用交互式教学改善工科大学物理实验教学效果的尝试.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:辽宁省教育厅省级一流本科课程项目()辽宁工业大学教学改革项目()通讯联系人文章编号:()用交互式教学改善工科大学物理实验教学效果的尝试郑 冕李久会王文新符 伟(辽宁工业大学 理学院辽宁 锦州)摘要:大学物理实验是工科物理教学两个主线之一它与大学物理相辅相成共同完成对本科生物理思想和物理方法的传授 从论证大学物理实验的重要性入手分析了该课程当前的状态论证了引入交互式教学模式的必要性和可行性 结合线上教学时进行交互性教学的经验介绍了在大学物理实验课程中初步引入交互式教学的一套方案 初步尝试的结果显示:如果授课时长和网络平台允许在大学物理实验教学中引入交互模式以讨论互动的形式进行实验教学可以有效地激发学生的学习热情提升学生的学习参与度改善教学效果 同时在实验室线下教学时可以通过延长教学时长和配备对应的网络实验项目的方法有限地引入交互式教学关键词:大学物理实验交互式教学凯特摆谐振子中图分类号:文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.科技是第一生产力是社会发展与人类进步的基本推动力 物理学作为自然科学的基础和科技的基石它不仅仅是一个国家科技发展水平的标志更是制约一个国家科技能够发展到何种水平的先决条件 所以在各专业本科教学中物理学教学都是其中必不可少的重要环节 工科教育旨在培养工程技术人才物理在一众工科基础课程中占据及其重要的地位是众多基础课程的基础 工科院校中对本科生的物理教学包括大学物理和大学物理实验两部分二者相辅相成形成一个相互关联、相互渗透的有机整体对培养学生严谨高效的思考能力和辨析能力起到至关重要的作用但实际上在工科课程设置中物理学在众多的工科课程合围之势下一直处于相对弱势易于被忽略、淡化 与大学物理 这样的理论课相比大学物理实验被淡化的趋势更甚 这不仅不利于物理学教学也势必对工科教育的整体教学效果产生不利影响 所以如何唤起学生对大学物理实验的关注和兴趣提升学生学习物理学的热情改善学生学习大学物理实验的整体效果这对大学物理实验教学来说是一个值得长期思考和探索的问题交互式教学是在宏观教学情景下将教师与学生同时置于一个可以实现多点自由切入的平台上以讨论和交流的方式实现教学的一种模式 这种教学模式有意地模糊“教”与“学”之间的壁垒负责“教”的教师和前来“学”的学生可以全程围绕某一主题或中心进行平等交流和自主互动 这对唤起学生的学习兴趣提高学生学习的积极性和主动性改善整体教学效果意义非凡 所以引入交互式教学模式是改变当前大学物理实验教学窘境的一种可期尝试笔者多年从事工科院校本科生大学物理实验教学利用近两年线上实验教学的契机初步尝试将交互式教学模式引入大学物理实验教学中来借以改善大学物理实验的教学效果 工科院校大学物理实验的地位和教学现状 作为自然科学的基础物理学与其他自然科学的相互促进和作用造就了今天的科技进步和人类文明也势必对未来科技的发展和相关产业的建立提供不可或缺的原动力 但物理学不是纯粹的数学方法和技巧它是在精确实验观测的基础上探究自然法则的一门科学 在探索自然法则的过程中物理学逐渐形成了一整套科学的方法论它不仅成就了物理学自身的长足进步也对其他自然科学影响至深 这一方法论被伽利略所完善也被称为伽利略方法通常表述为以下三个步骤:直观解析、数学论证和实验验证 伽利略之后的物理学正是遵循着这一方法论走向了一个又一个巅峰并促进整个自然科学的进步物理学教学的内容除了物理理论及其应用还包括物理方法和物理思想对自然科学其他分支产生直接促进作用的也是物理方法和物理思想所以在工科教学中要重点培养学生对物理思想和物理方法的感知能力和运用能力 要实现这一目的单凭理论教学是不够的必须要有物理实验的锻炼单凭简单机械地复制实验同样是不行的还必须在实验中深切地体味其中的用意、方法和思想 只有这样才能在单调、枯燥的操作中发现精彩之处进而获得珍贵的经验和技巧 但目前大学物理实验课程由于时间和空间的限制大都采用“老师简明介绍要点、难点之后学生机械完成相应操作”的模式老师没有余地“抛砖引玉”学生也无余兴深入思考 长期下来教者因循习惯不再做引导学生深入思考的努力学者以为本来如此对实验简单复制之后便抛诸脑后如此大学物理实验不仅没有发挥出应有的作用反而成为可有可无的存在教者乏于热情学者兴趣缺失 这一情况由来已久只是以前获取知识的渠道过于单一 只有课堂和实验室在这种情况下学生对课堂教学和实验室教学积极主动、充满热情很大程度上掩盖了传统教学中的这一不足 而现阶段人们获取知识的渠道多种多样学生自然缺少以前那种对课堂教学的珍视于是传统教学模式的弊病便逐渐凸显出来而物理思想和物理方法的传授需要在实验室中进行系统、全面的学习和训练这是其他学习渠道无法完全胜任的 所以如何改善实验教学效果将学生的学习热情聚拢回实验室这一问题迫在眉睫 交互式教学模式的优势及其内涵交互从传播学的角度来看是指信息的“传者”与“受者”的交流而教学过程即是“知识”这一特殊信息在“教者”老师与“学者”学生之间的交流 从这一角度来看交互是教学过程得以形成的前提也是教学的固有形式 但在传统的教学模式中交互是近乎单向的即教者教学者学 这样的交互是不对等的教者与学者之间存在距离感甚至隔阂造成:“教”是灌输式的教“学”是被动式的学教者不能了解学者疑惑之处学者也不能领会教者所传的精要所在使得教学效果因此大打折扣 而交互式教学要求将教者和学者同时置于一个可以实现多点自由切入的交流平台上教者与学者可以围绕着一个中心或主题进行自由平等的交流和互动他们以等同的身份面对同样的信息进行充分的讨论、分析和交流 这样不但可以增强学生学习的自信还能激起他们对学习的热情和对未知的渴望令他们从消极变为积极从被动变为主动 只要条件允许这一模式无疑是改善大学物理实验教学现状的一种行之有效的方法交互式教学的具体实施包括以下步骤:首先要完成教学内容的交互 教学内容包括但不仅限于教材所限定的内容和方法还包括与其相关的文献资料中的内容和方案 这一部分的交互是教师和学生各自搜集整理独立完成 但这一过程中教师作为教学活动的实际组织者要承担起预设主要议题并备齐主体资料的责任同时还要为学生提供有效的备课经验和建议其次要完成教学过程中的交互 这一过程是对信息的交流和讨论在交流和讨论中完成对知识的了解、认识和掌握 教师作为平等讨论的参与者不能过多地给出评判性的论断和灌输但作为教学活动的组织者和实施者又不可置身事外需要时刻把握讨论议题的走向和节奏密切关注学生的学习进程并适当地给予建议和反馈 学生作为平等交流的参与者应该主动地与教师及其他同学进行交流和反馈最后要完成交互教学的教学评价 这一评价既包括对学习成果的评价又包括对学习过程的评价是对从信息搜集、分析到讨论、总结这一整个过程的全方位的评定其中最大的困难在于无法预期的学生参与度 而参与度又取决于以下三个要素:参与意愿、第 期郑 冕等:用交互式教学改善工科大学物理实验教学效果的尝试参与热情和参与能力 这其实是三而一一而三的问题参与意愿强烈参与热情自然高涨如此参与能力也将被最大程度地激发出来反之亦然参与能力不足参与热情自然随之冷却兴趣索然之下便不想参与 所以交互式教学最为重要课前准备就是“备学生”只有这样才能提高学生的参与度 利用虚拟实验进行交互式教学的初步尝试 线上实验课程可以借助于网络平台上的虚拟实验进行完成 实验前利用 或钉钉等软件将听课学生分组建群这些群即可充当自由交流互动的平台老师和学生都可以在这一平台上发布与该实验相关的信息发表对相关问题的看法和观点这样的交流过程不受时间和空间的限制实验操作部分学生可以在详细了解了实验相关信息之后在网络实验平台上自行完成这样的操作也不受时间的限制所以学生有充分的时间和精力对相关实验内容进行深入的研究和思考进而在交流平台上进行有效、有益地讨论加深对实验中的物理思想和物理方法的理解和体会 下面以虚拟实验“凯特摆”为例介绍在大学物理实验上初步尝试交互式教学的过程和体会“凯特摆”是普通物理实验中一种常用的物理摆 学生通过中学、大学物理课的学习对测量重力加速度的方法已经十分熟悉 这为交互式讨论提供了可能 学生对凯特摆的设计初衷并不十分了解同时对利用谐振子周期间接测量重力加速度的原理也未必做过深入研究 这为交互式讨论提供了可发挥的空间 有了这样的可能性和空间交互式课程便可以初步尝试下面即是具体的备课内容和教学过程.预设主题和预备资料备课时老师可以预先设定需要学生体会的物理方法和物理思想这些即是交互的主题和中心 这样的主题有时和实验目的是统一的二者互为表里实验目的就是交互主题的表观表述而交互主题则是实验目的的内在主旨 这些主题不宜过多过多不仅老师难以控制互动议题的走向学生也无法抓住重点 鉴于此凯特摆实验交互主题为:()伽利略物理方法论 主观分析和实验()有针对性地改进方案提高实验精度围绕这一主题教师需要以 形式备好授课资料包括:谐振子模型保守复摆模型非保守复摆模型小角度复摆原理大角度复摆原理凯特摆原理以及与这些模型原理相对应的数学方程和解 同时课前向学生下发预习要求:()做好振动理论的预习包括但不限于:保守振子、阻尼振子()做好凯特摆实验预习包括但不限于原理和操作要点.课堂进程路线规划交互性课堂要求交互是自由的但对于初步尝试的课堂学生的参与意愿、参与热情和参与能力无法预期所以应该对课堂进程的路线以思考题的形式作出规划 这相当于两手准备如果学生的参与度足够这些问题可以作为供学生讨论的后补问题如果学生的参与度不高这些问题则可连缀成推进课堂进程的主线问题 测量重力加速度的可行方案有哪些?问题 利用谐振动测量重力加速度的原理是什么优点是什么?重力加速度在高中物理实验课上可以利用自由落体运动实现测量这种测量方法属于利用加速度定义进行测量 相对于“定义法”谐振子法属于间接测量这一测量成立的前提是谐振子动力学理论的成立即伽利略方法前两步“主观解析”和“数学论证”的成立 而“主观”和“论证”是否成立从数学和逻辑上无法给出答案这一答案只能由实验 伽利略方法的第三步给出 而一旦答案是肯定的不仅谐振子动力学理论得到确证同时也获得了一种全新的测量重力加速度的方案 借助这两个问题可以实现以下两个目的:()引导学生体会“直观解析”到“数学论证”再到“实验验证”这一方法论()使学生看到实验方案对精度的限制显然对谐振子周期的测量要比打点计时器对时间的测量更易于提高精度问题 保守复摆的动力学方程大 学 物 理 实 验 年问题 从动力学方程看将保守复摆看作谐振子的条件问题 阻尼摆的动力学方程的解在以往的物理常识中学生已经了解:小摆角条件和微阻尼条件是该实验成功的必要条件但对这种必要性的认知是不明缘由的、模糊的 通过上述三个问题学生能更清晰地看到谐振子周期和重力加速度关系式成立的条件能更深入地体会物理方法的严谨性问题 大角度保守摆的动力学方程有无解析解是不是周期摆这一问题理论性较强学生很难作答老师可以作为新知识适当讲解 如果通过前面的交互讨论学生的求知欲已被激起那么这一讲解过程也是一种交互讨论 通过讲解让学生理解大角度摆的周期公式通过和线性保守摆周期的对比可以更清晰地感知对摆幅限制的必要问题 无阻尼保守复摆重心如何定位?问题 凯特摆如何解决复摆重心定位的问题从减小摆角、减小阻尼、多周期测量时间到凯特摆方案的提出这一系列改进的目的都是提高测量的精度而每一步改进都是严格遵循伽利略方法 主观解析数学论证到实验验证 这种方法正是保证物理学严谨性和科学性的前提问题 用哪种数据处理方法求重力加速度数据处理可以用图线法和公式计算法也可以用计算软件对数据进行分析拟合 让学生结合自己的实际情况选择合适的方法.综合评定最终成绩的评定包括实验报告上对实验的整体呈现数据处理的科学性和合理性对实验的思考此外还包括交互讨论中的表现 对交互表现计入最终成绩要事先和学生做好沟通应该从参与度和参与质量两个方面进行评价参与度可以量化为学生参与次数参与质量可以由老师评判这种评价应该表现为鼓励性的评价 初步尝试后的总结和思考尝试交互模式进行的凯特摆实验共完成了 次其中基本以交互式完成实验授课的共计 次最后转以传统模式授课的 次 在基本以交互模式完成的 次实验课上每次有十几人参与讨论占单次上课人数的 左右 从上课氛围来说交互式授课课堂氛围活跃学生思考积极对新问题、新知识兴趣较高从课后反馈来看相关讨论在课后仍有进行课后答疑仍在继续部分学生自发地开始自主学习新知识从实验报告上看交流互动较为热烈的小组报告质量较高同时也应看到学生初次接触这种以交互式讨论为主的课堂往往会有一个从茫然到踊跃的适应过程不同的小组的适应时间差别较大 有的小组学生很快就能进入状态有的较慢有的最终也无法进入交流讨论状态 所以对于大学物理实验这样的单次性的课程备课时做两手准备是必要的对于一直无法进入交互状态的小组适时地调整授课模式是必须的 但作为老师要对课上的学生抱有最大的耐心这一点是至关重要的有时这一点直接决定交互性教学能否成功因为在给某些小组授课时发现就在即将从交互式教学转换为传统模式时第一批参与者出现了随后的交互讨论虽然不算热烈但也得以顺利进行 如果当时的耐心再少一点那么第一批参与者可能就退缩不前另外交互式教学对时间和平台的要求很高讨论需要时间在有时间限制的实验室授课中这种模式难以全面推行同时交流需要平台完全局限在实验室内这样的交流就会因为难以实现而最终被舍弃 而线上实验不过是特殊时期的权宜之计它终究无法替代实验室操作所以要想在实验室授课时引入交互模式必须先解决两个问题:一是延长单次实验课时长二是在网络平台上为每个实验配备相应的虚拟项目 前者是交互讨论得以实现的时间保证后者是实验室操作无法按时完成时的有效补救参考文献:徐铭泽张挺耸.新工科背景及交叉学科人才培养模式下的大学物理学教学改革探析.大学():.眭晓红靳晶晶许丽萍.新工科背景下物理学思想和方法在大学物理教学中重要性的研究.教育现代化():.第 期郑 冕等:用交互式教学改善工科大学物理实验教学效果的尝试 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