提出問題,“3D立體電影是如何拍攝的?為什么人們只有戴上特制的眼鏡觀看時,才會有身臨其境的感覺?”講授反射和折射光的偏振時,提出問題,“拍攝櫥窗里的景物,如何才能消除反光使拍攝的畫面清晰可見?”和“炙熱的夏天,汽車司機(jī)在強(qiáng)烈陽光照射的馬路上駕車行駛時,為何戴上一副偏振太陽鏡?透振方向如何?”物理知識與實(shí)際問題相關(guān)聯(lián),課堂變得有趣,學(xué)生變得樂學(xué).
3.2.4 引入科技前沿?zé)狳c(diǎn)問題
課程的講授還需要關(guān)注科技前沿,學(xué)生了解偏振知識和應(yīng)用之后,提出當(dāng)前電子產(chǎn)品領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題,“如何降低電子屏幕的能耗,延長智能手機(jī)電池的使用壽命?”教師啟發(fā)學(xué)生思考后,引入2019年的研究報道,“英國倫敦帝國理工學(xué)院的科研人員利用偏振光使有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)屏幕功耗降低一倍,使手機(jī)屏幕更亮并延長智能手機(jī)使用壽命.”之后,通過問題“我國國產(chǎn)手機(jī)在OLED屏幕顯示方面的研發(fā)情況如何?”,介紹華為公司為打破我國OLED屏幕芯片95%需要進(jìn)口的局面,2018年開始潛心研發(fā)而在2020年獲得成功,使未來國內(nèi)屏幕產(chǎn)業(yè)有望實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化.科技前沿的介紹使學(xué)生了解偏振理論在現(xiàn)代科技發(fā)展中的應(yīng)用,意識到科學(xué)研究的必要性和重要性,同時激發(fā)了愛國情感、自主創(chuàng)新意識和科技強(qiáng)國的使命擔(dān)當(dāng).
3.2.5 學(xué)習(xí)通平臺輔助教學(xué)測評
課堂最后利用學(xué)習(xí)通便捷學(xué)習(xí)效果的測評和教學(xué)數(shù)據(jù)的反饋統(tǒng)計(jì),如發(fā)布隨堂練習(xí),考查學(xué)生對馬呂斯定律求解光強(qiáng)、反射光偏振性質(zhì)等知識點(diǎn)的掌握程度,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對錯誤的學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注.發(fā)布主題討論,考查學(xué)生對偏振的認(rèn)識和理解,結(jié)果如圖3所示,表明學(xué)生理解情況良好,光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波.學(xué)習(xí)通平臺使測評結(jié)果一目了然,方便教師了解學(xué)生的掌握程度,同時也體現(xiàn)了對學(xué)生的過程性評價.
圖3 學(xué)習(xí)通主題討論的詞云
教師布置課后任務(wù),在學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布,組織教師評價、學(xué)生自評和互評,測評教學(xué)效果,同時讓學(xué)生了解自己的綜合表現(xiàn),督促自我提升.物理學(xué)內(nèi)容廣泛深刻,課后作業(yè)中除了常規(guī)的客觀題和分析計(jì)算題之外,還有高階性挑戰(zhàn)性作業(yè),讓學(xué)生通過查閱資料、文獻(xiàn)和小組討論共同完成.如“利用偏振片觀察各種光并鑒定偏振態(tài),設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證偏振現(xiàn)象.”和“查閱關(guān)于LCD和OLED兩種手機(jī)屏幕的資料,了解二者的基本構(gòu)造和顯示原理,從光能有效利用的角度比較二者的差異,分析目前OLED手機(jī)屏能源效率低的原因.”挑戰(zhàn)性和高階性問題的設(shè)置,能使學(xué)生經(jīng)歷頭腦風(fēng)暴和思維碰撞,達(dá)到深度思考和學(xué)習(xí)的目的,鍛煉由已知探索未知的能力,綜合素質(zhì)得到提升.
好的問題,如同水中投石,能打破學(xué)生頭腦里的平靜,使其思維始終保持在一種活躍的狀態(tài).因此,教師在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)一個合理的問題系統(tǒng)是非常重要且必要的,由簡到難,由淺入深,由單一到綜合,系統(tǒng)涵蓋知識體系[5].與以教為主的傳統(tǒng)課堂相比,“光的偏振”教學(xué)中使用環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)的問題鏈來驅(qū)動,具有更好的教學(xué)效果,既促進(jìn)學(xué)生理解和掌握偏振的基本知識,又培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力和思辨能力,拓展了思維,激發(fā)了創(chuàng)新意識,體現(xiàn)了以學(xué)生發(fā)展為中心、以教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念.該方法營造了利用物理知識解決問題的情境,讓學(xué)生解決不同層次的問題,在質(zhì)疑、分析和解答中獲得學(xué)習(xí)的成功和喜悅,可以有效提高課堂效率.實(shí)踐表明,學(xué)生課堂參與度明顯提高,超過90%的學(xué)生對該方法表示認(rèn)同,既容易掌握所學(xué)知識,自身能力和素質(zhì)又得到有效提升.
在遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動課堂教學(xué)中的一個突出難題是問題鏈的設(shè)計(jì),如何依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo),設(shè)計(jì)促進(jìn)思維發(fā)展和能力提升的問題鏈?設(shè)計(jì)出來的問題鏈?zhǔn)欠窠?jīng)得起推敲?有待于不同的課程進(jìn)一步深入探索和實(shí)踐.
遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動大學(xué)物理課堂教學(xué)的過程,也是問題的探究過程,在該過程中,學(xué)生不僅掌握了物理知識體系,而且探究式學(xué)習(xí)習(xí)慣和解決實(shí)際問題的能力得到培養(yǎng),學(xué)科素養(yǎng)得到升華,課程教學(xué)效果得到改善.遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法使課程內(nèi)容有廣度、深度和創(chuàng)新性,使學(xué)習(xí)具有挑戰(zhàn)度,滿足兩性一度的一流課程建設(shè)要求,有利于學(xué)生綜合能力和素養(yǎng)的提升.教師在設(shè)計(jì)問題鏈時,需要注意問題之間的合理銜接,避免梯度太大;問題的提出要給出學(xué)生思考探索的方向,但又不能太具體而形成固定的思維,要給學(xué)生預(yù)留自由發(fā)表看法的空間;整個問題鏈要有助于學(xué)生形成完整的知識體系,也要有利于學(xué)生思維的獨(dú)立和深度發(fā)展.