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普通物理实验教学模式探索

摘要:基于传统普通物理实验课程体系存在的主要问题,以研究性教学思想为指导,将学生的创新能力培养划分为基本能力、综合能力、科研能力培养三个阶段,设计了障碍性、问题性和课题研究性的教学内容,实施启发式、探究式、导师制的研究性教学方法,提出了一种夯实基础、强化综合、面向科研实践的“三位一体”的全程式研究性实验教学新模式.

关键词:研究性教学;创新能力培养;实验教学模式;普通物理实验

普通物理实验是为物理专业类学生专门开设的一门必修基础实验课程,在广度、深度和综合程度上都要高于非物理专业类学生的大学物理实验.在工科院校中,物理专业类学生较少,教学上仍采用传统的教学模式,即根据相同的教材,学生在相同的仪器上按照教师的讲解,按部就班地完成相同的实验内容[1-4],传统的教学模式对学生的基本实验技能培养方面起到了显著的效果,但却不利于学生主观能动性的发挥和创造性思维的培养,不能满足创新人才培养的需求[5-7].为此,笔者提出了“一个目标,三个阶段,三个模块,三种教学方法”的改革思路,以学生的创新能力培养为目标,将创新能力培养划分为基本能力、综合能力、科研能力培养三个阶段,采用基础性、问题性、课题研究性模块化教学内容,实施启发式、探究式、导师制的教学方法,构建夯实基础、注重综合、面向科研实践的“三位一体”的全程式研究性教学新模式.

1全程式研究性教学内容的构建

研究性教学更加强调学生的主体性地位,重视问题的研究,允许怀疑,鼓励争论[8].其显著的特点是通过“自主、探究、合作”的学习方式主动发现和解决问题[9].传统的普通物理实验由验证性、基础性、综合性等不同类型的多个实验项目组成,不同类型之间并没有严格的界限,模式较为单一,不能满足“自主、探究、合作”的教学要求.根据能力培养的“三个阶段”,在不改变实验教学仪器的条件下,本文将传统的实验项目加以改造,设计为基础性、问题性和课题研究性三个教学模块,以保证学生从基础实验能力到创新实验能力培养的全程中实施研究性教学方法.1.1基于人为设置障碍的基础性教学模块实践表明,实验过程中人为的设置实验故障、障碍或者思考点,能培养学生的批判性思维能力[10-12].基础性教学模块由6~8传统的实验项目组成,要求物理思想清楚、面向基础、能力培养全面,选择的实验项目如《直流电桥及其应用》、《数字存储示波器的原理与使用》等基本项目.但在实验内容中需要人为地设置实验故障、障碍点,“逼迫”学生在实验中停顿,发现、分析和解决问题.如在《直流电桥及其应用》实验中,在操作时,提前把灵敏度旋钮调节至最灵敏状态,设置操作障碍;在单臂电桥测量电阻时提供一个内部断开导线连接的电阻,设置电阻测量故障;在测量铜棒直径时设定直径为3.960mm,设置千分尺测量障碍.1.2基于简化实验讲义的问题性教学模块问题性教学模块采用PBL教学模式[13,14],即不改变传统的研究内容和实验条件,印制活页讲义,采用一系列的问题取代教材中的实验原理、实验内容、实验步骤等固定内容,让学生自己查阅资料、制定实验方案、自主地完成实验,注重培养学生的自主学习能力和设计能力.开设的实验项目要求具有一定扩展性、仪器能够组合、有多种方案可以实现.如《数字温度计的设计与制作》实验,给定的实验仪器有加热井、带有数字电压表的恒温控制仪、稳压电源、滑线电阻器、电阻箱、单刀双掷开关,并有负温度系数热敏电阻温度传感器、正温度系数热敏电阻温度传感器、热电偶温度传感器、PN结温度传感器等多种温度传感器,要求学生选择一种温度传感器,设计制作温度与电压有线性变化关系的数字温度计.1.3面向科研实践的课题研究性教学模块为了使得学生尽早的掌握科研的基本流程、基本方法,培养学生的初步科研能力,课题研究性教学模块采用课题研究式教学模式[15],由教师组成的课题组给学生提供不同深度的研究性课题,学生需要查阅资料完成开题、确定研究方案,创造实验条件,自主地完成研究内容,着重培养学生的创新能力.课题研究性教学模块完成时间设定在4周左右.具体流程图如图1所示.在课题准备阶段,全系教师根据当前的实验条件、教学积累或者科研项目提出与物理实验有关的研究性课题,学生也可以参与,形成多个研究性课题.教师组成的课题组依据“融入科研、紧贴实验、适于学生、仪器改造优先”的原则对研究性课题的可行性、层次性进行把关,确定合适的研究课题,对学生公布.学生组队并与教师双向选择,保证因材施教,使得低层次的学生得到充分锻炼,较高能力的学生得到更好的发展.课题实施阶段,学生根据课题,查阅资料,完成文献综述,确定研究内容和方案,根据现有的实验条件或者自己创造条件完成课题.进入课题验收阶段,学生需要撰写规范的科技论文并答辩,课题组对学生的成绩进行评定,对优秀的结果进行培育.

2实施全程化的研究性教学方法

传统的普通物理实验以教师为主体,教师的讲解面面俱到,学生处于被动接受的地位,自主学习性不足.研究性的教学方法就是以学生为主体,学生需要“主动探索、主动思考、主动实践”.为此,在不同的教学模块中应采用不同的教学方法.2.1启发式的教学方法基础性教学模块采用启发式的教学方法.实验过程中,通过合理地设置实验障碍点,让学生在实验中发现问题,自己解决问题.对于发现问题,通过自主分析解决问题的学生给予高分数鼓励.对于发现问题而无法自主分析的学生,教师采用启发、引导的方法让学生复习实验原理,在基本原理的指导下分析问题,自己动手解决问题,培养学生批判性的思维能力.如在《直流电桥及其应用》实验中,学生在刚调节电桥时发现一旦闭合开关检流计指针迅速打偏,当学生无法解决而咨询教师时,对其进行启发,如什么是电桥的平衡,平衡状态与检流计指针的偏转有何关系,平衡点的精确性保证与平衡的判断有何矛盾,如何解决等;在学生遇到电阻测量障碍时,发现怎样调节也不平衡,可以让学生重新学习电桥的基本原理,并寻找导致电桥不平衡的各种可能,从而发现故障原因.2.2探究式的教学方法问题性教学模块采用探究式的教学方法.教师不再用传授式的教学方法,学生需要自主探究.探究过程如图2所示.课前准备环节,学生需要根据问题性讲义自己查阅资料、制定实验方案,做好充足的课前准备,教师检查学生的预习及方案制定情况,确保实验顺利进行;实验过程中,学生先自主实验,教师根据学生遇到的问题进行分析整理,指导学生分组、合作探究,对于合作探究后学生所遇到的障碍和问题,教师指导学生讨论,后集中解疑;实验完成后,学生完成实验报告,教师则对整个教学进行过程评价总结.2.3低年级导师制的教学方法课题研究性教学模块采用导师制的教学方法,一名教师指导一到三名学生,教师按照毕业设计的教学方法指导学生完成选题、文献综述、方案拟定,实验测试、结果分析整理和答辩.导师要求学生每周汇报研究进展,学生有问题可以随时导师联系.导师为学生提供充足的实验仪器,保证高度开放的实验室条件并对学生科研行为进行监督和管理,学生在自由、民主、开放的环境下完成课题的研究.同时,由教师组成的课题组对导师的指导及学生科研活动的重要环节进行监督和评判,确保导师制的实施质量.

3结束语

新教学模式中的模块化教学内容由传统实验项目加以改造而成,不需要添置新的实验仪器,不改变现有的研究内容和实验条件,具有实施方便的特点.在基本能力培养、综合能力培养、科研能力培养的“三个阶段”,分别实施启发式、探究式、导师制的教学方法,保证了创新能力培养全程中研究性教学方法的应用,改变了传统教学中学生学习从属被动的地位.以研究性教学方法为抓手,以基础性、问题性模块化的教学内容为载体,经过狠抓基础、强化综合,使得低年级学生在课程内具备了开展课题研究的基础.以学生熟悉的实验内容为研究性课题来源,以“申请大创、参加竞赛、发表论文、申请专利”为研究性课题实施目标,以导师制的教学方法为质量保证,提出了低年级学生科研能力培养的新模式.实践证明,新的教学模式的实施大大提高了学生的创新能力,教学成果显著,近三年以来,我院理科学生承担国家级校级“大学生创新创业训练计划项目”10项,校级31项;参加全国挑战杯专项竞赛等国家级赛事,获得国家级奖项4项,其中一等奖2项,参加山东省大学生物理科技创新大赛等省级赛事,获得省级奖项20多项,其中一等奖9项;在《大学物理》[16,17]、《实验技术与管理》[18]、《大学物理实验》[19,20]等有影响力的期刊上发表科技论文20多篇.

作者:尹教建 徐志杰 张亚萍 李书光 郭雅慧 单位:中国石油大学

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