随机进入教学在设计性物理实验教学中的应用

刘 英,黄建军,封 玲 ,赵改清

(深圳大学,广东 深圳 518060)

随机进入教学在设计性物理实验教学中的应用

刘 英,黄建军,封 玲 ,赵改清

(深圳大学,广东 深圳 518060)

以“温度传感器特性研究”为教学案例,运用建构主义中的随机进人教学法优化设计性物理实验教学。实践表明,随机进入教学法的引入可以有效提高学生的独立学习能力、创新能力和实践能力。

随机进入教学;建构主义;设计性物理实验;实验教学

目前大学物理实验教学课程体系和教学模式,课程内容设置上过于强调物理知识的系统性,忽视了学校学习与现实生活之间巨大的差距;教学模式上是教师先讲课,然后再安排学生实验。实验前,实验仪器由教师预先准备好,学生通过预习大致了解实验的基本过程;实验时,教师还要详细讲解实验目的、实验步骤、注意事项等,学生严格遵照实验指导书进行实验。实验结束后,教师再提出一些实验原理类的问题让学生思考,学生得到了预期的实验结果,验证、理解了有关的理论知识,实验就算成功了,这样的实验教学模式几乎是固定的。学生在学习中只是被动地接受现成的结论,而缺乏对问题的分析,缺乏自己的见解,在这种教学中,学习者的思维能力得不到很好的发展。

如何发挥学生在教学中的积极性、自主性和创造性,这是目前教学改革所面临的普遍问题,而建构主义、人本主义的发展正是对这一问题所做的回应。

1 建构主义教学观

建构主义认为,学习是获取知识的过程,知识不是通过教师传授得到,而是学习者在一定的情境即社会文化背景下,借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构的方式而获得。建构主义学习理论提倡的学习方法是教师指导下的、以学生为中心的学习;建构主义学习环境包含情境、协作、会话和意义建构四大要素。在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用,利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神,最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。建构主义教学过程虽然也包含教师、学生、教材及媒体等要素,但是已经与传统意义上的四大要素有着本质的不同,学生是知识意义的主动建构者;教师是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者;教材所提供的知识不再是教师传授的内容,而是学生主动建构意义的对象;媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法,而是用来创设情境、进行协作学习和会话交流,即作为学生主动学习、协作式探索的认知工具。教学过程充分满足学生“自我实现”这个最高的需要,依据学生“自我实现”这一最大内在驱动力,发展学生的个性,充分调动学生学习的积极性、主动性,是一个使学生整体投入其中并产生全面变化的活动[1]。

在建构主义的教学模式下,目前比较成熟的教学方法主要有以下几种:

(1)支架式教学

以维果斯基的“最邻近发展区”理论为基础,事先把复杂的学习任务分解,并建立一套恰当的概念框架。借以不断地把学习者的智力从一个水平提升到另一个新的更高水平,帮助学习者理解知识并建构知识,真正做到使教学走到发展的前面。

(2)抛锚式教学

建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上,使学生在一个完整、真实的问题背景中,产生学习的需要。让学生在现实世界的真实环境中去感受和体验该知识所反映事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间联系,通过学生的自主学习和协助学习,来完成对所学知识的意义建构。

(3)随机进入教学

根据“弹性认知”理论提出。学习者可以随意通过不同途径、不同的方式进入同样教学内容的学习,从而获得对同一事物或同一问题的多方面的认识与理解,每次进入都有不同的学习目的和问题的侧重点,因此多次进入的结果,绝不仅仅是对同一知识内容的简单重复和巩固,而是使学习者获得对事物全貌的理解与认识上的飞跃。

在教学实际中,应根据课程内容和学生特点,选择适当的教学方法。不一定采用某种单一的方法,可以将两种以上的方法结合在一起,以某种方法为主,其它方法为辅,灵活加以运用。

2 设计性物理实验的内涵

设计性物理实验是在教学改革中推出的一种新的实验教学模式,它完全有别于传统物理实验教学,学生不再按照教材上的实验步骤机械地完成实验,而是让学生应用物理知识和实验技能,根据实验的教学要求和实验室能提供的仪器设备,自己设计实验方案、选择仪器设备、确定实验条件、独立完成实验测量,或研究实验过程中的物理现象和问题,并对实验结果进行分析和处理。它是介于教学实验和科学研究之间的教学实验。可以最大限度地调动学生的主观能动性和积极性。使学生的创新才智和独特个性都得到了充分展现,真正体现了以人为本的教育思想[2-3]。

与传统物理实验相比,设计性物理实验有如下几个主要特点:

(1)学生学习的主动性

设计性实验在给定实验目的和实验条件的前提下,学生自主设计实验方案、选择实验器材、制定操作程序、完成整个实验过程。由教师为主导变为学生为主体,以学生为中心。学生要自己发现问题,并运用所学的知识分析问题,探索解决问题的办法,教师在这一过程中起引导作用。

(2)实验内容的探索性

设计性实验的实验内容一般尚未为学生所系统了解,需要通过实验去学习、去认识,打破实验依附理论的传统教学模式,让实验教学真正成为学生学习知识、培养能力的基本方法和有效途径。

(3)实验思路的创新性

设计性实验实施过程中,实验目的是明确的,但实验思路是开放的,包括实验原理、方法、实验装置等方面。学生可以通过不同的途径和方法达到实验目的,激励学生在实验过程中提出解决问题的新方法,实验过程常常还需要几个人合作,有利于创新人才素质和能力的培养。

3 教学案例

下面将以“温度传感器特性研究”这一实验课题为例,介绍建构主义中的随机进入教学法在实践中的应用。

温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器常见的有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等,利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度。另外,还有一些新开发研制的传感器,例如,利用半导体PN结电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器;有利用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器;有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器等。非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度,有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器。该课题涉及的知识面广,需要从多个方向进行探索和学习,以达到对该课题所涉及知识全面理解和掌握的目的。另外,课题部分内容是学生初次接触,并且有一定的复杂性,如:集成温度传感器,红外温度传感器,需要从多个层面进行认识和学习。这些特征正好与随机进入教学法契合。

采用随机进入教学法进行温度传感器特性研究的教学实施如下:

(1)确定主题

让学生探索和学习几种常用温度传感器的特征物理量随温度变化的关系,从而了解常用温度传感器的原理和应用范围,最终完成对“温度传感器”这一知识的意义建构。

(2)创建情景

创设与温度测量技术相关的实际情景来激发学生对温度传感器的兴趣,调动学生的学习积极性。通过图画、文字、影像或者flash等媒体资料,呈现多种应用温度传感器的情境,大到航空航天,资源检测,火灾报警,小到体温测量,手机游戏等等。尽可能涵盖不同类型的温度传感器,以便供学生在自主探索过程中随意进入其中任一种情境去学习。教师要注意在情景展示的过程组织学生对这些应用场景的实现原理进行讨论,引导学生进行发散思维,为后面随机进入教学创造条件。

(3)独立探索

从不同侧面,不同角度表现上述主题,供学生自主探索,具体如下所述:

①学习主题1:热电偶,将温度信号转换为热电势信号的温度传感器;

②学习主题2:铂电阻或热敏电阻,其阻值随温度变化而改变;

③学习主题3:PN结温度传感器,其电流/电压特性随温度变化的特性可用于温度测量;

④学习主题4:集成温度传感器,将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器;

⑤学习主题5:红外温度传感器,物体温度变化而导致其辐射出的电磁波的波长变化,从而实现非接触式的温度测量。

将学生分成3～4人一组,各小组可根据自己的意愿和实验室的条件选择不同的主题进入课堂,这时教师应该放手让学生思维,由学生自主选择学习策略和方法。如果学生的意愿超出了实验室的仪器范围,但有出色的设计思路,在一定价格范围内允许学生购买实验器件。

自主学习要求教师特别注意发展学生的思维能力,不直接将问题的解决方法告诉学生,而是由学生自主解决。在这个过程中,学生要自己查找资料,提出假设,使学生在小组合作学习之前就能对问题有一定的独立思考。由于随机进入学习的内容一般比较复杂,往往涉及许多方面,教师要注意引导学生从同侧面进入学习,对于应从何处获取相关的信息和资料,以及如何有效地利用这些资源等问题,教师应给以适当的帮助。

(4)协作学习

为了使意义建构更有效,教师应在个人自主学习的基础上组织协作学习,围绕呈现不同侧面的情境所获得的认识展开小组讨论。在讨论中,每个学生的观点在和其他学生以及教师一起建立的社会协商环境中受到考察、评论,同时每个学生也对别人的观点、看法进行思考并做出反映。教师注意对协作学习过程进行引导,使之朝有利于意义建构的方向发展。引导的方法包括:提出适当的问题以引起学生的思考和讨论;在讨论中设法把问题一步步引向深入,以加深学生对所学内容的理解;要启发诱导学生自己去发现规律、自己去纠正和补充错误或片面的认识[4]。

在整个协作学习过程中,学生从设计到实验操作、再设计到再操作,学生通过不断地主动思考、体验和实践,逐步深入理解所学内容。通过实验的观测和分析去探索研究,进而发现“新”的物理现象,并通过建立物理模型来解释实验现象,总结出原来不知道的规律性认识,最终完成知识的意义建构。

(5)学习效果评价

包括小组对个人的评价、学生个人的自我评价和教师对学生的评价。评价内容主要围绕三个方面:①自主学习能力;主要通过学生对自身学习结果的反省实现,学生判断自己对温度传感器的特性及其测量手段是否具有了更深层次理解和认识。②对小组协作学习所做出的贡献;小组要对每个成员能否在小组活动中完成相应的任务给出客观、确切的评价。③是否完成对所学知识的意义建构;学生是否通过这个课题的学习,完成对温度传感器意义的建构,这一评价由教师给出。

4 结 论

与传统物理实验教学相比,设计性物理实验更注重培养学生的综合素质和创新能力,开设设计性物理实验是高校物理实验教学改革的需要,但如何更好的开展设计性实验需要不断的探索与创新。以建构主义学习理论为指导开展设计性物理实验教学,更能充分发挥设计物理实验的优势,有效锻炼学生创新意识、创新思维和创新能力。

[1]何克抗.建构主义的教学模式、教学方法与教学设计[J].北京师范大学学报,1997,143(5):74-81.

[2]居桂方.设计性物理实验的设计方法和原则初探[J].广东工业大学学报,2007,7(增刊):84-85.

[3]周海涛,董有尔,陈宝明,杨保东.设计性物理实验的探索与实践[J].实验室科学,2005(5):1-3.

[4]余胜泉,杨晓娟,何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究,2000,92(12):7-13.

Application of Random Access Instruction in Designing Physical Experiment

LIU Ying,HUANGJian-jun,FENG Ling,ZHAOGai-qing

(ShenZhen University,Shenzhen 518060)

The basic theory and teaching viewpoint of constructivism consist with the teaching purposes and requirements of designing physical experiment.In this paper,the teaching case about the research of the temperature sensor characteristics is described.And the random access instruction of constructivism is used for optimizing designing physical experiment teaching.Practice shows that the introduction of the random access instruction can improve student’s independent learning ability,creativity and practical ability.

random access instruction;constructivism;designing physical experiment;experiment teaching

G642

A

1007-2934(2011)04-0086-04

2011-03-01

深圳大学教学改革项目(JG2010054);深圳大学实验室与设备管理研究基金项目(2010024)