物理實驗類通識課程教學模式的探索與實踐——以“探究物理現象”為例

師玉榮，馬 君

(中國海洋大學 物理與光電工程學院，山東 青島 266100)

在中國海洋大學“通識為體，專業為用”的教學理念指引下，基于大學物理演示實驗面向全校文理學生開設“探究物理現象”通識課程. 該課程2008年開設，最初課程名稱為“文科物理演示實驗”和“理科物理演示實驗”，文理分開，后改為偏重文科的“趣味物理演示實驗”，現在是文理兼容的“探究物理現象”，課程名稱的改變體現了教學設計理念的不斷革新，從講授為主到引導探究，再到引導學生主動探究，強調學生動手實踐. 該課程被評為中國海洋大學“2015年通識教育核心課程”，該課程32學時，1.5學分，每學年開設1～3個班，每班限選30人.

通識教育強調學習途徑[1]，大學不像基礎教育對教科書內容的學習，而是注重訓練學生的思維. 基于對通識教育理念的思考，“探究物理現象”課程的教學設計不但注重通過物理演示實驗使學生獲得物理知識，更注重學生獲得物理知識的途徑和思維能力的培養. 課堂形式為：約30名學生分成5個組，每個小組的5～6名組員圍坐1張方桌，5個方桌圍著教師、演示桌和白板，分組學習的過程采用小組討論、協作實驗的方式. 選課的學生文理均有，物理基礎參差不齊，課程內容設計應該寬口徑、文理通融. 每個小組成員文理學生兼有，這樣小組學習活動中文理思維可以很好地互補. 經過多年的教學實踐和不斷探索，該課程逐步形成了強調探究過程和動手能力的“4F引導探究”和“項目任務驅動”的教學設計，實踐中2種教學過程相互滲透、相互加強，取得了很好的教學效果.

1 實踐教學的條件保障及教學內容的設計

課程教學內容和教學方式的安排充分考慮到不同教學內容的特點和物理演示實驗室的條件. 演示實驗的特點是現象明顯、操作簡單，與大學物理授課內容緊密相關，缺點是每個實驗只有1套儀器(物理演示實驗室有120多套演示實驗儀器). 為了創造學生可以自學、自主實驗的平臺，一方面實驗室購置了大量的實驗器材，例如磁鐵、導線、電機、鐵架臺、電烙鐵、熱熔膠等，讓每位學生都能參與實驗；另一方面培訓學生充分利用智能手機和電腦開展實驗[2-3]，例如Phyphox軟件，可以充分利用手機的各種傳感器進行磁場強度、頻譜、加速度等的測量，也可以提供特定頻率的聲音，FFT Spectrum Analyzer等手機軟件為開展實驗提供了有力的幫助；手機的拍攝功能和電腦Tracker等軟件可以處理運動物體的運動軌跡、速度和加速度等.

4F引導探究和項目任務驅動的教學過程都屬于建構主義學派的方法，建構主義學習理論的實質是真實的情境中學生在教師的幫助下自主探索并和其他學生進行廣泛交流，通過解決問題來建構知識體系[4]. 自主建構學習的時間不能太短，不完成1個主題則不能達到教學效果，為此該課程教學安排應充分考慮教學內容的特點. 例如質點力學，從錐體上滾、逆風行舟、各種球的碰撞到轉動圓盤上質點的運動，儀器結構簡單，實驗操作簡便，實驗現象明顯，這部分內容學生比較熟悉，生活中體驗也多. 所以這部分的內容以4F引導探究方式為主，引導學生結合生活體驗提出探究問題. 而電學、磁學、波動光學等教學內容，學生日常生活的體驗不多，而且實驗現象比較細微，實驗室可以提供實驗材料，因此課堂主要采用項目任務驅動方式，學生分組實驗，在實驗過程中體驗學習物理知識的樂趣.

2 4F引導策略用于探究式學習的教學設計

4F引導法是多層次的提問引導策略，該策略包括：Fact(事實)，Feel(感受)，Find(發現)，Future(應用). 將該策略融入到教學設計中，可以循序漸進地引導學生觀察、感受、詮釋和應用，該策略協助教師引導學生連接經驗，融入課堂討論，激發學習動力[5]. 選修探究物理現象課程的學生大多是低年級的學生，激烈的高考使學生普遍缺乏提出問題的能力，而4F策略可以很好地引導學生層層深入地提出探究問題，自主學習.

結合物理演示實驗教學的特點和多年物理演示實驗探究式教學的經驗，下面以最速降線實驗為例，詳細介紹4F引導策略引導學生探究學習的步驟. 4F引導策略的教學設計過程及教學目標如表1所示.

表1 4F引導策略的教學設計過程及示例

由上面的例子可以看出：4F引導策略能夠引導學生的思維經歷聚合→發散→聚合→發散的過程，該過程一方面能保持學生的注意力，另一方面能引導學生層層深入發掘問題，使討論不偏離主題，能夠引導學生更有效地討論. 特別重要的是由于問題的層層深入，而且有發散有聚斂，所以小組自主討論學習過程中，理科生因物理理論基礎好可以很好地帶領小組尋找問題的答案，文科生因發散性思維更突出可以發現更多的問題，文理思維互相補充、互相碰撞，使學生可以更有效地進行自主探究式學習.

第1周主要對學生進行培訓，教學過程中教師主要做必要的引導、提示，知識是學生自己討論出來的，自己建構的. 實踐表明：小組學習采用4F引導策略，能夠讓學生更有效地進行自主探究式學習.

3 項目任務驅動學生主動學習，培養創新實踐能力

在中學階段學生學習物理做了大量的習題，但是接觸物理實驗的時間非常有限，所以學習的物理知識很難與生活體驗和實際應用聯系起來. 進行課程設計時特別強調學生動手實驗，讓學生敢動手、會動手，同時在體驗中學習物理知識.

項目教學法是在教師的指導下，學生以小組團隊的形式相對獨立地處理項目，通過團隊協作選題和計劃提出項目構思，然后進行實施、改進、完成項目和展示項目等多個過程，并最終解決實際問題. Stoller認為項目教學是完全基于成員合作的小組活動，以公開演示或表演的形式展示成果，在此過程中，學生能夠掌握所需的知識和技能[6]. 學生在完成項目的過程中動手能力和團隊協作能力得到提高，組員可以發揮各自的優勢，通過獨立解決問題的方式能夠提高學生的創新意識和創新能力[7].

動手實驗的項目任務分2種：小組小項目任務和小組大項目任務，小組小項目任務實施流程如圖1所示.

圖1 小組小項目任務驅動的教學設計流程

以磁學為例：小項目任務有4個題目，分組實驗的環節不同，小組負責的題目不同，展示環節中大家能夠相互交流、相互學習.

實驗1：利用自制的扭秤裝置演示鋁(鋁箔球)是順磁質，銅(銅球)和水果(蘋果)是抗磁質.

實驗2：自制2個50匝線圈，利用直流電源及2個線圈通反向電流相互排斥演示電流和電流之間的磁相互作用.

實驗3：自制小孔成像實驗裝置，利用其在光屏上顯示磁鐵對通有交流電的白熾燈燈絲的庫侖力作用.

實驗4：自制居里擺，把小鐵釘做成單擺，用酒精燈加熱小鐵釘使其變為順磁質，磁鐵對小鐵釘作用的變化使其形成擺動.

這些小項目任務利用簡單的實驗材料就顯示出令人驚奇的現象，不管是理科生還是文科生都對動手實驗興趣盎然. 實驗過程給學生留下深刻的印象，更重要的是鍛煉了學生的動手能力.

大項目任務是課程大作業，主要利用課外時間進行，小組協作自主選題，準備實驗材料，完成項目制作和項目任務匯報展示. 教師是協助者，在每個環節只起到引導作用，學生是任務的主體. 該課程的大項目任務安排為：第1周介紹往屆學生的大項目任務作品及新增加的可選項目，第2～6周通過每次課的小項目任務培訓學生的動手實踐能力，并引導學生進行小組大項目任務的選題，第7周小組決策選題，第8～15周自行安排完成項目任務，最后1周展示匯報成果.

大項目任務應該具有可執行性、綜合性、層次性，適合不同層次、不同特點的學生共同完成，每個學生可以發揮各自的優勢. 在完成項目任務的過程中，雖然小組有分工，但他們可以把任務拆分開，例如有人負責做實驗，有人負責查文獻，有人負責寫課程論文，有人制作PPT，但是完成任務的過程需要組員協作，才能最終完成項目，并把項目展示出來，此過程培養了學生的團隊協作能力.

大項目任務的來源：可以是學生自選題目，也可以是往年學生做過的項目，或是近幾年的大學生CUPT題目，例如有的學生喜歡做輝光球實驗裝置的核心部分特斯拉線圈，有的學生做過滴水起電機，有的學生選擇當年的CUPT題目，例如裝滿瓶子、循環擺、颶風球等.

大項目任務成果包括：論文形式的探究報告和項目成果展示. 最后1次課進行項目成果的展示：每組總用時20 min，其中展示12 min，評委(教師與學生)對展示內容的提問、與展示方的討論和評價共8 min. 大項目任務的成績包含3部分：探究報告50分，成果展示的PPT制作和講述30分，成果展示的討論提問環節的表現20分.

為了完成項目，小組成員既要分工又要合作，理科生主要承擔理論和實驗設計的任務，文科生主要承擔實施實驗任務，提出改進意見，制作PPT等，合作過程能夠使文科生和理科生相互學習，共同提高.

該教學法提高了學生的學習參與度. 為了更好地完成項目，學生必須在課下查閱文獻，自主學習所需的知識；為了完成項目，小組必須設計實驗方案并反復實驗. 學生深刻體會到：“項目任務使我真正明白了書本上所學的知識是非常理想的情況，而真實情況下看起來非常簡單的過程解釋起來非常麻煩.” 實踐表明項目任務驅動式教學方式培養了學生的創新實踐意識和能力，有學生在總結中提到：“我們既要紙上談兵又要實踐檢驗，在進行數據處理時，用到的Fortran和Matlab，也是我第1次用學到知識解決實際問題而非單純做題.” 正如有學生在總結中寫到：“項目任務完成的過程非常曲折，選題過程、實驗方案不斷嘗試和修改過程、數據分析過程、撰寫學術報告論文、展示過程，每個過程都步履艱難.” 當然有的小組項目沒有成功，例如有小組做滴水起電機，實驗總是不能出現預想的結果，該小組學生不斷改進實驗裝置，仍然沒有達到最終目標，不過這個小組最后的報告很精彩，失敗原因分析得非常透徹. 因此，無論成功與失敗，小組完成大項目任務的過程都是非常有效的學習過程.

項目任務驅動的成果很多被用作教學的演示儀器，例如學生自制的特斯拉線圈被用作實驗室的展示作品，獵人打猴實驗裝置、轉動圓盤上質點的運動軌跡等也被用作了實驗室的實驗項目.

4 成績評定

探究物理現象課程的成績評定不僅注重過程參與，也充分考慮了文科生和理科生的差異. 綜合成績包含3部分：課堂出勤及參與課堂任務情況占30%，作業(實驗反思)占30%，測試成績占20%，最后的小組大項目任務占20%.

1)課堂出勤與課堂任務情況的成績主要參照課堂記錄(是否缺勤，小組任務參與度)以及小組長的總結和評分，這部分成績文科生和理科生差異較小.

2)學生在BB網絡教學平臺提交作業(實驗反思)，10次作業的批閱成績，提出有創新性觀點的問題并對問題進行深入分析的學生能夠得到較高的分數，作業質量理科生占優勢，所以成績評定時通過側重文科生提出的問題而非對問題的深入分析來平衡.

3)課程測試安排在學期的2/3時間節點，測試題目包含3個課堂演示實驗及其原理分析，3個開放性的題目測試學生設計實驗的能力和通過實驗提出探究問題的能力，這部分成績文理學生差異較小.

4)小組分工合作完成大項目任務，主要利用學期后1/3的時間進行，小組成員都能夠發揮自己的優勢，因此文科生和理科生的成績差異不大.

實踐表明，除了前10%沒有文科生，剩下的文科生和理科生成績差異較小.

5 實踐成效及總結展望

學生的課程反思報告和基于學校課程教學質量管理平臺的學習體驗調查問卷表明：學生普遍認為該課程的教學模式提高了學生的自主發展、合作參與、創新實踐能力和學習參與度.

該課程激發了學生的學習興趣，選修過該課程的很多學生參加了中國海洋大學大學生物理學術競賽校內選拔賽并獲得了很好的成績，例如2018級周虹利同學參加中國海洋大學第4屆大學生物理學術競賽校內選拔賽表現突出，獲校賽一等獎(第一名)；也有整個小組相約參加大學生物理實驗競賽. 該課程的大項目任務驅動的經驗也被本校其他課程借鑒，例如中國海洋大學行遠書院的通識課“日常物理”的課程論文環節，很多論文課題借鑒了本課程的項目題目，提高了教學效果. 該課程的教學模式也得到了國際同行的認可，2017年秋季學期，牛小宇同學所在小組的項目任務是關于韋氏靜電感應起電機的研究工作，他們將作業整理成會議報告投到了美國物理教師年會，收到了會議主辦方的邀請，參加會議并做報告，報告題目是Electrified efficiency analysis of Wimshurst machine(韋氏靜電感應起電機高效性分析)，該學生在會議期間交流了本課程的開展思路及運作方式，參會代表對于該課程創新實踐教育的工作成果給予肯定和贊揚.

教學相長，4F引導探究和項目任務驅動教學模式使得課堂中師生互動和生生互動非常充分，比傳統的教師主講的教學方式更能激發出學生對創新性問題的思考，Matlab編程研究的最速降線[8]和錐體上滾的動力學分析[9]就是為解決學生提出的問題所做的工作，強調探究和實踐的教學方式也提高了教師的教學水平.

教學實踐中也發現了一些問題需要解決，例如學生的項目任務作品受實驗材料的限制，不夠精致，需要實驗室提供更好的實驗條件；小組項目任務，存在部分組員貢獻少的現象，也存在小組項目任務各個組員成績評定難以絕對公平. 在以后的教學實踐中，教師還需不斷加以完善.