设计性物理实验的研究

刘喜斌

(湖南理工学院 物理与电子学院,湖南 岳阳 414006)

设计性物理实验的研究

刘喜斌

(湖南理工学院 物理与电子学院,湖南 岳阳 414006)

分析了基础物理探索性实验的现状,论述了设计性物理实验的教育理论基础和内涵,归纳了设计性物理实验的主要特点,对设计性物理实验项目内诸模块的设计进行了全面的分析.为进一步开展设计性物理实验的研究提供了可借鉴的依据.

设计性物理实验;教学新理念;教育目标;教学设计

1 设计性物理实验的现状分析

从全国实验室建设和物理实验教学改革比较突出的一些重点高校的情况来看,都各有特色但同时也有共同点,即都对物理实验教学的内容进行了系统的整合,例如:首都师范大学剔除一些内容陈旧对培养学生能力作用不大的题目,将原来的力热、电磁、光学三个学期的实验整合为预备性、基础性、基础应用和综合设计性实验这四个阶段;上海交通大学的大学物理实验分为常用物理量的测量、基本实验和设计性实验[1];国防科技大学的大学物理实验分为基本实验、综合性实验和设计性实验三个模块.由此可见,为加强创新意识和实践能力的培养,大多数高校大学物理实验的内容均包含设计性物理实验,且设计性物理实验在大学物理实验内容中所占的比例呈上升趋势.

2 设计性物理实验的教育理论基础

2.1 杜威的经验主义教育理论是设计性物理实验的教育学基础之一

杜威把人的生活乃至生存看作一个以问题解决为中心,人和环境交互作用的过程.每个人都是生活在环境之中,在生活的过程中必然会遇到一些问题情景,人们可以成功地解决这些问题,并把这种具体的解决问题的经验详细地添加到他已有的经验体系中去.在杜威的教育理论中,经验是一个核心的概念,它是指主体和环境之间的交互作用,既然生命依赖于解决问题的能力,那么教育也就应当成为一种培养解决问题的技能和方法的过程.杜威认为教学是个体按照一定的科学方法进行经验改造或改组的过程.学习是学习者作为个体或群体中的一员在解决问题的过程中积极主动地发生的.最重要的教学目标是使学习者以一种明智的态度方式获得解决问题的方法或过程,教师的作用应当是通过活动进行引导而不是主宰学生的学习,是做学生的指导者或学生设计的推动者[2].

2.2 进步主义教育理论是设计性物理实验的教育学基础之二

进步主义教育理论就其实质来说也来源于杜威的实用主义哲学,它对传统的教育中诸如教师权威、依赖教材和照本宣科及对材料的记忆的学习等方面内容进行了抨击,提出了“由直接经验激励的兴趣是学习的最好刺激”、“教师应当是学习活动的引导者和教育资源的提供者”等观点.进步主义教育既是发生在美国教育界的一场运动,同时又是致力于将学习者从机械学习、背诵课本及教师权威中解放出来的一种理念.进步主义教育提倡多种教育形式— 设计实验、问题解决、项目学习等,进步主义教育更多地关注学习者而不是学科,更多地 强调活动和经验而不是口头和书面表达技巧.总体说来,进步主义教育把教与学看作一个积极主动的、富有创造性的、令人激动的、“变化”的过程[3].设计性物理实验的精神实质、教育理念与操作方案和进步主义教育都有惊人相似之处.

2.3 认知结构理论是设计性物理实验的心理学基础

2.3.1 布鲁纳的认知结构学习理论

布鲁纳的认知结构学习理论的基本观点可概括为:为了使学生学得好,提供信息是必要的,但是掌握这些信息本身并不是学习的目的,学习应该超越所给的信息.学生的心智发展主要是遵循自己特有的认识程序,教学是帮助或形成学生的智慧或认知的生长,由此他提倡发现学习方法,其大致特征是:①强调学习过程.在教学过程中,学生是一个主动的积极的知识探究者,教师的作用是要形成一种学生能够独立探究的情境,而不是提供现成的知识.②强调内在动机.与其让学生把同学之间的竞争作为主要动机,不如让学生向自己的能力提出挑战,形成学生的能力动机,使学生有一种寻求才能的内驱力[4].

2.3.2 皮亚杰的建构主义学习理论

在皮亚杰的建构主义学习模式下,学习被视为一个动态的过程,学习过程是通过学习与外部环境的相互作用,实现同化和顺应,来逐步建构有关外部知识的内部图式,从而使自身的认知结构得以转换和发展.设计性物理实验的建构主义学习模式,重心在于通过对物理实验的设计,使学生自主地建构和完善自己的认知结构,这种学习模式把设计性物理实验大体分为三个阶段,即冲突阶段、建构阶段和应用阶段[5].在冲突阶段,教师要积极地创设问题情境,引发学生的认知冲突,学生则积极地搜索已有的认知结构,为认知结构的转换奠定基础;在建构阶段,由于冲突而引发学生的设计的探索的心态,学生对冲突中出现的新问题进行研究和分析,借助有效的学习和思维策略解决冲突.这种模式重视学生在知识内化的过程中探索研究的作用,重视教学过程中有关问题情景的创设,重视知识结构的创新.因而在设计性物理实验教学中得到了应用[6].

3 设计性物理实验的内涵

物理实验是利用实验仪器人为地控制或模拟物理现象,排除干扰,突出主要因素,在最有利的条件下去研究物理规律的一种活动.所谓设计性物理实验,就是让学生应用所学的物理知识,根据指导教师提供的实验题目,自主查阅参考资料,根据已有的实验条件,自主设计实验方案,自选与组装实验设备,自拟实验操作步骤,在规定的时间内完成的实验.学生做完实验后,对实验结果进行系统的分析和综合,写出完整的实验报告,从而让学生经历一次科学实验过程的基本训练[7].

传统教学论以“行为主义心理学”为基础,认为人的一切反应都是刺激的结果,而现代教学论则以“认知心理学”为基础,认为人的反应不仅取决于刺激,更取决于个体内部因素,学习过程主要是人的认知思维活动的主动建构过程,是学习者通过原有的知识经验与外界环境进行交互活动以获取、建构新知识的过程,外界施加的信息只有通过学习者主动建构才能变成自身的知识,因此强调教师的教学过程中创设情景和启发引导[8].设计性物理实验的完成过程将学习者作为自己知识的建构者,在应用知识的情景中,主动参与真实性的活动和任务,在完成任务的过程中进行批判性和创造性的思维,并在教师的指导下和与小组成员的协商过程中不断建构自己的知识,在元认知水平上监视自己对知识的建构.因设计性实验的设计是基于问题式的学习,所以学生主动参与到真实的问题情景之中,主动搜集资料,拟定学习方案,通过独立思考、小组协商学习,循环反复地解决问题,将高层次思维技能训练迁移到实验情景中而完成实验任务[9].

4 设计性物理实验的特点

4.1 主体性

设计性物理实验的一个很重要的特点是以学生为主体,充分发挥其自身的聪明才智和主观能动性,依靠其自身解决问题的能力完成整个实验.较之传统的那种从实验原理、方法、仪器和步骤都由教师设计的物理实验而言,学生有较强的主体意识,在实验的整个实施过程中,体现以学生为中心的原则,充分顾及到学生是认知的主体.设计性物理实验因在实施过程中的时空的相对宽松,即对学生进入实验室的时段不予以限制,对于所动用的实验场地、仪器设备也创造相应的条件,构造学生自主的学习环境.设计性物理实验充分体现学生的自主设计、自主实施、自主发挥、自主分析和总结实验现象,解决实验过程中不断出现的新情况与新问题,在这个过程中,客观上创造了一种促使学生把强烈的自我发展意识转化为自身努力获取知识和提高能力的实际行为,学生自身建构知识和发展能力的行为促进了学生个性的全面发展和潜能的充分发挥,对其智力活动的开发具有重要的整合作用.

4.2 探索性

大学物理实验中的预备实验、前导实验或基本实验都有相应的实验思想、实验原理、实验目的、实验仪器等,其可操作性强,实验进行的具体过程较为明确,可以训练学生掌握基本的物理实验的操作能力、测量手段和方法.而设计性物理实验却较之大不相同,设计性物理实验仅由指导教师提出任务与要求,然后进行一系列的提出问题、明确问题、提出假设、检验假设的思维训练,在教师所提出的任务与要求的敦促下去探索其所涉及的诸多方面.譬如,实验思想和方法的形成与选择,最佳测量方法的获得、实验仪器的选择、实验条件的选择以及实验步骤的形成等,在这个操作过程中,提出了一个问题解决活动的系统的逻辑性问题,学习者在这个过程中,要探索工作记忆中的信息,积极地进行严密有序的推理和判断[10].

4.3 创造性

设计性物理实验要求学生在解决问题的过程中,大胆假设,多方求异,突破束缚、创造性地提出解决问题的途径和方法,无论从实验思想、实验方法、实验原理的应用,还是实验仪器的选择、实验步骤的进行,都要求学生有一定的创新精神.设计性物理实验的实验思想与方法的找寻要求学生必须沿着不同的方向去选取与重组信息,不依常规,寻求变异,从多方面寻求解决设计实验的方法与途径.当然,发散的最终目的是为了聚合,实际上,构思设计性物理实验的过程,就是思维不断“发散—聚合—发散—聚合”的过程,这就是创造性思维,它是一种以发散思维为核心,聚合思维为支持因素的发散思维与聚合思维有机结合的操作方式,学生在设计性物理实验的过程中充分体现其思维的创造性.

4.4 综合性

设计性物理实验一般是继一些前导实验和基本训练实验之后进行的,是对己学过的物理理论知识和物理实验的综合与总结,所涉及的不只是物理实验某一方面或某一层次的内容,而是具有高度的概括性与综合性.在设计性物理实验的完成过程中,要求学生必须综合运用所掌握的基本理论知识、实验技能以及各测量原理和方法,设计性物理实验具有对学生进行科学实验全过程初步训练的性质,也是对学生掌握实验技能和理论知识进行综合运用的一次检查,在这个过程中,其训练的内容与层次更高,体现较强的综合运用知识的能力和综合解决问题的能力[11].

5 设计性物理实验的设计

5.1 设计性物理实验的教学新理念

现代化的教育教学新理念的基本特征从总体上来说表现在三个主要方面:由重知识的接受性教学向重综合能力的探究性教学转向;由单一的认知性教学向多维的体验性教学转向;由机械的决定性教学向互动的交往性教学转向[12].在这三个方面中都较注重能力和实践,创新精神和创新能力是新时代对人才最主要的内涵要求,为此,需要改变实验教学过程中过于强调教师和教材本位而忽视学生本位的倾向;改变实验教学中过于注重知识的验证、传授以及作为训练实验技能的手段而忽略过程与方法、能力与科学素养培养的倾向;改变单一拼盘式课程结构的形式,构建与实验教学自身规律和能力培养定位相适应的分阶段、分层次、阶梯式的模块化教学体系;改变千篇一律的封闭式、固定式的教学模式,实行开放式、个性化的教学,为学生创设有利于发挥自身潜能和特长的环境和条件,鼓励学生对知识的主动探索、主动发现和对学知识的意义建构,以充分发挥学生的主体性和创造性,有利于优秀人才的脱颖而出.

5.2 设计性物理实验的教学设计

5.2.1 设计性物理实验教学目标设计

设计性物理实验教学目标是指设计性物理实验教学活动所要达到的预期结果,它规定了通过设计性物理实验教学过程,学生应该掌握什么操作、学会什么设计方法、如何形成实验素养,它是设计性物理实验教学活动的出发点和归宿.一旦确定了设计性物理实验教学目标,教师就可以选用适当的教学方法指导学生进行设计性物理实验学习.学生完成设计物理实验之后,教师根据设计性物理实验教学目标是否达到,对设计性物理实验教学进行评价.设计性物理实验教学目标设计通过两个步骤完成.首先列写设计性物理实验内容和学生行为二维表,如表1所示.

表1 设计性物理实验教学目标(行为——内容)表

该表中将所期望的学生行为和设计性物理实验内容整合起来,明确学生通过设计性物理实验要达到的具体目标.表的第一个维度是学生的行为,如获得物理实验知识、实验操作技能、实验数据记录与处理、实验误差分析等等;第二个维度是设计性物理实验内容,即覆盖该设计性物理实验的所有方面.

表中某个特定的行为和某个特定的内容范围相交叉于一个方格,在这一方格中,我们可以表述为一个设计性物理实验的教学目标,当然教师设置的设计性物理实验教学目标是教师教学行为希望达到的期望目标,实际实验教学中总与该目标存在着偏离.

“理论—知识”设置了两个目标,一是与设计性物理实验相联系的物理学理论知识;二是完成该设计性物理实验的专门的理论知识.“理论—操作”设置一个目标,完成设计性物理实验所需要的操作技能理论.“理论—数据记录”设置一个目标,正确记录实验数据所必须的理论.“理论—数据处理”设置一个目标,与物理实验相关的数据处理的理论.“理论—误差分析”设置两个目标,一是误差传递的理论;二是有关仪器误差来源的知识.“理论—评价”设置一个目标,是否掌握了该物理实验相关的理论.

“方法—知识”设置了一个目标,即关于物理实验方法(方案)设计的知识.“方法—操作”未设置目标.“方法—数据记录”设置一个目标,正确记录数据的方法.“方法—数据处理”设置一个目标,数据处理的正确方法.“方法—误差分析”设置一个目标,分析仪器误差以及理论(公式)误差.“方法—评价”设置一个目标,评价设计性实验操作的优劣.

“步骤—知识”设置一个目标,正确的实验步骤.“步骤—操作”没有设置目标.“步骤—数据记录”设置一个目标,正确读取与记录数据的步骤.“步骤—数据处理”设置一个目标,正确处理数据的方法.“步骤—误差分析”未设置目标.“步骤—评价”设置一个目标,评价实验结果的优劣.

“总结报告—知识”设置了两个目标,一是报告所反映实验的质量;二是报告的规范性.“总结报告—操作”未设置目标.“总结报告—数据记录”设置一个目标,总结报告中原始数据记录.“总结报告—数据处理”设置一个目标,总结报告中数据处理的规范.“总结报告—误差分析”设置一个目标,有无详细的误差分析.“总结报告—评价”设置一个目标,能够正确评价实验.

设计性物理实验教学目标它是一个动态的目标,要根据学生的实际情况进行调整,以更合逻辑地顺序去组织设计性物理实验教学,以确保设计性物理实验教学的质量,使之真正起到指导设计性物理实验教学的目的.

其次对设计性物理实验教学目标进行任务分析.

一旦列出了设计性物理实验教学目标表,就要对设计性物理实验教学目标进行任务分析.所谓任务分析,就是将设计性物理实验目标分解成各级任务、再将各级任务逐级划分为各种亚目标的过程.任务分析使教师在设计性物理实验教学过程中明确了该做什么,怎样做,何时做,采用何种最优化的方法等问题.例如“学生在达到教师所期望的目标之前,先应该完成什么操作？要使学生达到期望的目标,必须怎样完成这个操作？”等等,对于这些问题的回答,有利于实现设计性物理实验教学目标(行为——内容)表中的每个实验教学目标,有利于搞清实现最终目标的各个步骤的逻辑顺序.

5.2.2 设计性物理实验教学的内容设计

设计性物理实验教学内容是设计性物理实验教学目标的具体化,是实现设计性物理实验教学目标的保证.设计性物理实验教学内容设计,主要是选择符合学生实际的可行的实验选题.而任何一个物理实验都有设计的成分包含其中,选择什么实验题目、以何种方式将该实验选题呈现给学生,要考虑不同年级、不同基础的学生的训练要求,以及设计性物理实验的目的,确定实验方法或实验思想的设计性物理实验题目.实现这类物理实验课题的实验方法有多种,要求学生从经济可行的原则出发,保证实验精度要求,确定最佳实验方案.

5.2.3 设计性物理实验教学的环境设计

设计性物理实验教学环境包括实验的物理环境和心理环境.

(1)设计性物理实验教学的物理环境设计

实验室被划分成一个个相对分离的小区域,每个区域属于学生个体从事实验的活动范围,这就形成了实验教学的物理环境.实验台一般都根据实验室空间大小放置,实验台之间保持一定的距离,以形成有利于学生实验的空间,实验中不受其他因素可能产生的干扰.如相邻实验仪器产生的背景干扰,相邻实验之间的干扰,实验仪器是完成实验必备物质基础,其在实验台上的摆放必须整齐划一,要易于操作,易于读数.对于有危险性的实验,要有明确的警示标志.

(2)设计性物理实验教学的心理环境设计

设计性物理实验教学心理环境是通过一定的教学组织形式、教学方法而形成的教师“指导”与学生接受“指导”的心理状态.设计性物理实验教学进行中形成的师生的心理状态,表现出设计性物理实验教学中人的因素以及个体占有操作空间的大小等,这是物理实验教学中的心理环境.

设计性物理实验教学的组织形式是以个别化教学方式进行的,个别化教学是指每个学生都按照自己设计完成物理实验的教学方法.学生独立地不受教师思想的禁锢进行实验操作,这完全是一种由探索需要驱动的自主学习,同化物理实验知识并形成实验技能,获得的经验是直接的.但是,独立实验操作不仅仅意味着学生不再需要教师,教师宏观调控实验,在学生出现疑难时,采用恰当的方法对学生进行个别辅导,也可以针对实验组存在的普遍问题进行有的放矢地讲解.师生之间的心理距离缩小了,增加了学生自由思考的氛围,主动接受教师的指导.

设计性物理实验在教育实践中所呈现出来的教育功能己经越来越凸现出来,尤其是发展大学生的创造性思维能力和培养其解决实际问题的创新意识和能力起着重要的作用,现在各高校的大学物理实验中都开设了设计性物理实验内容,并将其摆到了引起足够重视的位置.

本文对设计性物理实验进行了初步的研究.通过对测试结果进行统计分析及对学生认知过程和认知机制的进一步考察,表明上述理论的制订是合理的、可行的.这就为今后进一步开展设计性物理实验的研究提供了可借鉴的依据.

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Study on Physical Design of the Experiment

LIU Xi-bin
(College of Physics and Electronics,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

The status of physical design of the experiment is analyzed,the teaching theories and connotation of physical design of the experiment is discussed as well as the design of its models.It is a reference for further researches on the physical design of the experiment.

physical design of the experiment;a new concept of teaching;teaching target;teaching design

G642.423

A

1672-5298(2010)04-0083-06

2010-06-21

湖南理工学院教研教改课题(2010B26)

刘喜斌(1963− ),男,湖南华容人,硕士,湖南理工学院物电学院副教授.主要研究方向:光电子与物理教学