大学物理实验课程的课堂生态研究

陈桂云，吴　威，曾伦武



大学物理实验课程的课堂生态研究

陈桂云，吴威，曾伦武

(南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031)

用教育生态学的理论和方法研究了大学物理实验课程，指出其课堂生态尚未呈现出教师、学生和环境三要素之间的整体均衡，良性互动，协调共进的态势. 从理念与结构框架、环境场构建、教育客体重整、教学流程重构、评价方式完善5个层面，重构大学物理实验的课堂生态系统. 研究给出了新教学模式下的课堂生态系统结构框架，探讨了互动性课堂的教室筹建、内容重组、教学流程和评价方式.

大学物理实验；生态课堂；教学模式

教育生态学为教育学和生态学两学科相交叉的学科，其研究对象是由教育主体、教育客体和环境系统共同构成的教育生态系统，学科功能主要体现在借用生态学理论进行教育生态健康评价、教育生态危机预警和教育生态实践指导3个方面[1]. 1932年，美国沃勒在研究中提出“课堂生态学”概念，从社会学层面剖析课堂教学. 这是教育生态思想的萌芽. 而“教育生态学”概念则发源于台湾学者方炳林1975年的《生态环境与教育》及哥伦比亚大学Lawrence Cremin 1976年的《公共教育》[2]. 教育生态思想出现后，教育研究的注意力发生改变：由关注个别学生学习经历及学校成绩转向了研究学生成长所处教育环境的各种因素[3]. 这是教育研究的质的飞跃，是更加注重教育系统要素相互联系、相互制约的整体性思考范式. “教育生态学”概念及思想后又被台湾学者李聪明《教育生态学导论》(1989)、大陆学者吴鼎福和诸文慰 (1990)、 任凯和白燕 (1992)、 范国睿(2000)等研究所发展，逐渐成为一门独立的教育学领域子学科——教育生态学[2]. 教育生态学提倡运用生态系统的生态平衡、协同进化等生态学概念研究教育现象及发展规律，对教学实践深具指导意义. 在这一概念框架下，课程教学旨在构建师生和环境三者交互作用的动态系统，以实现三者的整体和谐发展.

目前，从高校课程生态化研究来看，主要集中在英语、体育、马克思主义原理等课程上[2,4]. 虽然，2010年邢红军就提出教育生态学和相互作用心理学可以为物理教育生态化理论的建构提供有益的启示，但鲜有关于大学物理课程领域的研究报道[5-6]. 郭丽君认为，可以用缺陷分析法考查某个教育生态系统的缺陷来帮助该系统走向持续完善. 对于教育生态研究的微观领域——课堂生态研究，则可以通过对课堂生态系统的组成要素(教师、学生、教科书、教室环境等) 做缺陷分析来追溯课堂生态系统的缺陷[1]. 本文以大学物理实验课程为切入点，用缺陷分析法考察该课程的课堂生态，探究大学物理实验课程的物理课堂生态建设问题.

1　大学物理实验课程的定位和目标——课堂生态系统的完善方向

教育部高等学校物理基础课程教学指导委员会的“理工科类大学物理实验课程教学基本要求”[7](简称“教学要求”)指出：物理学本质上是一门实验科学. 大学物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端. 大学物理实验课覆盖面广，涉及到许多实验思想、方法及手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础. 它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用.

“教学要求”指出：大学物理实验课程要培养学生独立实验的能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力和创新能力. 具体任务是：1)培养学生的基本科学实验技能，提高学生的科学实验基本素质，使学生初步掌握实验科学的思想和方法，培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力. 2)提高学生的科学素养，培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风、认真严谨的科学态度、积极主动的探索精神及遵守纪律、团结协作、爱护公共财产的优良品德. 可见，大学物理实验课程的最根本目标是使学生通过该课程获得全方面的发展.

大学物理实验课程的课堂生态系统由教师、学生、实验指导书、仪器、教室环境等组成. 该生态系统的健康运行，需要各要素整体均衡、良性互动、协调共进，达成该课程的目标. 大学物理实验课程的定位和目标是课程生态系统的完善方向.

2　大学物理实验课程的现实状况——课堂生态系统的缺陷分析

综观我国高校大学物理实验课程，目前整体发展态势良好，尤其是随着教育部高校本科教学质量工程的实施，一大批国家级及省级大学物理实验教学示范中心陆续建成. 在诸如清华大学、中国科技大学、上海交通大学、东南大学等大学物理实验教学示范中心中，借助各种类型教学资源，构建教学立体网络，分层次进行物理实验教学已经成为常态. 我国大部分高校目前已能够利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源并开放物理实验室，能够开展包括基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验在内的分层次教学. 在教学内容、课程体系、教学方法、教学手段等各方面也进行了各种有益地探索. 大学物理实验课程总体而言，在高教课程大系统中，发挥着大学基础课程尤其是实验类课程的基础作用.

但是，大学物理实验课程在实践中同样也存在着诸多不足. 从教育生态学角度说，课程实践尚未呈现出教师、学生和环境三要素之间的整体均衡、良性互动、协调共进的态势. “教学要求”及课程大纲所规定的教学目标尚未能充分实现.

2.1系统要素之间缺乏良性互动，课堂生态活力不足

很多高校的大学物理实验课堂所呈现的，还是以任务为导向的过于死板的课堂面貌. 教学方式过于教条，缺乏创新. 教师在实验开始时布置实验任务，交代注意事项；实验中巡视并解决问题；实验后检查实验数据，略作评价. 学生只管按部就班地实验，获取实验数据并让教师认可. 遇到大部分学生没有预习实验时，教师为提高课堂效率，索性讲解全部实验原理、实验环节等相关内容. 学生在速成学习后，迅速按部就班做完实验，课后再循规蹈矩地完成实验报告，以顺利获得满意的实验成绩为最大期盼. 师生基本都不喜欢实验环节出现仪器和实验数据的状况. 而物理实验课程的环境，只是课程的场所，与人之间的互动少之又少. 虽然通过多年的建设，走廊和教室的墙壁已挂了实验室规章制度和物理名人名言，课桌椅崭新，新换的仪器人手1台. 教师重在教的任务，学生重在学做的任务. 教会学生做实验并评价，是最基本的实验流程，师生之间的互动死板僵化，这显然还是未有效发挥教育主体能动性的填鸭式教学. 师生之间、生生之间、人与教学资源之间缺乏良性互动，人与环境的作用尚待重新定位与完善.

2.2课程与实验室建设成果未能在课堂生态中发挥积极作用

网络课程建设和实验室建设已经成果斐然，多数高校都能列举出很多建设成果. 网络上也遍布着各种学习资源，包括国内外著名高校提供共享的教学资源及各个高校自身建设的网络学习资源. 近几年的慕课、微课建设更使得网络上的在线课堂层出不穷. 学生学习的时空得到拓展，学习便利性大为加强. 教师也尝试利用这些物理学习平台给学生课后探索提供帮助，并且利用QQ、微信等与学生进行交流反馈，鼓励学生将实验过程中出现的问题向课外延伸，深入拓展相关内容，开阔视野同时增强学生的实践应用能力. 但是，许多教学资源以及实验室建设成果未能在大学物理实验的课堂生态中发挥出积极作用，有些资源只演变成实验室建设展示成果的花架子，实际利用效率并不高，甚至出现了教师和学生并不喜欢使用这些资源的现象. 如何有效地利用这些资源，为课堂教学生态注入活力，还有待深入研究.

2.3实验室开放形同虚设，未能有效发挥其应有作用

近10年，各高校都在积极创造条件开放物理实验室，争取在教学时间、空间和内容上给学生更大的选择自由. 实验内容也能兼顾预备性实验、基础验证性实验、设计性实验和研究性实验，以适应学生的个性发展. 开放的大学物理实验室在教师科研、学生SRT训练上都发挥着积极作用. 但是，带着课堂实验问题，或者带着自己发现的物理相关问题，进一步利用开放时间来实验室深入探索的学生少之又少. 不仅大学物理实验对学生变成了一门挣学分的课程，甚至于不少大学生的SRT训练也演变成功利地挣学分、谋取利益的手段，难有真正的科学研究探索. 而开放实验室带来的管理问题以及安全隐患，给实验室管理者也带来了巨大压力，这更使得实验室开放制度在实际执行时形同虚设，开放实验室并未能有效发挥其应有作用.

2.4课堂成绩评价方式不尽合理，还有待完善

学生大学物理实验的成绩，通常依据其在预习、课堂实验、实验报告和实验考试4环节中的表现而定. 成绩评定方式在教学中有重要的导向作用，尤其是学生课堂实验的评价，直接影响着学生的具体实验过程. 但评价很容易倾向于学生实验数据好坏及实验时间长短. 当教师观察到所有学生实验态度都很好，做实验很认真时，那些实验结果好的、所用时间短的学生更容易得到好的评价. 可是实验过程如果伴随着技能、思想方法的学习，同时还需要发现个体实验的具体问题并寻找解决方案，实验时间可能因人而异，且不会较短，实验数据也未必都很好. 若学生在实验中发现数据问题，思考出内在的原因，并调整实验验证自己的判断，可能对其发展意义更大. 但是当教与学于师生都变成功利的任务时，师生双方通常都不愿意看到犯错这类意外发生. 评价方式并未能真正促使学生投入到实验的学习过程中，为此，这方面还有待进一步完善.

3　大学物理实验课程的教学模式——课堂生态系统的模式重构

3.1理念与结构框架

大学物理实验课程的最根本目标是使学生通过该课程获得发展. 因此重构课堂生态系统需秉持这样的理念：在课堂生态系统教学模式框架内，关注学生发展，关注学生能从该课程得到什么，更甚于关注知识本身[8-10]. 课程内容的学习讨论和实验的完成过程应成为学生实验技能、科学素质，分析解决问题能力及创新能力发展，甚至于智商、情商、逆商、社交商共同协调发展的媒介. 这一教学模式框架下的课堂，会同时是某种小社群组织的生态体. 它要在利益博弈、观点碰撞和思想交锋中体现学习与发展兼顾、科学与人文交融、合作与竞争并存的特点. 这样的教学模式下，高效正确地完成实验是最重要的目标，犯错的价值会被重新思考，并被纳入学习过程.

重构的大学物理实验课堂生态系统的结构框架如图1所示. 独立发光的小星体表示每个独立的学生，发光代表它既可以影响他者也能被他者所影响. 他者包括教师、其他学生及环境. 这些小星体是课堂生态系统中最为重要，需要通过课程获得发展的教学主体. 它们独立自主地完成自己的实验，并在过程中发现问题、分析问题和解决问题. 3个个体组成1个小组，在个体需要帮助时可以互相讨论、彼此启发. 1个课堂生态系统可以包含6～10个这样的小组. 组内个体之间及不同小组之间合作与竞争并存. 教师或助教是较大的星体，能光照整个生态系统，是课堂生态系统中另一个重要的教学主体,同样可以影响他者也能被他者所影响，并且其理念与教学智慧对整个生态系统的健康运行起着最为关键的作用. 小月亮是环境场，大星体和小星体置身其中. 生态系统运行时，三者可以彼此辐射，传递能量与信息，展开互动.

T or AT.教师或助教；Gn.学生小组；F.环境场图1　课堂生态系统的结构

3.2环境场构建——互动性课堂的教室筹建

课堂生态系统需要在能诱发探索与互动的环境场所中运行. 环境场所自然形成环境场，产生课堂气氛，影响着该场所中的所有教学主体. 环境场的构建，包括互动性课堂的教室筹建、实验室墙壁布置、规章制度、仪器摆放、实验室卫生等多方面内容. 其核心是互动性课堂的教室筹建，可建设能容纳30人做实验、面积约为100 m2的教室，10张圆桌，每桌3人. 每桌能放3台可联网的电脑及3套实验仪器. 1个演讲台兼控制台，1台投影仪. 其简图如图2所示. 该互动性教室其典型特征就是方便师生、生生之间的互动. 其基本功能应该包括：个体独立实验功能、互动功能(人机、师生、生生)、协作学习功能、分组竞赛功能、演讲讨论功能及多屏监视功能等.

图2　互动性教室简图

教师可以把操作权交给任意一学生，学生在其座位上可以远程操控教师的电脑，为全体学生讲解自己实验所发现问题的分析过程和解决方案. 也可以组成小团队，合作达成某个问题的解决，给同学演示. 组内和组间既可以协作也可以展开竞争. 学生在优势互补、相互竞争、相互促进中形成良好的人际关系，培养合作精神，激发探索兴趣，促进个性健全发展.

3.3教育客体重整——互动性课堂的内容重组

以既有的教学内容为重组对象、网络课程建设和实验室建设成果为依托，各种网络资源为活水，重整教学内容. 既往开发的包括基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验在内的分层次教学内容照用，但要更为考究地重新编排其呈现形式. 要将重构课堂生态系统所秉持的理念融入内容的呈现方式中，使得教学内容暗藏玄机——激励学生自主探索以完成自我发展. 教学理念是课堂生态系统之魂，究竟如何匠心独运地呈现教学内容，并没有固定套路，可因师者不同而异. 重组时秉持原则：不能使教学内容变成强加给学生的实验任务. 教学内容要内蕴丰富激励，能诱发自主学习、自主探索及各种互动讨论.

重组的内容可以为：

1)诱发探索兴趣的内容；

2)思考原理、启发创意的内容；

3)操作技能内容；

4)实验及深入探索内容.

以牛顿环测量透镜的曲率半径实验为例，以上内容可为：

1)探究牛顿环花样的变化；

2)思考原理及设计其他图样；

3)调试图样清晰的操作；

4)测量实验及仪器、测量方法、数据、误差、障碍及解决方案的深入探究.

所有内容让学生在环境场中通过与教师、其他学生、教材、网络资源高效互动中一点一点地带出来，不能直接呈现结果. 环境场中的学生实际上要经历发现之旅，于玩耍、思考、亲自动手操作在合作又竞争的探索中经历发现问题、学习、互动讨论、解决问题以及可能犯错并纠错的过程. 在和同伴的合作与竞争中完成包括实验技能及科学素养的提高，实现分析解决问题及创新能力的发展，甚至于智商、情商、逆商、社交商的协调发展.

3.4课程教学流程重构

更有活力充满互动的课堂生态需要重构课程的教学流程. 与上述重组的内容相对应，基本流程建议为：

1)玩起来，以进行情绪调动和思维热身；

2)思考起来，探究背后机理，诱入自主学习过程；

3)做起来，动手中学习，锻炼动手能力并总结操作技巧；

4)完成实验操作并深入探索，向发现之旅纵深处拓展.

教师用问题和评价导引学生沿着这4步流程前行，所有环节都可适度引入合作与竞争机制，确保课堂生态系统中能量和信息能高效流动.

以牛顿环测量透镜的曲率半径实验为例，重构的课程教学流程如下：

1)让学生玩起来

a.怎样调出漂亮的条纹？

b.条纹如何变形？

比一比谁的条纹最漂亮.

2)让学生思考起来

a.条纹的机理怎样？

b.如果换成劈尖形状的空气膜，条纹如何变形？

c.你还可以设计出什么样的图样？

比一比哪个小组能最先准确地描述出机理，哪个小组的设计最具创意.

3)让学生做起来

a.调一调仪器，调出最清晰的图样. 开展调试技能大赛，比一比谁能让最难调的仪器在最短时间内呈现清晰的图样，谁总结的调试技巧最棒.

b.谁能让中心暗斑变亮斑，并解释原因.

4)让学生完成实验操作并深入探索

a.测量哪些物理量？如何测量？

b.仪器有什么“缺陷”?采取什么实验方法可以避开这个“缺陷”？

c.如何处理数据？数据差异性的原因？

d.误差可能有哪些来源？

e.你遇到哪些障碍？如何解决？

f.对于仪器和方法有无建设性意见？

3.5评价方式完善

重构的课堂生态系统模式要有相匹配的评价方式. 既有的4环节评价方式并非完全不合理，可予以完善. 尤其是直接影响学生具体实验过程的课堂实验评价，更要进一步完善. 另外还要补充课后学习讨论及进入开放实验室深入探索的激励和评价方法.

课堂实验评价可以包括：实验态度、动手能力、发现问题能力、解决问题能力、合作能力、阐述能力、有无创意设计等多种考核指标，从个体及小组评价，自我及他者评价角度予以评价. 评价以鼓励学生积极探索为根本，避免让学生过于关注成绩. 教师实时口头评价辅以笔录评价，以调控学生在实验过程中的状态. 课后探索评价重在鼓励学生充分利用开放实验室的便利，深入自主探索，将课堂学习向课后延伸，拓展课程对学生影响的时间和空间，使学生能从课程中获取最大限度的发展. 例如，在评价方式的导引下，有学生课后深入探索仪器缺陷，提出了改进螺旋测微计方案，并成功申请了螺旋测微计的实用新型专利.

4　结束语

立足于课堂生态建设而重新架构的大学物理实验课程教学模式，更具人本情怀，更为关注学生身心及能力和素质的发展. 课程只是教学媒介，人的发展才是一切课程的根本. 在这样的教学模式下，个体的发展不仅在于自己优秀，还在于为他者留有发展空间. 不同个体之间，不同小组之间在利益的博弈中谋取共同发展. 反思自己亦反思他人；说服自己亦说服他人会是课堂的常态. 它会是一种与传统课堂完全不同，鼓励探索、创新、反思、对话，鼓励竞争但更鼓励协作的新型课堂文化. 这种课堂文化对学生的熏染濡化功能是任何线上慕课所不能替代的. 如果操作得好，教学理念能被有效践行，通过大学物理实验课程发展学生科学素质，实现科学课程所能给予的学生能力发展，甚至于课程去促进个体智商、情商、逆商、社交商的协调发展都不仅仅是空话. 在大数据的时代，善加利用媒体资源，强化实体课堂自身优势，用更鲜活的教育引领学生成长于现实世界，会具备更为深刻的超越课程本身的意义.

[1]郭丽君,陈中. 试析教育生态学的学科定位[J]. 现代大学教育, 2016(2):1-5.

[2]姚小云. 教学研究型大学本科课程生态化有效教学模式建构[J]. 牡丹江教育学院学报,2016(3):104-106.

[3]张晓文. 生态视域下班级文化的生态内涵、特征和功能[J]. 现代教育科学，2016(4):114-117.

[4]孙丹,殷际文,李舰君. 论教育生态学视角下大学英语教学创新[J]. 黑龙江高教研究,2013,31(5):189-190.

[5]邢红军. 原始物理问题解决的自组织表征理论与实证研究[D]. 北京：北京师范大学,2010.

[6]熊新农,康念铅,周培聪,等. 基于卓越人才培养的大学物理自适应生态教学[J]. 高等农业教育,2016(1):58-61.

[7]教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会. 理工科类大学物理课程教学基本要求、理工科类大学物理实验课程教学基本要求: 2010年版[M]. 北京：高等教育出版社,2011.

[8]陈桂云,戴存礼. 面向学生发展的多元化大学课程体系构建[J]. 中国农业教育,2014(5):25-29.

[9]陈桂云. 大学基础物理课程价值的人本视角[J]. 中国农业教育,2009(6):34-37.

[10]陈桂云. 人本视角下的大学物理课程地位和作用[J]. 高等理科教育,2011(6):121-125.

[责任编辑：任德香]

Classroom ecology of college physics experiment course

CHEN Gui-yun, WU Wei, ZENG Lun-wu

(College of Engineering, Nanjing Agriculture University, Nanjing 210031, China)

The theory and method of educational ecology was applied to study the college physics experiment course. It was pointed out that the classroom ecology of the course had not yet shown overall balance, beneficial interaction among teacher, student and environment. In view of concept, frame structure, environment field construction, education object reforming, teaching process reengineering and evaluation methods, the classroom ecosystem was reconstructed in a more humanistic mode. The structural framework of classroom ecosystem was given. The building of an interactive classroom, the reorganization of the content, teaching process and evaluation methods which could be used to enhance the vitality of ecosystem were also discussed.

college physics experiment; classroom ecology; teaching model

2016-06-03

南京农业大学教育教学改革研究项目(No.2015Y054);南京农业大学工学院基础课部教育教学改革研究项目

陈桂云(1971-)，女，江苏淮安人，南京农业大学工学院副教授，博士，研究方向为课程与教学论.

G642.423

B

1005-4642(2016)10-0017-06

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文