理工科教學過程中的實驗情境教學研究

李建軍+張麗亭+劉銀+朱金波

摘要：在我國理工科實驗教學過程中，存在容量不足有限、與理論教學銜接困難的問題。實驗研究表明，在專業課課堂上，構筑虛擬的實驗情境可以彌補實驗教學的不足，同時對理論教學起到促進作用。實驗研究表明，實驗情境教學符合大學生認知規律，因此可有效促進知識遷移，促進其創造性思維能力的培養。合理設計實驗情境教學、理論教學與實驗教學的內容、時長及次序，有助于實現幾種教法的協同配合，實現教學效果的最優化。

關鍵詞：實驗情境教學；理工科；課堂教學；知識遷移

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0220-02

一、引言

隨著高等教育由精英教育向大眾化教育的轉變，高等教育的目標呈現多元化的特點。其中，掌握堅實的理論基礎，培養較強的實踐動手能力、解決問題能力及創造性思維能力，一直是我國理工科教學的重要目標。實驗教學是實現這些教學目標的重要手段之一。然而，我國多數理工科大學的實驗教學很難滿足對學生培養的要求：實驗教學需要搭建實驗平臺，成本高昂且實驗裝置研發滯后，導致實驗覆蓋面較窄；實驗教學與理論教學協同困難，很難做到步調一致，不能相互促進。如何彌補實驗教學的不足，促進理論與實踐教學的配合與協同是專業課教學面臨的一大難題。我們通過近年來的教學試驗，發現在專業課課堂上引入虛擬的實驗情境可有效克服實驗教學的不足，明顯提高教學質量。實驗情境教學來源于情境性學習理論，該理論由布朗（J.S.Brown）等人提出，重在突出認知過程中學習情境的重要性，是認知理論上的又一次發展。

二、理工科大學課堂構筑實驗情境的意義

實驗情境的合理創設除了有助于克服實驗教學的不足外，對改善理論課課堂結構與教學質量亦具有重要意義。

1.有利于促進理論知識的遷移。實驗情境以真實實驗環境和過程為依據，因此可使學生產生直觀的感性認識，有利于學生快速融入問題情境，引發探究興趣。例如在《重力分選》課程中要講解跳汰機分選效果的影響因素，非常枯燥，學生也難以掌握。如果虛擬出一個利用跳汰機去除原煤中矸石的實驗，結合多媒體圖片，預先介紹清楚跳汰機的類型及工作方式、煤粒及其中矸石的特點、分選實驗目的等，然后虛擬開展重選實驗，就可降低知識的理論性，便于學生進入問題情境。

2.有利于改善課堂結構。在課堂上引入實驗情境后，課堂本身的結構會發生明顯的變化。最突出的是，老師的鋪陳與講授時間減少，代之以實驗場景的介紹、學生討論、實驗結果分析、理論升華等。形式豐富的課堂節奏變化，更容易引發探究熱情，使知識遷移更加容易。

三、實現實驗情境教學、理論教學與實驗教學的協同效應

1.實驗情境教學與理論教學的協同。理論教學與實驗實踐教學都是理工科教學中必不可少的組成部分，二者緊密配合才能有效提升學生的綜合素質。如前文所述，目前實驗教學很難滿足理論教學的需要。實驗情境教學雖然是一種虛擬的實驗教學，但其在一定程度上可以代彌補實驗教學的不足。同時其又具有真實實驗教學不具備的一些優點：成本低廉、耗時短、進度安排靈活、內容可選性強、理論課教師同時又是“實驗”老師，便于“實驗”教學與理論教學的相互配合。在實驗情境教學中，如果做到實驗情境教學應與理論教學的密切協同，則可使課堂教學事半功倍，效果提升。

2.實驗情境教學與課堂實驗教學的協同。由于實驗情境是虛擬情境的，因此需要學生具有一定的想象力和思維邏輯性，對某些遠離學生生活經驗的實驗情境，較難引發直觀認識，由此建立的實驗情境和問題情境容易有偏差。如果在實驗情境創設之前，輔以實物教具和課堂演示實驗，則可以減少學生的想象與猜測，有利于學生在思維中建立直觀的實驗情境和準確的問題情境。

3.教學實踐與分析。依據實驗情境教學的構想，在資源循環科學與技術、復合材料科學與工程兩個專業開展了多次專題教學實驗和整學期教學實踐。現以資源循環科學與技術專業核心課程《資源分離與分選技術》教學中的一個專題教學實驗為例加以說明。主要教學內容是逆流式滾筒磁選機的原理、結構及應用。實驗用教學班級共34個學生，其中女生6名，按照男女比例一致、成績分布均勻的原則分為3組。在教學中，圍繞教學目標，通過3種教學方法展開教學：A組，多媒體輔助下的講授法教學；B組，多媒體輔助下的講授法教學+實驗情境教學；C組，多媒體輔助下的講授法教學+實驗情境教學+課堂演示實驗。經過1個課時的課堂教學，利用試卷測試、單獨實驗操作等形式，從概念掌握、原理理解及實驗操作能力等幾方面對學生進行定量考核，并對考核結果進行對比分析。

從考核量化結果表（表1）中可以看出，采用實驗情境教學輔助的課堂教學無論從概念掌握、原理理解，還是從實驗操作方面都優于傳統的講授法教學，但結果的差異程度不同。僅從“概念掌握”的角度看，三種教學方法的差異比較小，A組和B組各有1名學生沒有及格，不同的是，B組優良率略高；而C組學生全部及格，優良率達到了三分之。而從“原理理解”與“實驗操作能力”的角度看，三個組的教學效果差異非常明顯。B組與A組學生在原理理解方面都有2人不及格，只是由于B組的優良率高的多，因此B組的平均成績更高；C組由于多了課堂演示實驗的環節，及格率提高了10個百分點，其優良率也最高。在實驗操作能力方面，采用實驗情境教學成績的B、C兩組比A組成績好的多，說明虛擬實驗教學對動手能力的培養確有幫助；C組在優良率和不及格率方面的優勢，再次證明課堂上實物展示與演示實驗對實驗情境教學具有強烈的補強作用。以上教學專題實例和對比分析表明，理論教學、實驗情境教學與課堂演示實驗之間是相輔相成的，如果合理組織教學過程，使這幾種教學方法緊密協同，不但使學生學習到系統理論知識，還可使學生的邏輯性思維能力、動手能力及創造性思維能力獲得提升。

四、結語

綜上所述，在理工科本科教學中，實驗情境教學是一種有效的新型教學方法。在課堂上采用實驗情境教學，不但可克服實驗教學的不足，而且有利于優化課堂結構、引發學生的探究興趣，促進知識遷移，對于提升學生的創新性思維能力亦具有重要意義。課堂教學過程中，教師應努力實現實驗情境教學、理論教學與實驗教學的協同效應。

參考文獻：

[1]王勇，周俊，王森，等.加強本科實驗教學工作的若干思考[J].高等理科教育，2010，（4）：120-121.

[2]Brown J S，Collins A，Duguid P.Sitllated cogni-tion and the culture of learning[J].Educational researcher，1989，（1）：32-42.endprint