基于遷移理論提升大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量的探索與實踐

姜寒玉，何 軍，丁作銘，張開楊，褚紅燕

(南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力是當(dāng)今高等教育的核心和最終目的.習(xí)近平同志指出，“惟改革者進，惟創(chuàng)新者強，惟改革創(chuàng)新者勝.” 通過融合創(chuàng)新、追求一流育人質(zhì)量，需要把握因材施教的原則，本科生教育要注重讓學(xué)生獲得開展融合創(chuàng)新所需要的知識基礎(chǔ)[1].因此探索新的教育模式從而帶動整體人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，是新時期高校教育教學(xué)的發(fā)展目標.

大學(xué)物理實驗是一門重要的基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力有著無可替代的作用，它也是學(xué)生進入大學(xué)學(xué)習(xí)的第一門實驗課程，更為后續(xù)的課程培養(yǎng)正確的學(xué)習(xí)態(tài)度.然而該課程實踐性強，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難易知難而退，同時大學(xué)一年級開設(shè)課程較多，有限的精力更多關(guān)注本專業(yè)課程，對物理實驗只抱著“修學(xué)分”的態(tài)度，長此以往很難提高學(xué)生對大學(xué)物理實驗的重視程度.此外傳統(tǒng)的教學(xué)過程多未以學(xué)生為“中心”，只注重“教得好”，未注重“學(xué)得好”，難以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和潛能，更無從談及創(chuàng)新精神的培養(yǎng).

基于此，本文嘗試在南京師范大學(xué)理工科專業(yè)的大學(xué)物理實驗課程中實施基于學(xué)習(xí)遷移理論的混合教學(xué)模式(圖1)，采用肖像式結(jié)構(gòu)原則進行課前預(yù)習(xí)，將探究式教學(xué)方法貫穿授課過程，最后完成課后拓展創(chuàng)新的反饋和強化.這一模式的實施有效提高了教學(xué)效率，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生的探究和創(chuàng)新能力，以期為高校物理實驗課程的教學(xué)改革研究提供一定的參考.

圖1 基于遷移理論的肖像式結(jié)構(gòu)原則混合探究式教學(xué)模式

遷移是一種基本的學(xué)習(xí)現(xiàn)象，是知識在新條件下的重新建構(gòu)，包括對知識的進一步學(xué)習(xí)、對知識的深化理解、對知識的心理應(yīng)用范圍的擴充[2].奧蘇貝爾認為，有意義的學(xué)習(xí)遷移，都是在原有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的[3].傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)主要采用示例教學(xué)，學(xué)生對實驗課的學(xué)習(xí)存在知識結(jié)構(gòu)的認知碎片化，學(xué)習(xí)遷移效率較低.結(jié)構(gòu)主義學(xué)者布魯納認為，將知識組織起來的最理想方式是建立知識結(jié)構(gòu)，使個別事實與知識結(jié)構(gòu)發(fā)生聯(lián)系，對已學(xué)的基礎(chǔ)知識，可以實現(xiàn)普遍遷移，縮小“初級”知識與“高級”知識之間的差距[5].學(xué)生在一定知識領(lǐng)域內(nèi)的知識結(jié)構(gòu)，具有概括性，清晰性和穩(wěn)定性等特征，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識時，上述特征的利用性越高，可辨別性越大，認知結(jié)構(gòu)的遷移性越好[4].

為了提高學(xué)習(xí)遷移的針對性和有效性，課前采用肖像式結(jié)構(gòu)原則對知識和規(guī)律進行梳理，構(gòu)建思維邏輯和知識體系，包括簡化的圖解、知識樹和系統(tǒng)圖等形式，經(jīng)濟有效的將知識結(jié)構(gòu)再現(xiàn)[5].這一學(xué)習(xí)過程使學(xué)生脫離原本機械式的“死記硬背”，提高學(xué)生提出問題和解決問題的能力[6].遷移涉及知識的意義與應(yīng)用范圍兩個不可分割的方面，知識的意義要通過知識的應(yīng)用來理解[2]，因此在大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中應(yīng)用探究式教學(xué)手段是合理且恰當(dāng)?shù)腫7,8].學(xué)生通過獨立進行實驗操作，并在實驗過程中進行思考、交流和表達，可以增加遷移時的知識獲得、技能提高和主觀能動性，進而培養(yǎng)探究精神和創(chuàng)新能力[9].根據(jù)以上原則，本文實施了以下的教學(xué)模式.

1 課前預(yù)習(xí)及調(diào)研

1.1 肖像式結(jié)構(gòu)原則進行課前預(yù)習(xí)

為了提高課堂學(xué)習(xí)效果，促進學(xué)習(xí)的有效遷移，在向?qū)W生傳授新知識之前，讓學(xué)生呈現(xiàn)一個短暫的具有概括性和引導(dǎo)性的說明，能夠簡單、清晰的意識新舊知識之間的關(guān)聯(lián)性.這種知識和態(tài)度的遷移觀教學(xué)策略在我校大學(xué)物理實驗教學(xué)中，取得了積極的教學(xué)效果.我們鼓勵學(xué)生采用肖像式結(jié)構(gòu)原則，利用知識樹、系統(tǒng)圖等形式有效梳理實驗原理、目的和過程并提出問題，變被動接受為主動求知(圖2).大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)對象涉及物理學(xué)、能源動力、電氣工程、數(shù)學(xué)、化學(xué)、地理科學(xué)、計算機7個專業(yè)，共424人.經(jīng)統(tǒng)計，368位學(xué)生采用這一形式進行了課前預(yù)習(xí)，在已有的知識體系上延伸了實驗內(nèi)容，提出知識梳理中遇到的問題，實驗在生活和科研中的拓展等，學(xué)生帶著問題和思考進入課堂，并對課堂學(xué)習(xí)具有一定的期待度，調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性，轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)態(tài)度，無形中完成了知識體系的遷移.

學(xué)生通過知識梳理，已了解基本概念和實驗原理，以“用電流場模擬靜電場”為例[10](圖2(a))，提出為什么用電流場模擬靜電場，需要的模擬條件是什么？此方法是否適用于各種不同形狀的帶電體？有無更便捷的方法？以“空氣中聲速的測量”為例[10](圖2(b))，提出了駐波法和相位比較法二者的原理差異是什么？各自的優(yōu)缺點是什么？導(dǎo)致本實驗產(chǎn)生誤差的因素有哪些？可見，這種預(yù)習(xí)形式使學(xué)生們有效梳理了知識體系，不是空著腦袋，而是帶著思考進入課堂，明確自己掌握什么、解決什么，教師們也可以根據(jù)學(xué)生的實際情況，科學(xué)合理的設(shè)置教學(xué)過程，明確自己要講什么、怎么講，將學(xué)生的知識和態(tài)度有效遷移至課堂教學(xué).

圖2 結(jié)合肖像式結(jié)構(gòu)原則完成的預(yù)習(xí)報告

1.2 課前調(diào)研

大學(xué)物理實驗是相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門實驗課程，它不僅是培養(yǎng)學(xué)生科研探究能力和創(chuàng)新思維的重要課程，也需為學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)態(tài)度.每個學(xué)生在進入課堂之前，已經(jīng)具有一定的知識體系和組織特征，這些都會影響未來的學(xué)習(xí)效果.因此作為教師，不應(yīng)忽略這些經(jīng)驗和特點，而是引導(dǎo)學(xué)生在“原有的”知識點上“生長”出“新的”知識點[11]，進一步完善他們的知識體系.

為了了解學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和知識儲備的長短板，為后續(xù)將遷移理論延伸進入探究式教學(xué)奠定基礎(chǔ)[4]，設(shè)置了課前調(diào)研，內(nèi)容包括物理學(xué)基礎(chǔ)知識儲備量，對常用儀器、基本測量方法和實驗數(shù)據(jù)處理方法的了解程度，以及對物理學(xué)及物理實驗的興趣程度等.問卷采用無記名方式，共發(fā)放424份，回收384份，問卷結(jié)果和數(shù)據(jù)采用Excel進行整理和錄入.

通過對實驗涉及的基礎(chǔ)知識儲備調(diào)查發(fā)現(xiàn)，力學(xué)基本概念了解比例占27.5%，光學(xué)和電學(xué)均占24.4%，熱學(xué)為23.7%.對實驗基本儀器的了解情況，力學(xué)占38.3%，光學(xué)和電學(xué)分別占21.2%和21%，熱學(xué)為19.5%.可見學(xué)生對力學(xué)基本理論和相關(guān)儀器掌握較好，如彈性模量、簡諧振動、轉(zhuǎn)動慣量、螺旋測微器、游標卡尺等基本概念和器具都有一定的了解，在后續(xù)探究式教學(xué)中可進行適當(dāng)拓展和提升.光學(xué)和電學(xué)實驗相關(guān)理論和儀器掌握還需加強，尤其是與分光計、光柵、移測顯微鏡等相關(guān)的實驗.熱學(xué)的知識體系最為薄弱，在后續(xù)教學(xué)中我們加強了基本理論、實驗原理和操作過程的講授。

2 探究式教學(xué)貫穿課堂

探究式教學(xué)過程可概括為圍繞問題展開探究、取得事實依據(jù)、解釋問題、對比評價、表達交流[12]。通過肖像式結(jié)構(gòu)原則的課前預(yù)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)基本了解了每個實驗項目，并提出需解決的問題.知識儲備調(diào)研后有針對性的進行教學(xué)設(shè)計，查缺補漏，盡力做到有的放矢，將學(xué)生課前的知識體系有效遷移至探究式教學(xué)過程中，起到承上啟下的作用.首先教師整理學(xué)生提出的所有問題，進行歸納總結(jié)，根據(jù)學(xué)生掌握情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容，圍繞問題展開，深度理解實驗原理，并以學(xué)生為主體，開展課堂討論和交流，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性(圖3).探究式教學(xué)過程結(jié)束后，通過課后反思啟示，強調(diào)遷移反饋的及時性，過早則增加記憶負擔(dān)，過晚則無指導(dǎo)作用[13].學(xué)生可以小組為單位，通過討論和查閱資料等多種形式完成.

圖3 探究式教學(xué)課堂設(shè)計示例

探究式教學(xué)本身具有啟發(fā)性和引導(dǎo)性，在前期肖像式結(jié)構(gòu)原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)用在大學(xué)物理實驗課程具有良好效果，對學(xué)生的遷移學(xué)習(xí)有極大的影響，同時學(xué)習(xí)態(tài)度也由“被動”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃印保瑢W(xué)生帶著問題更大限度的參與到課堂中，在實驗過程中主動思考，分析并最終解決問題.

3 反饋與強化

3.1 課后啟迪創(chuàng)新

基于遷移理論的肖像式結(jié)構(gòu)原則混合探究式教學(xué)模式，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力為最終目標.結(jié)構(gòu)主義理論的反饋強化原則強調(diào)，沒有反饋就沒有教學(xué).除了課后的反思啟示，還鼓勵學(xué)生通過獨立選題、設(shè)計思路、分析探索，創(chuàng)造新的研究成果，鍛煉科研實踐能力，將課堂知識能夠充分的反饋和強化，通過知識應(yīng)用實現(xiàn)遷移的意義，這一模式下學(xué)生取得了較多的創(chuàng)新成果(表1).

表1 部分優(yōu)秀獲獎作品

3.2 教學(xué)效果調(diào)研分析

為了了解這一教學(xué)模式與教學(xué)效果之間的相關(guān)性，本文再次進行了問卷調(diào)研，問卷內(nèi)容分為學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果調(diào)查兩大類，包括興趣度、科研實踐意愿、選取提高性和綜合性實驗項目的期待度，實驗內(nèi)容了解度、實驗結(jié)果的理想程度等共16個問題.共收取有效問卷331份，問卷結(jié)果和數(shù)據(jù)采用Excel進行整理和錄入，通過SPSS軟件進行“降維-因子”分析問卷的合理性，將選擇“很感興趣”或“總是”的賦值5分，“有一定興趣”或“多數(shù)是”賦值3分，“不太感興趣”或“很少可以”賦值1分，并剔除全賦值相同(如全部為“很感興趣”)的問卷，分析得到調(diào)研結(jié)果(軟件給出的結(jié)果至小數(shù)點后三位).

表2 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣反應(yīng)調(diào)研因子歸屬關(guān)系

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各設(shè)置問卷變量標準差均在0.950～1.500之間，說明問卷變量都具有參考價值，可以很好的反映教學(xué)模式與教學(xué)效果之間的相關(guān)性.經(jīng)巴特利特球形檢驗表明，顯著性概率為0.000，P小于0.050，相關(guān)矩陣不是一個單位矩陣，可以進行因子分析，KMO(取樣適切性量數(shù))值為0.874，大于0.600以上，意味著很適合進行因子分析.采用主成分分析法，通過矩陣旋轉(zhuǎn)簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡潔的反映了所有調(diào)研因子之間的歸屬關(guān)系.由表2可知，歸納為“興趣度”(變量1-4)、“教學(xué)過程”(變量5-10)、“教學(xué)結(jié)果”(變量11-13)、“遷移結(jié)果”(變量14-16).此外，通過總方差解釋，4個因子共解釋了原始變量之總變量的59.054%.整體而言，該因子分析效果較好，具有良好的代表意義.

根據(jù)SPSS探索出的4個維度，進行問卷分析，結(jié)果見表3.學(xué)生在興趣度維度表現(xiàn)優(yōu)秀的比例最高，達42.2%，良好達42%，總比為84.2%.課前調(diào)研結(jié)果顯示，對物理學(xué)科“非常感興趣”的占23.7%，“有一定興趣”的占45.2%，總比為68.9%，對物理實驗“非常感興趣”的占24.3%，“有一定興趣”占46.9%，總比為71.2%.有進行實驗拓展和提升意愿的占71.5%.分析比較課前課后兩次調(diào)研結(jié)果，說明這一教學(xué)模式有效調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.結(jié)合探究式的教學(xué)過程維度總體表現(xiàn)良好，總比達95.7%.教學(xué)結(jié)果維度總體表現(xiàn)良好，總比達92.7%，從知識體系遷移效果維度來看，優(yōu)秀比例為44.2%，良好為46.1%，說明學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中完成了知識體系的完善和有效遷移，經(jīng)過考核對比，優(yōu)秀及良好比率高達95.7%(見表4).可見，基于遷移理論的肖像式結(jié)構(gòu)原則、混合探究式教學(xué)模式在我校大學(xué)物理實驗課程中的實施獲得良好效果.

表3 實施混合式教學(xué)模式教學(xué)效果調(diào)研結(jié)果

表4 混合式教學(xué)方法考核結(jié)果對比

4 結(jié)束語

基于遷移理念改進的大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)模式，融入了肖像式結(jié)構(gòu)原則指導(dǎo)的課前預(yù)習(xí)和探究式教學(xué)過程.通過實踐，該教學(xué)模式完善了知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，提高了教與學(xué)的針對性，彌補了示例教學(xué)過于固化的被動式學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變了學(xué)生對實驗課程的態(tài)度認知，變被動接受為主動求知，使學(xué)生的實驗過程從機械性的簡單重復(fù)走向深度理解，提高了教學(xué)效率，使學(xué)生在知識遷移的過程中不僅完善了知識體系，也提高了學(xué)習(xí)能力，增強了學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力.