量子力學Web Quest教學模式的研究

羅禮進,仲崇貴,方靖淮

(南通大學理學院,江蘇南通 226007)

量子力學是研究微觀粒子運動規律的科學,是現代物理學的理論基礎之一,在現代科學技術中的表面物理、半導體物理、凝聚態物理、粒子物理、低溫超導物理、介觀物理、天體物理、量子信息科學、量子化學以及分子生物學等學科的發展中,都有著重要的意義。但在量子力學的教與學的實踐中,存在如下問題。

(1)教學模式單一,主要采取教師講、學生聽的單向傳輸的課堂講授形式。

(2)教學理念陳舊落后,在教學活動中教師的主導作用與學生的從屬作用觀念根深蒂固。如何打破傳統的以課堂講授為主的單一教學模式,改變以教師為中心、學生被動接受的陳舊理念,如何建立一套既能發揮教師主導作用又能充分體現學生主體地位的、充分調動學生主觀能動性的開放性教學模式,是當前有待解決的關鍵問題。

網絡技術的發展和普及,一方面為教育信息化提供了良好的條件,奠定了堅實的硬件基礎;另一方面也對教育教學改革提出了新的要求:適應網絡時代的要求,改革傳統教學方法和方式,注重培養學生的學習能力和探究能力,充分利用豐富的網資源,使教學手段更靈活、教學內容更豐富、師生互動更方便。

鑒于現行量子力學教學存在的問題,以及為了適應網絡技術發展的要求,本文擬基于建構主義學習理論和Web Quest教學模式的原則,構建一個以課程網站、圖書館數據庫、其他因特網資源為信息平臺,以教師為主導、以學生為主體,充分調動學生主觀能動性的量子力學Web Quest教學模式。

1 Web Quest教學模式簡述

1.1 Web Quest教學模式的定義

Web Quest教學模式是美國圣地亞哥州立大學的伯尼·道奇 (Bernie Dodge)博士和湯姆·馬奇 (Tom March)博士于1995年提出的一種全新的教學模式。“Web”是“網絡”的意思,“Quest”是“探究”、“調查”的意思,Web Quest可理解為一個以探究為取向的教學活動,是以因特網的信息平臺為基礎,讓學生在一定的假設情景和合作環境中通過信息的分析和綜合對既定的學習任務做出創造性解決方案的一種學習模式。Web Quest實質上是建構主義學習理論在網絡學習中的實踐表現,它在網絡環境下,利用互聯網資源,由教師引導,以一定的目標任務驅動學習者對某個問題或課題自主地進行構建、探索和研究。

Web Quest教學模式可以概括為以教育學理論和建構主義學習理論作為基礎,以學習者自主探究學習為取向,以網絡為信息平臺,為學習者提供網絡學習資源和學習腳手架,引導學習者通過信息的分析和綜合完成發現問題、分析問題、解決問題的過程,讓學習者在網絡學習環境中不斷探索而進行知識的意義建構,最終達成教育所期待的目標。

1.2 Web Quest教學模式的優勢

與傳統的教學模式相比,Web Quest教學模式具有以下優勢。

(1)Web Quest通過各種方式激發學習者的學習動機,極大提高學習者的學習興趣與積極性,使學習者主動地投入到學習活動中去。

(2)有助于培養學習者的“高層次思維能力”。高層次思維不是簡單的感知、記憶、復述或應用,而是有意識的,圍繞特定目標的,付出持續心理努力的,需要發散、研究判斷和反思等認知活動的復雜思維。而Web Quest基于問題和任務的學習的主要內容是學會解決問題,學生必須進行一系列的解決問題的思維活動,如界定問題、分析問題、提出假設、搜集資料以及驗證假設等。由于問題是開放式的,沒有現成的答案,這就需要進行創造性的思維。

(3)培養學習者的協作學習能力。網絡提供了可以自由探索、想像、參與、交互的學習環境,學習者可以利用網絡與學習伙伴交流信息、協作學習,還可以與在線的教師、專家進行對話,從中獲得最有效的學習指導與幫助。學習者甚至可以通過網絡同來自網絡世界的眾多對象探討問題,交流心得體會,得到最大范圍的交流和協作。

(4)Web Quest是一種突出學習過程探究性的學習。Web Quest要求學習者通過一系列的探究活動發現問題,綜合運用學科知識分析問題,創造性地解決問題,并在探索的過程中獲取知識、培養能力,同時受到科學價值觀、科學方法等的教育。

(5)創建更佳的教學環境,發揮網絡環境的最大優勢。網絡上存在大量的教學資源,但是,面對浩如煙海的信息資源,如何能夠篩選出有用的資源,避免無關資源的干擾,這是在網絡環境下進行學習所面臨的一個困擾。而基于Web Quest的研究性學習模式,對學生瀏覽的網站給予了一定的限定和引導。

1.3 Web Quest教學模式的構成

Web Quest主要由引言、任務、過程、資源、評價和結束語六部分構成。

(1)引言的目的有兩個:一是創設學習背景,明確提出學習者需要研究的問題,對問題進行適當描述,為學習做準備;二是利用各種方式提高學習者的學習興趣。在這里,教學設計首先讓學習者充分感受到需要探究的緣由,并創設一個問題情境。

(2)任務是對學習者將要完成的事項進行的描述,是課程教學目標的具體化,幫助學習者聚焦到他們將要進行的活動上。Web Quest向學習者布置的任務具有真實性和定向性,而且任務的描述必須清楚、準確,學習者只有明白自己的學習任務才能在學習過程中集中精力。

(3)過程是說明學習者如何完成學習任務,包括清晰的學習步驟、學習資源以及信息組織工具。學習步驟是學生主動探究的學習支架。學習資源是教師預選過的網絡學習資源,也可包括非網絡資源。信息組織工具是各種學習軟件、工作軟件等。

(4)資源是一個由教師選定的有助于學生完成任務的網頁清單,其中大部分資源是包括在Web Quest文件中作為超鏈接指向萬維網上的信息,學生使用的所有鏈接都由設計者預先設定。

(5)評價是Web Quest以明確的標準來評價學習者的工作,目前大多數評價采用量規的形式進行。由于Web Quest一般有層次不同的任務供學習者選擇,因此對學習者的評價需要采用多種評價量規相結合的方式。當然,所有的評價標準都必須符合課程標準中關于有關行為和內容的要求,必須是有效的、公正的、清晰的、一致的,并且適合特定任務。

(6)結束語是學生進行反思、教師進行總結的階段,用來對活動進行小結,總結學生通過完成這項活動或課程學到的東西,同時也鼓勵他們對問題進行深入思考。通過提出一些引導性問題,以促進學生把這種探究的經驗擴展到其他領域。

2 量子力學Web Quest教學模式的構建

根據Web Quest教學模式的組成及其教學設計原則,結合量子力學課程的特點,我們提出量子力學Web Quest教學模式構建如下。

2.1 設定教學目標

量子力學是物理學專業的一門重要專業必修課程,是物理相關專業本科生必修的四大理論課之一,是他們今后繼續提高物理專業水平的一門專業基礎理論課程。同時,量子力學是近代物理學兩大支柱之一,是描述微觀世界運動規律的基礎理論,已成為當今科學技術的基礎,凡是涉及到微觀粒子 (如分子、原子、電子等)的各門學科和新興技術,都必須掌握量子力學。量子力學課程的任務是:

(1)了解微觀世界的特殊性,了解經典物理不能正確描述微觀粒子的運動規律,認識到創立微觀世界的理論——量子力學的必然性。

(2)初步掌握量子力學的基本概念、原理和基本方法,能求解量子力學的一些基本問題。

(3)培養辯證唯物主義世界觀以及獨立分析問題和解決問題的能力,培養嚴謹求實的科學態度。

根據量子力學課程的任務以及新時期對大學生的素質要求,我們設定的量子力學Web Quest的教學目標是:

(1)掌握量子力學的基本概念、原理和處理量子力學問題的基本方法。

(2)培養發現問題、分析問題、解決問題的能力,培養嚴謹的邏輯推理能力,培養溝通協作能力。

(3)培養熱愛科學、尊重科學的態度以及嚴謹求實、開拓創新的精神。

2.2 確定主題

2.2.1 選題的原則

Web Quest是一種圍繞某一主題進行的探究活動,一個好的主題能夠激發學習者的學習興趣,最大限度地使學習者獲取知識,發展能力。可以說,選擇一個恰當的主題是決定Web Quest是否成功的關鍵因素,選題需要注意以下原則。

(1)適用性原則。Web Quest是一種基于網絡的探究性教學模式,并不是所有的內容都可以用其進行教學,所以在選題時首先要考慮能否適用Web Quest模式。那么,哪些內容適用Web Quest模式呢?一般認為知識形成性或技能形成性練習內容的教學更適用于Web Quest模式。

(2)錯位性原則。Web Quest教學模式與傳統的教學模式,各有其優勢與局限性,它們不可能互相代替,理想的狀況是并存使用、互相補充。而且,有不少的內容,用傳統的模式進行效果并不理想。因此,在選題時可考慮選用那些用傳統模式進行教學效果不佳的內容。

(3)有效性原則。Web Quest教學的核心是培養高層次思維能力,所以在選題時一定要考慮所選的內容是否能達到這一目的。

(4)利用網絡原則。Web Quest是建立在網絡基礎之上的,它的資源主要來源于網絡 (當然有時也需要傳統的資源如書籍、圖片、音像等),所以在選題時一定要考慮所選的主題是否擁有足夠的網絡資源。

2.2.2 選定的主題

根據以上的選題原則,我們擬選定進行Web Quest教學的內容有如下主題。

(1)光是什么?電子是什么?本主題從“光與電子的屬性是什么”這一問題出發,通過搜集人們對光與電子的屬性認識發展過程方面的資料,經過歸納綜合、分析討論,從而得出微觀粒子具有波粒二象性的結論。

(2)行蹤不定微觀粒子。本主題從“如何描述微觀粒子的狀態”這一問題出發,通過搜集人們對波函數的各種解釋,經過分析討論,并與相應的實驗結果比較,從而得出波函數的統計解釋。

(3)原子之旅——氫原子定態問題的求解。本主題從“如何求解氫原子定態問題”這一問題出發,通過搜集人們對這一問題的各種解法,包括解析法、數值法以及利用數學軟件方法等,經過分析比較,從中選取一種個人認為最佳的方法,并把定態解求出。

(4)任意勢壘的貫穿。本主題從“如何求解任意勢壘的透射系數”這一問題出發,通過搜集相應的各種解法,經過分析對比,選定一種自己認為最合適的方法,并把透射系數求出。

(5)給原子畫像——氫原子電子云的計算機模擬。本主題從“如何模擬氫原子電子云”這一問題出發,通過搜集電子云的各種模擬方案,經過分析比較,選取一種自己最滿意的方案,并通過編寫程序,利用計算機進行模擬。

(6)坐標和動量能同時確定嗎?本主題從“坐標和動量能否同時確定”這一問題出發,通過搜集人們對這一問題的各種觀點,經過分析討論,并與相應的實驗結果以及相應的理論論證比較,從而得出坐標和動量的不確定關系。

(7)希爾伯特空間與實空間的對比。本主題從“態和力學量算符在任意表象中的表示”這一問題出發,通過搜集關于這一問題的各種資料,經過分析歸納,并與實空間中的矢量表示對比,最終得出態和力學量算符在任意表象中表示的方法。

(8)氫原子的一級斯塔克效應。本主題從“氫原子一級斯塔克效應的求解”這一問題出發,通過搜集關于這一問題的各種解法,經過分析比較,確定求解的方案,并求解出氫原子的一級斯塔克效應。

2.3 設計任務

“任務”是Web Quest最重要的部分,它為學習者制定課程的學習目標,明確學習的內容,說明學習活動開展的形式,闡明操作的流程以及結果的描述,具體體現設計者的基本意圖。一個好的任務設計應該是有趣的和可操作的,并且能夠引發學習者的深層次思維。任務設計包括如下幾個環節。

(1)設定學習目標。設定學習目標是教師對所預定的學習目標作出詳細的說明,而這種說明應是具體的、準確的,不能含糊不清,要科學地體現目標的層次性和系統性。如果目標是模糊的,那么預定的任務就很難完成。

(2)分析主題,確定任務。在確定主題后,通過分析主題,明確學習者具體要完成的任務。這里的“任務”具有不同于傳統教學的幾個特點:真實性、整體性、層次性、開放性。

(3)分配角色,明確分工,確定地位和權威。為確保Web Quest學習的實施,還要在每個學習小組內進行角色分配,以明確分工,確定每個成員在小組的地位和權威。一個合理、具體、周密的角色設置與分配,能確保學習任務順利完成,反之,往往會使探究在實施過程中漏洞百出,十分被動,也難以實現預期的學習目標。教師通過對每個學習者的學習特征進行分析來劃分角色,例如組織協調能力強的可以扮演組長角色,語言表達能力強的可以扮演小組陳述人角色,計算機操作熟練的可以扮演資料搜集人角色等。

(4)選擇成果展示的形式。成果展示的形式是多種多樣的,例如口頭表述形式,撰寫研究報告、科技論文、調查報告形式,制作成多媒體的形式,制作成網頁或主題網站形式等。選用哪種形式,視具體的主題和具體的學習活動而定。

2.4 組建資源

要完成Web Quest所設定的任務,教師需要組建相應的學習資源,以幫助學習者展開對相關主題的探究。學習資源主要來自于網絡,當然也可以是傳統的書籍、圖片、音象、視頻等。教師通過制作網頁,對資源進行分類和組織,并為資源的使用提供有效的指導和使用方針,并且為學習者適時、適當、適度地提供認知工具,便于學習者知識的建構。相對于通常信息的搜索,Web Quest更側重于信息的使用。通常的做法是將資源清單分成幾個部分,一部分資源在課堂上讓每個學習者學習,另一些則可以由扮演某一特定角色或持某一特殊觀點的學習者閱讀。這種給予學習者不同數據資源的方式,不僅增強了群體之間的合作和依靠,同時也培養了學習者相互學習的意識。由于學習者使用的所有鏈接都由設計者預先設定,而且還包含有明確的指針,學習者在網絡空間將不再因迷失方向而完全漫無邊際地漂流。

2.5 設計過程

Web Quest的過程設計分成兩個方面:教學流程和教學活動。

2.5.1 教學流程

①導入問題情景→②提出要解決的問題→③明確為解決問題需要完成的任務以及相應的計劃→④基于網絡的探究學習→⑤展現成果

2.5.2 教學活動

①創設問題情景。Web Quest是基于建構主義學習理論的一種教學模式,它關注的焦點是問題/主題/項目,將問題作為學習的驅動方式,而且認為問題與情境是不可分割的有機整體,問題是基于真實情景中的問題,情境是問題的主要部分,通過問題情景,產生問題意識。所以這就要求教師必須設計出具有趣味性且具有感染力,能夠吸引學習者注意力,又不超出學生的認知水平的問題情境。

②提出問題。在創設的問題情景之下,提出要解決的問題。

③明確探究任務和計劃。為解決提出的問題,教師要明確給出為解決問題需要完成的任務。在明確了任務之后,教師還要引導學生對任務進行分析思考,將任務分成一系列的子任務。另外,為順利完成以上的任務,教師還應指導學生制定探究計劃,讓學生整體把握探究活動的內容、方法、時間安排和成員分工等。

④基于網絡的探究學習。這一步主要由學生自主進行。學生利用教師提供的資源進行探究,并利用網絡工具,通過協作、探討、交流和共享等活動形式來進行演繹、歸納、綜合、推理、發現、創新等思維過程。此外,學生對所完成的工作還要作進一步的分析、處理和重組,評估探究過程和目標、任務的完成情況,尋求超越、新思想、新結論。在這個階段,教師所要做的是為學生提供各種解決任務的資源。教師需要考慮下列問題:發揮小組協作的作用,促進學習者之間的分工協作、討論和交流;提供一些方法和工具,引導學生對獲取的信息進行進一步的分析、綜合和評價;提供一些范例,給學生若干啟示或靈感。

⑤展現成果。這是探究活動中非常重要的一個步驟,它對于提高學生的自我成就感,促進學生之間的交流有著非常重要的作用。學生選擇一定媒體和方式,發表自己的探究成果。小組匯報是展現成果和交流常用的一種方法,可以由各小組選派代表向全班匯報。另外,也可通過將成果上傳至網上的形式展示。

2.6 設置評價

在設置評價時,要充分注意到Web Quest的評價有別于傳統的評價方式,即要充分考慮到評價的多元化多元化評價是指完善評價功能、豐富評價內容、拓展評價方式、增加評價主體的新型評價形式,具體指:

①評價功能的多元性——不強調甄別和選拔的功能,更注重評價的內在激勵功能、教育功能、診斷功能、導向功能、反饋功能。

②評價內容的多元性——不僅有知識與技能的評價,還有學習能力、創新能力、學習素質、學習態度、學習習慣等方面的評價。

③評價方式的多元性——不僅采用考試等量化方式,還采用其它質性評價方式。不僅采用學后的終結性評價,還采用學前的診斷性評價和學中的形成性評價。

④評價主體的多元性——除教師外,還引入學生、家長、社會、中介機構等評價主體。

根據以上要求,我們對Web Quest的評價設計分為學前評價、學中評價和學后評價三部分。對于學前評價,比如教學條件、教師條件、對學習者的知識背景、性格、情感、技能等方面可以采用問卷、訪談、面對面交流等方式來進行,并作為后續環節的依據。對于學中評價和學后評價,我們采用由學生撰寫學習過程報告和設計專門的的評價量表進行。

2.7 設計總結

總結包括兩部分,一是教師對整個學習活動過程的全面總結,包括學習內容、學習方法、學習態度、經驗與教訓等;二是學生的自我反思總結,包括成功的經驗、失敗的教訓、學習的心得等。教師的總結在課堂上進行,學生的總結可采用書面或小組交流的方式進行。

3 量子力學Web Quest的教學案例

下面以“給原子畫像——氫原子電子云的計算機模擬”主題為例說明Web Quest的教學設計。

主題 給原子畫像——氫原子電子云的計算機模擬學習目標 ①理解電子云的物理涵義;②學會基本的編程方法;③掌握一種電子云的計算機模擬方法。引言 ①你能給原子畫像嗎?②給出常見的原子圖像,指出其不科學之處;③基于原子的特性(原子中電子的行蹤不定),可利用“電子云”給其畫像;④如何畫出原子的電子云圖像呢?任務任務:①借助教科書弄清電子云的物理涵義;②在指定的網站查找有關“電子云的計算機模擬”的資料;③在小組內對所搜集到的資料進行分析歸納,總結出電子云的計算機模擬共有幾種方案,并通過分析比較,從中選取一種自己認為最佳的方案;④根據所確定的方案,通過編程實現氫原子電子云的計算機模擬。分配角色:①組長;②資料搜集員;③程序員;④陳述人。成果展示的形式:借助PPT和運行程序演示展示成果。過程①導入問題情景:你能給原子畫像嗎?②提出要解決的問題:如何畫出原子的電子云圖像呢?③明確為解決問題需要完成的任務以及相應的計劃:見上述的任務;④基于網絡的探究學習:提出初始方案,搜集資料,論證確定方案,編程實現電子云的計算機模擬;⑤展現成果:借助PPT和運行程序演示展示成果資源 ①中國學術期刊全文數據庫;②維普中文科技期刊數據庫;③Science Direct;④Springer Link評價 ①學前評價:教學條件、教師條件、學習者狀況等;②學中評價:態度、方法、技能、協作能力等;③學后評價:成果的科學性、實用性、創新性等。總結 ①教師總結:學習內容、學習方法、學習態度、經驗與教訓等;②學生總結:成功的經驗、失敗的教訓、學習的心得等。

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