PBL在“薄透镜焦距的测量”实验中的应用

高光珍，贾天俊

PBL在“薄透镜焦距的测量”实验中的应用

高光珍，贾天俊

（滨州学院 物理与电子科学系，山东 滨州 256603）

问题导向学习（PBL）是一种以问题为核心，学生围绕问题展开知识建构，围绕解决问题的目标而自主学习的教学模式。在“薄透镜焦距的测量”实验中，采用PBL教学模式，通过设计问题引入实验，以小组为单位设计实验方案，进行实验探究，在分析与小组讨论的基础上，逐步对实验进行深度拓展；教师在实验中对学生进行引导，并及时评价反馈。结果表明，在“薄透镜焦距的测量”中实施PBL教学模式，取得了良好的教学效果，学生主动参与程度提高，思维能力和解决问题的能力得到了提高。

问题导向学习；薄透镜；实验；应用

21世纪的竞争是科技的竞争、人才的竞争，全世界都在优先发展教育，培养优质人才。作为优质人才的关键就是要具备自主学习能力、分析与解决问题的能力。但传统的以教师为中心的教学方式，师生互动不足，学生学习积极性不高，学习效果欠佳，特别是实验教学重理论、轻实践，重知识、轻能力，培养出来的大多数学生缺乏创造性，动手能力差、思维僵化。

《大学物理实验》是理工科各专业的一门重要必修基础课，在学生系统地打好必要的物理基础，培养学生树立科学的世界观，增强学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的探索精神和创新意识等方面，具有其他课程不可替代的重要作用。但传统的大学物理实验中，验证型实验居多，以教师教授为主，如“薄透镜焦距的测量”实验，实验教材对实验步骤的描述很详细，但设计思想未见提及，学生常常只满足于弄明白教材内容，按操作步骤被动完成实验，主动参与不够，在培养科学探究能力方面没有发挥应有的作用。基于以上问题，笔者在“薄透镜焦距的测量”实验中，进行了问题异向学习（problem based learning，PBL）教学模式的探索与实践，取得了显著的教学效果。

1 PBL教学模式的特点

PBL是以问题为基础，以学生为中心，培养学生自学能力，发展学生综合思考能力和解决实际问题能力的教学模式，由美国教授Barrows于1969年首次采用［1］。其特点在于提倡“以学生为中心”的教学理念，以问题为起点，师生双方围绕“解决问题”展开教学活动，学习过程中学生是主体，教师是学生学习的推动者和促进者［2］。

1.1 注重创设问题情境

问题是课程的组织核心［3］，把问题作为引导学生自主获取新知识的驱动力。传统的大学物理实验中，大部分实验项目都是验证型实验，以教师讲解为主，实验原理、步骤和方法均由教师决定，讲解实验原理后，通过学生实验操作，得出某个物理量或验证某个定律；学生简单接受、机械重复，不利于学生分析、解决问题能力的提高，导致学生对大学物理实验兴趣不高。PBL教学模式中，教师根据实验内容设计真实的问题情境，将问题情境同生产、生活实际结合起来；学生围绕问题自行搜集资料、设计实验方案、进行实验操作以解决问题［4］。需要注意的是，设计的问题应具备以下三个特征：（1）问题来源于生活，引起认知冲突，激发学习兴趣；（2）问题符合学生的认知水平和特点；（3）问题易于培养学生的创新思维与能力。

1.2 强调学生自主学习

问题呈现后，将学生分成小组，每组2～3名，通过学生的自主探索和与小组成员的合作讨论来设计实验方案，解决问题。在小组学习中，学生需要积极主动参与小组实验活动，自己去探索、发现，对问题提出假设并去一一验证，充分和同伴交流、讨论。实验操作完成后，小组就自己的操作、实验中出现的问题及实验结果相互讨论，总结经验教训。PBL以小组的形式让学生自己组织设计过程，并决定分工合作的方式，增强了学生的群体意识和团队精神，提高学生的自主学习能力和协作能力［5］。

1.3 突出教师促进作用

传统的实验教学模式，以教师为中心，教师是知识的传授者，PBL教学模式以学生为中心，学生是主动学习者，教师扮演“课程的组织者、情感的支持者、学习的参与者、信息的咨询者”等角色［6］。在备课阶段，教师结合实验大纲要求、实验特点、学生实际等精心设计问题，在课前一周发给学生；在小组实验探究过程中，教师要实时把握学生实验探究的进度和程度，及时予以指导；在实验操作结束后，教师组织全体学生讨论，对实验中未解决和新发现的问题进行探讨、交流［7］，引导学生对实验现象、实验结果、误差进行讨论，将理论知识和实际问题联系起来。

2 PBL教学模式在大学物理实验教学中的实践

PBL的教学组织过程大致包括：提出问题（教师或学生）→划分小组（学生）→归纳假设（学生）→收集资料（学生）→论证研究（教师、学生）→解决问题（教师、学生）→进行验证（教师、学生）→提出新问题（教师）［8］。本文以“薄透镜焦距的测量”实验为例，介绍PBL教学模式的实施过程。

2.1 问题设计

问题是PBL教学活动的主线，问题设计的合理与否直接关系到课堂教学效果［9］。问题的难度应该符合维果茨基提出的“最近发展区”原则，让学生能“跳一跳摘桃子”。学生通过头脑中已有的旧知识，找到新旧知识的联系，建构新知识，完成有意义学习。本实验的问题包括：生活中的透镜有哪些？薄透镜的焦距是什么？焦距由哪些因素决定？凸透镜成像有什么特点，如何测量凸透镜的焦距？凹透镜成像有什么特点，怎样让凹透镜成实像，如何测量凹透镜的焦距？实验过程中，让学生利用实验仪器，设计多种方法来测量薄透镜的焦距。

2.2 实验的组织

1）教师提出第1个问题“薄透镜的焦距和哪些因素有关系？”学生分组讨论，教师引导学生回忆薄透镜成像的高斯公式，透镜在空气中、在近轴光线条件下，薄透镜成像的规律为1/s′－1/s= 1/f′。教师提出第2个问题“根据高斯公式，如何测量透镜焦距？”学生回答问题，测物距s、象距s′可算出焦距f。教师予以肯定，并给学生说明符号规定：线距均从透镜中心（光心）量起，与光线行进方向一致时为正，反之为负。公式法测凸透镜焦距的光路图如图1所示。提醒学生，使用高斯公式时注意物距、像距的符号。以小组为单位，设计实验方案，进行实验。

图1 公式法测凸透镜焦距

教师说明光源使用的注意事项，和激光光源测焦距的优势，讲解光学元件同轴等高的调节方法。

2）教师提出第3个问题“如何消除由于透镜厚度引入的误差？”学生分组讨论，设计实验方案。可采用二次成像法，其光路图如图2所示。

图2 二次成像法测凸透镜焦距

教师巡回指导学生。提醒学生注意公式法和二次成像法测量的是一个透镜的焦距，测量结果应该差别不大。

3）教师提出第4个问题“如何测量凹透镜的焦距？”由于凹透镜对实物只能成虚像，不能直接用屏来找像的位置。确定凹透镜所成虚像的位置，或者设法使凹透镜成实像是设计本实验的关键［10］。教师继续追问，如何让凹透镜成实像？学生联系凹透镜成像的特点，进行小组讨论。教师和学生共同总结出问题的答案，根据光的可逆性原理，凹透镜对实物成虚像，反之可以对虚物成实像，这个虚物可以通过凸透镜辅助成像得到。学生设计实验方案，进行实验，教师及时指导，提醒学生注意，物距、像距如何确定，符号如何确定。辅助透镜法测凹透镜焦距的光路图如图3所示。

图3 辅助透镜法测凹透镜焦距

学生自行设计表格，记录数据，对数据进行分析处理，计算出薄透镜的焦距。

4）提出相关的实验问题让学生自主探究。（1）测凸透镜焦距还有其他方法吗？（2）透镜的焦距大于光具座的长度时，怎样测定它的焦距？（3）自己设计两种测量凹透镜焦距的实验方案，并说明原理和测量方法。

2.3 结果分析与评价

实验结束后，大部分学生的实验结果基本符合参考值。说明学生实验操作基本达到要求，实验过程也比较认真。有一小部分的学生实验结果有偏差，教师应引导学生分析原因。例如，在确定清晰的像的位置时，可能像的位置没选择准确；记录数据，没有估读到最小分度的下一位；测量凹透镜焦距时，物距的大小算成了物屏到凹透镜的距离；利用高斯公式计算时，没有注意各物理量的符号等。在整个实验过程中，教师要及时做出准确的评价并反馈给学生。

3 结束语

教学实践表明，PBL教学模式是一个自学、讨论、再自学、再讨论的学习过程，学生成为学习的主体。PBL教学模式在“薄透镜焦距的测量”实验教学中取得了良好的教学效果。真实化的问题情景，加强了理论联系实际，并激发了学生对新知识的兴趣和探索；实验操作过程中，使学生参与探究过程，实验设计思路清晰，学生对实验现象和结果有了更好的理解，有利于加强对高斯公式和薄透镜成像特点的掌握；以小组为单位的新形式促进了学生之间的交流和沟通，培养了学生的团队精神与合作意识；教师的及时指导，使教学更具有目标性和方向性。PBL教学模式培养了学生解决实际问题的能力、综合应用知识的能力、批判性思维能力以及自主学习能力。将PBL教学模式应用于实验教学，将是《大学物理实验》教学改革的一种有效实践。

［1］Gwee MCE.Globalization of problem－based learning（PBL）：croaa－cultural implications［J］.Kaohaiuag J. Med Sci.，2008，24（3）：S14－S22.

［2］牛丽红，南克勉，王增田.解读PBL中的师生角色［J］.中国高等医学教育，2006（7）：27－28.

［3］李丽霞.大学物理文科探索实验PBL教学模式的建构［D］.长沙：湖南大学，2008.

［4］刘银萍，彭端，蒋力立.PBL教学模式在综合性实验中的应用［J］.实验科学与技术，2011，9（3）：78－81.

［5］李晔，刘宏.大学物理实验教学中PBL模式的运用［J］.实验技术与管理，2009，26（3）：214－216.

［6］Furnham A.Parents'estimates of their own and their children's multiple intelligences［J］.British Journal of Developmental Psychology，2000（11）：583－594.

［7］石伟民，王素兰，张运晓，等.大学有机化学实验教学中PBL教学法应用初探［J］.河南化工，2010，27（12）：57－58.

［8］周忠信，陈庆，林艺雄，等.PBL教育模式的研究进展和现实意义［J］.医学与哲学：人文社会医学版，2007，28（8）：72－74.

［9］杨桂兰，陈双慧，刘瑞.PBL教学模式在生物实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2013，30（4）：109－111.

［10］宋景萍，王平瑞.薄透镜焦距测量的教学设计［J］.贵州教育学院学报：自然科学版，2008，19（9）：4－8.

App lication of PBL M ode in Thin-lens Focus M easurement Experiment

GAO Guangzhen，JIA Tianjun
（Department of Physics and Electronics Science，Binzhou University，Binzhou 256603，China）

PBL teaching is a teachingmodelwhich with the goal of problem-centered，the study groupsmake knowledge construction around the problem-solving by autonomic learning.The PBL teaching mode was applied in the“Thin lens focusmeasurement experiment”，through the design of problem，and on the basis of analysis and research by study groups，gradually to the experimental depth development.Teachers in the experimentworked as the students'guidance，and provided timely feedback.The practice results indicated that，the implementation of PBL teachingmode in the experimentof thin-lens focusmeasurementexperiment can improve the degree of student participation，and develop the students thinking ability and problem solving ability.

problem based learning；thin-lens；experiment；application

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.033

2013－09－25；修改日期：2013－11－12

滨州学院教学研究基金资助项目（BYJYYB20122 7，BYJYYB201128）；滨州学院校级精品课程基金资助项目（BZXYJPKC201104）。

高光珍（1980－），女，在读博士，讲师，研究方向：物理课程与教学论。