問題解決教學設計應用于大學物理創新實驗的探索與實踐

楊玉梅，唐遠林，王凱俊，武小琴，譚德宏

（中國人民解放軍后勤工程學院，重慶401311）

問題解決教學設計應用于大學物理創新實驗的探索與實踐

楊玉梅，唐遠林，王凱俊，武小琴，譚德宏

（中國人民解放軍后勤工程學院，重慶401311）

問題解決教學設計與大學物理創新實驗課程共同關注復雜劣構問題.此類問題解決沒有現成的算法可以遵循，要求學習者面對較高的認知負荷表現出較高級的思維能力.立足創新實驗教學實踐，開發教學設計案例，具體分析了在復雜劣構問題解決進程中教學設計呈現出的目標生成性、過程創造性、評價多樣化特征.

問題解決；教學設計；創新實驗

1 引 言

問題解決作為一種教學方式，是當前教學改革的重要組成部分，與傳統的僅僅以傳授知識為目標的教學方式有著很大的區別.美國全國數學管理者大會將問題解決界定為“將先前已獲得的知識用于新的、不熟悉的情境的過程”.問題解決的教學設計，即教學依問題而存在，問題依教學而有效解決［1］.加涅曾指出：“教育的核心問題就是教會學習者思考，學會運用理性的力量，成為一個更好的問題解決者.”在培養學生問題解決能力方面，傳統的實驗教學越來越不能令人滿意，其教學任務不外乎測量基本物理量和驗證定律.教科書從目的要求、原理、儀器，到操作步驟都寫得十分詳盡，沒有多少觀察、分析和獨立思考的余地，很難引發學生的高級思維活動，也便談不上培養學生獨立探索、創新和創造能力.

我校開設大學物理創新實驗課程在一定程度上可以彌補傳統實驗的不足.課程從選題到問題解決都給學生足夠的空間，強調以學生為中心.從知識建構的角度來講，就是要求學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體、知識意義的主動建構者.創新實驗課程安排10周，每周2課時，共20課時，與2個課時的傳統實驗相比，充足的學習時間保障復雜問題解決的可行性.

筆者將問題解決教學設計基本思想應用于教學實踐，開發了“剛體轉動慣量測量儀軸承摩擦引起的實驗誤差研究”教學設計案例，從實驗選題、目標設置、教學過程、教學評價4個方面進行闡述，具體分析在問題解決過程中學生面對不斷產生的認知沖突所能表現出來的獨到見解和發展創造思路以及問題解決進程中教學設計的特征.

2 問題解決教學選題的障礙性與探究性

成功進行“問題－解決”教學設計，提出適當的問題至關重要.紐威爾和西蒙認為：“問題是這樣一種情境，個體想做某件事，但不能馬上知道對這件事所需采取的一系列行動，就構成問題.”

首先，問題依托于一種情境，“情境不僅包括學習發生的具體的物理空間，還包括作為學習過程本身一部分的社會環境”［2］.創新實驗教學在大學物理實驗室進行，事實證明，完備的實驗設備并不能構成問題解決所有的情景，問題解決過程中學生需要獲得組內組外成員的幫助，輔導教師以及其他教師的幫助，必要時與儀器生產廠家取得聯系，等等，這構成了學習過程中一部分的社會環境，需要學生具備一定的社會交往技能以保證學習過程的順利進行.

其次，“不能馬上知道對想做的事所采取的行動”，便使得問題有了“障礙性與探究性”.

本次創新實驗選題是從傳統實驗的教學過程

活動過程中，合作小組幾次遇到難題，引起認識上的矛盾、心理上的緊張.又在幾次討論中產生新的想法思路，也就是格式塔派心理學所說的經過幾次“頓悟”，最終成功改造了實驗儀器，發現中軸摩擦影響實驗誤差的規律.真正體會到了“窮則變，變則通”的含義.

3 問題解決教學目標的開放性與生成性

創新實驗選題的障礙性和探究性，問題解決方法的非常規和不確定性，決定了教學目標不可能在實施教學之前就能夠明確，而呈現出一定的開放性和生成性.

目前教學設計理論界提倡“開放的教學目標”即指在教學過程中可以改變學習目標或生成新的學習目標.

“恒力矩法測量剛體的轉動慣量”，在本校傳統實驗教學計劃中屬于大二本科2個課時基礎實驗項目，實驗目標是：1）測量規則形狀物體例如圓環、圓柱的轉動慣量；2）驗證平行軸定理.顯然這是用“可觀察的術語”描述的非常明確的目標.本課程以培養學生“問題－解決”能力為出發點確定了如表1所示的開放的目標體系，即目標體系不僅包括了教師根據教學需求和“問題－解決”教學設計特點預先制定的學習目標，還包括了部分教學過程中生成的新目標（新目標表中用“★”標出）.

表1 剛體轉動慣量測量儀軸承摩擦引起的實驗誤差研究開放目標體系

4 問題解決教學過程的主體性與創造性

教學過程體現主體性是指整個教學設計力圖歸還學生課堂話語權，使學生在學習過程中擁有足夠思維和活動的時間和空間.教學過程體現創造性是指強調學習過程比學習結果更重要，希望看到一次次深層次的思維飛揚.實際教學過程中，創造性的體現需要主體性的充分發揮為前提，反過來，主體性的充分發揮也需要創造性的助推作用.這兩者的充分發揮都依托于教學過程中新任務（或者新目標）的生成.新任務的出現與完成是學習動力的助推劑，具有明顯的激勵作用，可以開發潛能，激活高級思維，終使學生的主體性和創造性得到更好的發揮，同時也使教學更有廣度和深度.

本教學設計將教學過程分成選題、猜想與假設、制定實驗方案、實施實驗方案、收集處理實驗數據、解釋實驗現象，得出實驗結論7個階段.創造性和主體性主要體現在實施方案階段對實驗儀器的改進、處理數據階段對計算機軟件的學習應用，以及解釋實驗現象階段自主學習新知識3個方面.

4.1 創造性改進實驗儀器，實施實驗方案

對剛體轉動慣量測量儀軸承摩擦引起的實驗誤差情況，合作小組提出了多個猜想與假設，通過查閱相關資料，小組討論排除次要影響因素，得出如下一級假設：

1）摩擦力矩與實驗臺的旋轉速度有關，速度越大，摩擦力矩越不穩定；

2）摩擦力矩與實驗臺的旋轉載荷有關，載荷越大，摩擦力矩越不穩定.

該實驗采用ZKY－ZS轉動慣量實驗儀，速度改變范圍有限，選擇研究假設2），針對載荷對摩擦力矩的影響小組討論提出如下二級假設：

1）儀器本身不對稱或測量元件（本實驗用剛性圓柱體）相對轉軸的不對稱放置，造成軸承摩擦力矩不恒定；

2）同等個數測量元件，誤差大小與測量元件距質心軸的距離有關；

3）測量元件相對轉軸對稱放置的情況下，與分立的測量元件相比，連續體的測量誤差較小.

假設3）在現有實驗條件下無法進行，ZKYZS轉動慣量實驗儀只有4排孔，只能測量1，2，4個被測圓柱體的情況，數量有限，不能體現從分立元件到連續體的變化趨勢，必須增加被測元件個數，矛盾、沖突由此產生.這就需要學生發揮其主觀能動性，各抒己見，提出解決方案，這是最有創造性、挑戰性的學習任務，也最能引發學生問題解決后勝利者的滿足感.

圖1 自制輔助實驗器材示意圖

討論過程中，1位組員提出在實驗臺上描繪出被測圓柱體位置的設想，大家各抒己見最終確定了自制實驗輔助器材的方案.具體操作方法如下：如圖1所示，剪裁3張實驗圓盤大小（半徑為130mm）的輕薄塑膠紙，以45，60，75，90，105mm為半徑畫5個同心圓，將3張圓紙片分別進行16，12，10等分，等分線與同心圓的交點就是放置被測剛體的準確位置.考慮到測量元件是直徑30mm的圓柱體，又以每一個交點為圓心以15mm為半徑繪出了許多小圓.將塑膠紙固定在空實驗臺上，即可以滿足距中軸45，60，75，90，105mm，對稱放置2，3，4，5，6，8，10，12，16個圓柱，足以體現從分立元件到連續體的變化趨勢.實驗操作時，在小圓圓心處粘貼少量雙面膠，防止被測圓柱體旋轉時發生移位.另外，如果塑膠紙比較厚或其質量較空實驗臺不能忽略，在測量空實驗臺轉動慣量時應將塑膠紙放在實驗臺上一起測量.

4.2 自主學習新技能處理實驗數據

問題解決學習是一種知識技能含量較大的學習，如上文提到的自己動手制作輔助器材的技能，針對本課程學生還需在教師的提示下學習另外一種必不可少的技能，即利用計算機軟件處理實驗數據.

根據實驗原理，數據處理包含剛體轉動半周期的三次多項式，再加上如此大量的實驗數據，計算器已遠遠不能滿足數據處理需求，而借助Matlab，Excel等計算機通用軟件，將大大減小工作量.這就生成了“知識與技能”維度“必要時借助Matlab，Excel等計算機通用軟件處理實驗數據”的新目標.

合作小組利用Excel軟件對數據進行分析，發現被測圓柱個數A＝10，被測圓柱距中心轉軸的距離d＝45cm對應數據為異常數據，剔除該數據，相對誤差與質量大小及質量分布的關系呈現如下規律：

1）相同個數被測圓柱，距離中心轉軸越近，相對誤差越小；

2）距離轉軸相同距離，被測圓柱體數量越多，相對誤差越小.

顯然，這兩條規律從2個不同的角度驗證了猜想：“對稱放置測量元件的情況下，與分立的測量元件相比，連續體的測量誤差較小.”

4.3 自主獲取新知識解釋實驗現象

問題解決要求學生回憶一些較簡單的、先前學習過的“規則”和“定義性概念”［1］.除此之外，更有挑戰性的是學生還需通過自學，尋求第三方幫助等方式獲取新的知識.

解釋實驗現象、得出結論需要合作小組查閱大量的資料，特別是關于軸承構造，以及解釋軸承摩擦規律的相關資料.這生成了新的目標，即“問題解決能力”維度下“必要時，學習新知識”“解釋實驗現象”的目標.

關于軸承構造相關問題，合作小組與儀器廠家取得聯系，得知所用軸承為GB276－64單列向心球軸承，獲得了軸承實物圖，軸承內徑、外徑大小等相關數據.這將為數據分析帶來極大的方便.同時也生成了新的目標，即“合作與交流”維度下“必要時，尋求社會幫助”的目標.

實驗現象驗證了猜想與假設，對實驗儀器或操作方法的改進有一定的參考價值.但實驗現象背后的深層成因應從軸承受力情況進行分析.針對以上問題，合作小組做出了較大的努力，查閱學習了的大量關于軸承結構及旋轉受力方面的資料，但考慮到軸承摩擦受力的復雜性以及本課程有限的授課時間，學習任務似乎已經超出了學生的認知負荷，實驗現象未能從物理力學方面得到滿意的解釋.這同時也生成了一個新的研究課題“剛體轉動慣量實驗儀軸承摩擦的力學分析”，可以作為學生課外自主選擇的學習任務.

5 問題解決教學評價的多樣化

問題解決教學設計應著重強調問題解決的過程，淡化問題解決的結果.問題是否得到高質量的解決取決于學生多方面的能力，評價方式也不能單純采用結果評價，而應多種評價方式相結合.

本教學設計采取結果評價、過程性評價、答辯會評價、學生自評等相結合的多元化評價方式.本次學習活動的直接成果是形成了有一定參考價值的論文，獲得了重慶市首屆大學生物理創新競賽二等獎.在全年級范圍內開展創新實驗結題答辯會，學生表現出了良好的答辯素質，本實驗的思路、學生動手能力等也獲得了教授專家和各位教師以及同年級同學的好評.在學校要求的等級評價中，2位小組成員獲得“優秀”，1位獲得“良好”.自我評價環節小組成員認為自己“學會了如何清楚地思考”，真正體驗到了自主發現、探索、認識事物的樂趣和付出努力，問題解決后的較大成就感，以及由此產生的處理好類似問題的信心與決心.

［1］ 朱德全.基于問題解決的處方教學設計［J］.高等教育研究，2006，27（5）：83－88.

［2］ 史密斯P L，雷根T J.教學設計［M］.（3版）.龐維國，譯.上海：華東師范大學出版社，2008：64.

［3］ 王震，丁永文，杜文.普通物理實驗教學中的“提出問題”［J］.物理實驗，2010，30（4）：18－21.

［4］ 熊永紅，任忠明，張炯，等.以“問題”為主線的多元化教學方法和模式的研究［J］.物理實驗，2009，29（4）：27－29，38.

［責任編輯：尹冬梅］

Investigation and practice of the problem－solving instructional design in university physics experiment

YANG Yu－mei，TANG Yuan－lin，WANG Kai－jun，WU Xiao－qin，TAN De－hong
（Logistical Engineering University of PLA，Chongqing 401311，China）

Complex ill－structured tasks are becoming a common theme both in areas of problemsolving instructional design and physic innovative experiment.It demands high thinking ability in front of rigorous cognitive load and there are no general method can be followed at present.We developed an instructional design case based on innovative experiment teaching practice.The characters of instructional design in the process of complex ill－structured problem－solving，i.e.，the generation of target，creative process and evaluation of diversity were also analyzed.

problem－solving；instructional design；innovative experiment

G642.423

A

1005－4642（2012）11－0023－05

2012－06－25

后勤工程學院青年基金項目（No.YQ11－41101）

楊玉梅（1982－），女，山東壽光人，中國人民解放軍后勤工程學院講師，碩士，主要從事大學物理教學及高等教育研究.中生成的.“恒力矩法測量剛體的轉動慣量”實驗驗證平行軸定理時，不是用1個待測圓柱直接測量，而是用對稱操作法，即需要“將兩圓柱體對稱插入載物臺上與中心距離為d的圓孔中”進行測量，由此引發思考，提出問題“ZKY－ZS轉動慣量實驗儀軸承摩擦力矩對實驗誤差的影響研究”.顯然該問題沒有現成的算法可以遵循，學生不能快速直接地做出回答，屬于探究性問題.