“工作室物理”教学模式在大学物理课程中的应用*

王晓鸥　刘志国　郑仰东　韩 权　周可雅　赵 远　张 宇

(哈尔滨工业大学理学院物理系　黑龙江 哈尔滨　150001)



“工作室物理”教学模式在大学物理课程中的应用*

王晓鸥刘志国郑仰东韩 权周可雅赵 远张 宇

(哈尔滨工业大学理学院物理系黑龙江 哈尔滨150001)

“工作室物理”教学模式已在美国麻省理工学院等知名大学中广泛使用.“工作室物理”将学生的探索研究融入到课堂教学中，充分体现了“以学生为中心”的教学理念，充分发挥学生自主学习的积极性.我们在大学物理课程中使用了这种教学模式，实现了学生的自主学习和探究学习.发现这种教学模式对激发学生学习兴趣、培养创造性的思维、高水平的推理和批评性思维能力等方面都起到了积极作用.实践证明，工作室物理不仅培养了学生探索物理知识的能力，还全面培养了学生在集体环境中自我学习、自我成长、自我完善的能力.

工作室物理互动式教学圆桌式布局

1　引言

在传统的“灌输式”教学模式中，学生是被动的倾听者、接受者，他们的注意力主要是放在对知识要点的掌握上．这在一定程度上剥夺了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，限制了学生的创新与创造性思维的发展．

“工作室物理”(Studio Physics)教学模式的最大特点是将传统授课和课堂活动融为一体，最早是由美国伦塞勒工学院(简称RPI)创立的教学方式[1]．其宗旨是倡导教师引导、学生主动获取知识、主动探索物理规律，学生之间、师生之间互动、互助式的教学模式，使学生在课堂上便能对老师讲授的内容有更深刻的理解，进而提升学习成效．是充分发挥学生自主学习、实现“以学生为中心”的教学理念的最佳教学模式．

目前，这种教学模式已在美国、中国台湾地区以及一些欧洲国家的大学盛行了将近20年的时间[2～6]，美国麻省理工学院(MIT)是使用该教学方法最具影响力的学校之一[7]，该校于2002年，就在物理课程的教学中采用了这一教学方法，并取得了良好的教学成效．由于工作室物理教学模式的成功，如今，美国一些大学已经开始在化学、工程类等[8, 9]课程中实施这种教学模式．

2　“工作室物理”教学模式

标准的工作室物理需要在一个专门的工作室物理教室中进行．这一教室除了具备一般多媒体教室的功能之外，在每一张课桌上放上小型实验仪器，有条件的情况下，在课桌上配备网口和与LabPro Device相连接的USB接口，通过Logger Pro数据采集软件，可以将桌上实验的数据进行采集处理，从而方便学生对数据进行分析．图1给出了RPI的工作室物理教室实景．

图1　RPI的工作室物理教室实景

根据认知心理学原理：学生在课堂上的注意力以及听课效率与所选择的座位有直接关系．在图2所示的传统布局的教室中，椭圆阴影范围内的学生上课时注意力更集中、听课效率要更高些．麻省理工学院(MIT)根据学生有效听课范围，在RPI的工作室物理教室的基础上将学生的座位重新布置，如图3所示．从空间布置上来看，教学场所的课桌椅被摆放成圆形(或说环形)，教师的讲台位于环形摆布圆桌的中央，以此为中心的四周是一圈一圈的环形课桌椅，学生围绕圆桌而坐，也形象叫做圆桌式教学．这种课堂布局建立了一种师生平等、民主的课堂气氛，可减少学生的心理压力；便于学生自由发言，便于开展讨论式教学，易于学生-学生之间、教师-学生之间的沟通与交流；这种教育模式能更好地实现“以学生为中心”的教学理念，促进学生学会学习，充分发挥学生潜能．

图2　传统式教学的教室布局

图3　工作室教学模式所用教室平面图

图4是MIT工作室物理教室实景，能容纳60～90人．图5是台湾中正大学的工作室物理教室实景．截止到2009年，台湾中正大学已建立了两个工作室物理教室，分别内置11个圆桌和13个圆桌，能容纳99～117名学生．

台湾中正大学的工作室物理教室每张圆桌坐9个学生，每3个学生为一个小组，每桌分为3组，每组有1台电脑、1套小型演示实验装置，每张圆桌上共有3台电脑、3套小型演示实验装置，教室的4面墙上共有6个屏幕，方便不同方位学生观看．

图4　MIT教室实景

图5　台湾中正大学教室实景

学生可利用现代技术手段对实验数据进行采集、整理、分析，加深理解在不同物理条件下物理现象的变化规律．在教学过程中，教师可作精简的讲授，之后学生以学习小组为单位做实验(称为课堂活动)．每个班级配备一名主讲教师，一名研究生助教，一名本科生助教．助教的作用是在课堂活动期间巡视课堂，及时解决学生的问题．这种教学模式强调学生探究式和互助式学习，是一种以学生为学习主体，师生间、学生间高度互动最有效的教学手段，对建构知识和培养学生的创新能力非常有效．本文介绍我们使用“工作室物理”教学法的体会和经验．

3　“工作室物理”教学模式在大学物理课程中应用

从2014年春季学期开始到2015年秋学期，前后用了2年的时间，每学期从英才学院抽出一个小班(30～40人)作为教学试点班，在大学物理课程中进行工作室物理教学尝试．2016年春季学期开始在英才学院、电气学院等4个大班全面使用工作室物理教学模式．受教室条件、演示实验套数所限，我们采取传统授课和工作室物理教学相结合的模式．根据我们现有演示实验套数将一个小班(30～40人)学生分成4个讨论小组，每组8～10人，共用一个由4张课桌拼接而成的平台，每个小组配备一套实验设备，学生可以自由操作演示实验，并相互讨论．我们为这个试点班配备一名主讲教师、一名助讲教师．

具体做法是：教师首先引导学生做与本次课程内容相关的演示实验，然后根据实验现象引导学生研究物理规律，探索物理本质；对于那些深奥的物理规律，在学生做完演示实验后，由教师结合演示实验现象作系统讲解．这种教学模式既激发了学生的学习兴趣又锻炼了学生的动手能力，既培养了学生探索、研究的主观主动性又培养了学生的创新与创造能力．学生对所学知识的理解也更深入，真正实现了“以学生为中心”的教学理念，发挥了学生自主学习的积极性．图6(a)为哈尔滨工业大学的工作室物理教室实景，图6(b)、(c)、(d)为学生正在操作、研究、讨论实验现象，探索实验规律及其物理本质．

图6　哈尔滨工业大学工作室物理教学课堂实景

3.1在激发学习兴趣和能力培养方面的作用

由于学生习惯了传统的“灌输式”授课方式，我们刚开始应用“工作室物理”教学模式时，课堂气氛比较严肃．尽管老师多次鼓励学生动手实验和参与讨论，大多数学生还是不愿参与，只是被动地期待老师给出问题的答案．后来，老师移走了讲台，让学生收起课本，课堂气氛逐渐活跃，学生参与的热情高涨，如图6所示，每个学生都参与了课堂的教学活动．学生之间的讨论越来越多，而且也能够向老师提出很多奇思妙想的问题．一些平时不愿意说话的学生也很勇敢地在课堂上提出自己的想法和问题．

现在的大学生思维活跃，对很多问题都有自己独到的见解．“工作室物理”教学模式以学生为课堂的中心，能够通过学生之间的讨论和教师的引导激发学生的学习兴趣，培养学生主动提出问题、分析问题、解决问题的能力以及创新与创造性思维能力．

在工作室物理课堂，学生更愿意主动与授课老师进行沟通，一些比较害羞和偏内向的学生也能主动与同学、与老师交流，在这种环境与氛围下，对深奥物理知识的学习变成了一件轻松愉悦的事情．

同学甲觉得这样的上课方式非常新鲜，像玩一样，上起课来也更有热情，他说：“相对于只是老师演示实验，工作实物理课堂这种方式让人印象更加深刻，不仅看到了现象，而且通过反复地对比操作，会思考这种现象是如何出现的，对一些物理原理的理解得更深了．”

再如，同学乙对涡流热效应演示仪非常感兴趣，当她的演示效果呈现时，即通过涡流热效应使凹槽里的冷水变热时，非常兴奋．她说：“工作室物理教学让我们动手多了，可以进行多种尝试，只要明白涉及的一些原理，实验就很好理解了．而且可以随时和老师、同学进行交流，非常有现场感．”

在传统教学中，主讲教师一言堂，演示实验由主讲教师操作，学生无法参与，课堂上也没有更多的时间和机会对实验现象进行更加深入的探讨分析；而在工作室物理教学中，学生可亲自参与实验操作，并对实验现象进行分析、比较，可加深对物理效应、物理规律的理解．如图6所示，在工作室物理课堂上，学生认真地关注实验的每一个细节，比较、分析每一个现象，有时甚至将两组相同的实验放在一起演示，比较不同条件下的实验现象，总结实验规律，在兴趣与快乐中引导学生如何研究物理现象和物理过程．

例如在做“麦克斯韦滚摆演示实验”时，很多学生并不满足于实验中展示的机械能守恒及重力势能和转动动能之间的转化，指导教师就鼓励学生运用刚体转动的知识对实验现象进行分析，并最终把该物理过程抽象为一个例题在习题课上与学生进行分享，这种由学生参与完成的例题，学生们自然感兴趣，并从中研究了物理过程．

3.2“工作室物理”教学模式的优点

这种教学模式的实质是激发学生学习的主动性，是一个专门为促进活跃的、合作式的学习而打造的学习环境．教室的布置是为促进学生团队在短期任务中的互动，同时也营造了一种轻松的学习氛围，达到大班教学如同小班教学的效果．其优点在于：

(1)绝大多数的学生都分布在有效听课区域内，可提高听课效率；

(2)将实验操作融入到课堂教学环节中，不仅让学生学习物理知识，更重要的是让学生感受物理，完全整合了理论和实验课堂，可充分发挥学生自主学习的积极性；

(3)所有学生与教师保持相当合适的距离，形成一种学生平等、师生易于沟通和交流的良好课堂氛围，便于实施互动式教学．

这种教学模式不仅实现了“以学生为中心”的教学理念，还很快就能见到学习成效，切实贯彻了教师引导、学生参与的互动式教学的宗旨．

基于建构主义理论，这种“工作室物理”课堂教学模式的主要特点是将教学理念与教学特色融入整个教学过程中，承认教师在学生知识架构以及情感态度与价值观形成中的引导作用；注重课堂中诸客体之间互动的畅达平等(如教室中的摆设会因时制宜，物与我的交流，师生互动对教材个性化生成，人对自然人文环境的关注与协调等)，尤其尊重学生的独特性体验与创见，不管这些体验和创建是否成熟，要培养学生自我审视的习惯．工作室物理教学模式符合学生的认知规律，具有一定的科学性．

教学实践表明，“工作室物理”教学模式改变了传统的单向知识传授模式，是探究式、讨论式、互动式的教学，它鼓励学生自主学习，让学生学会相互学习，教会学生如何去思考，有利于学生知识、能力、素质的全面发展．学生在工作室物理课堂环境中还提升了自我学习、自我成长、自我完善的能力以及团队合作精神．

1王鑫, 刘全慧. 工作室课堂与大学物理教育——介绍美国 Studio Physics 教学模式. 大学物理， 2010, 29 (2): 54～56

2Cummings K, Marx J, Sornton R, et al.，Evaluating Innovations in Studio Physics, Physics Educational Research.American Journal of Physics, Supp l. 1999(67): S38～S45

3Karen Cummings, Jeffrey Marx, Ronald Thornton, and Dennis Kuhl，Evaluating innovation in studio physics.Phys.Educ.Res.,Am.J.Phys.1999,67(7):S38

4Patrick B.Kohl,H.Vincent Kuo,and Todd G.Ruskell，Documenting the conversion from traditional to Studio Physics formats at the Colorado School of Mines:Process and early results.AIP Conf.Proc.，2008.1 064,135

5T.E.Furtak and T.R.Ohno，Installing Studio Physics.The Physics Teacher，2001.39

6Gök,Tolga.Exploring of Students′ Performances,Motivation Processes and Learning Strategies in Studio Physics.Latin-American Journal of Physics Education，2011,5(1):1 870～9 095

7John W.Belcher.，Studio Physics at MIT (see http://web.mit.edu/cet/)

8Lu T M.Turmoil and Opportunities in Higher Education.New York: Integrated Book Technology，1999

9Amy C.Gottfried,Ryan D.Sweeder,Jeffrey M.Bartolin,et al.，Design and Implementation of a Studio-Based General Chemistry Course.Journal of Chemical Education，2007, 84(2):265

王晓鸥(1960-)，女，博士，教授，博士生导师，主要从事光学非线性的研究及大学物理的教学工作.

2016-05-17)

*黑龙江省高等教育科学研究2014年重点课题，课题编号：14Z001