验证性实验教学改革的探索*

王国霞

(北京科技大学　自动化学院，北京　100083)



验证性实验教学改革的探索*

王国霞

(北京科技大学自动化学院，北京100083)

文章首先分析了验证性实验过程中的人为因素使实验过程缺乏研究性、探索性，导致该验证性实验颇受诟病而逐渐被弱化，然而验证性实验教学是一种不可或缺的教学形式，对它进行改革是必要的。文章把基于问题式实验教学引入验证性实验教学，对该教学形式进行改革。详细阐述了基于问题式的实验教学及其应用实例，并对改革后验证性实验教学效果进行了定量分析。定量分析的结果说明基于问题式的实验教学改革后的验证性实验教学取得了良好的教学效果。

验证性实验教学；教学改革；问题驱动；基于问题式的实验教学

目前，基于培养学生创新性思维能力和较强实践能力的工程应用型人才的需求，很多高校因验证性实验中缺乏探索性、研究性而弱化并大幅降低其在实践教学中的比重。实际上，验证性实验是高校重要的教学形式之一，是高校教学中不可或缺的一环。本文提出了应用基于问题式的实验教学方法改革验证性实验教学，可使该实验教学同样充满探索性、研究性而重展风采。

一、验证性实验教学的现状及其在教学中的作用

传统验证性实验教学之所以在高校实践教学中备受诟病而逐渐失去其生命力，是因为它在教学中存在一系列问题。

首先是对验证性实验教学的认识不正确。无论是教师还是学生一直认为验证性实验就是验证某些一定正确的定理或规律，没有把探索性、设计性的因素考虑进来，更没有把它看做培养学生探索精神、研究能力及创新性思维能力的一个重要教学环节。

其次是教学内容的问题。传统验证性实验教学的教学内容仅仅是验证某一定理的正确性，内容单一且枯燥。

最后就是教学方法的问题。传统验证性实验教学都是采用知识重现的教学方法，即把课堂教学的理论知识详细重现在实验指导书中，包括实验方法、实验仪器、实验步骤，甚至是实验结果及其呈现形式、实验数据的处理方法等。教师驾驭整个教学过程，学生只是“照方抓药”。

从上述的分析可以看出，传统验证性实验之所以颇受诟病，不在于验证性实验本身，而是实验教学当中的人为因素[1-2]导致了教学过程中多驾驭，少自由；多求同，少求异；多再现，少探究；多封闭，少开放。学生只要按照既定程序照做，甚至是不做实验完全依靠理论推导也可得到实验结果。

实际上，验证性实验教学如同探索性、开放性的综合实验一样都有着重要的作用。纵观人类科学史可以发现验证性实验起到了极大的推动作用，比如著名的万有引力定律的建立、相对论、麦克斯韦电磁场理论的建立都是先有理论后有验证实验来验证的[3]151-154。比如电路中的叠加定理，教师告诉学生对比实验结果是否和定理相符，和教师引导学生通过实验找到规律进而明白叠加定理这两种教学方法对学生的启迪作用是不言而喻的。如果不注重教学方法和对学生的引导[3]151-154，验证性实验教学存在的问题同样存在于探索性、设计性实验中。所以对传统验证性实验教学进行改革，变验证性实验教学为探索性、研究性的实践教学是非常必要的，也完全是可行的。

二、基于问题式的实验教学

基于问题式的实验教学(Problem-Based-Experimental-Teaching，简称PBET)的理论基础是问题驱动式教学。2004年，张奠宙教授和张萌南教授以《新概念：用问题驱动的数学教学》[4]为题，首先提出了问题驱动式教学方法，并得到了广泛认可。问题驱动式教学方法和我国古代孔子的“不愤不启，不悱不发”的教学思想及古希腊苏格拉底的启发式教学都异曲同工。基于问题式的实验教学把问题驱动教学方法引入实验教学，把问题导入实验教学过程，以解决问题为教学主线，以培养学生的问题意识、批判性思维技巧、解决问题的实践能力以及创新型思维[5-8]为主要教学目标。

众所周知，人类科学史上探索自然、认识自然、发现科学规律，一般都是先实践而后理论，也就是说先有实验，通过实验发现规律，归纳出理论。基于问题式的实验教学和这一基本规律不谋而合。通过问题的导入以引发学生的思考，把探索性、研究性、开放性、设计性的因素引入验证性实验。基于问题式的实验教学强调以下几个方面：

第一，教师是教学过程的引导者和辅助者，学生是实验的主体。在实验过程中，教师以问题为引导，帮助学生借助一定学习资料，在实验中自行研究和探索，通过建构主义的方式不断地从已知到未知再到新的已知，从而在实验过程不断获取新知。

第二，自主解决问题是教学过程的主线。在实验的不同阶段，以不同的问题为驱动力，引导学生尝试可能的方法解决问题，从而培养学生的问题意识、批判性思维技巧以及解决问题的实践能力作为教学的主要目标。

当然，基于问题式的实验教学中的问题不是课后习题或者普通的问题，而是具有启发性、引导性、探索性、能激发学生思维模式产生变化的问题。但这些问题通常又是朴素的，能对学生起到“润物细无声”的效果。另外一个方面就是问题提出的时间节点，在不同的教学阶段提出合适的问题，可以达到“好雨知时节，当春乃发生”的效果。

第三，培养学生的创新性思维能力和研究能力，让它成为教学过程的原动力和推动力。教育不应仅仅是现有知识的传授，更重要的是培养学生勇于对未知领域的探索精神及拥有创新的思维能力和研究能力。创新分为问题创新和方法创新[9]，前者是指提出新的问题，后者是指提出或改进了勇于解决问题的思想、方法、方案或流程等。无论是哪种创新的起步都是始于发现问题，然后通过对研究对象的渐次追问和探究，逐步发现其本质的学习和研究的过程。

三、基于问题式的实验教学在验证性实验教学的应用

本文以自动控制理论课程为例来说明基于问题式的实验教学在验证性实验教学的应用，也是利用基于问题式的实验教学改革验证性实验教学的一种探索。自动控制理论具有理论性强、教学要求高、内容抽象、学习难度大等特点，对于初涉专业课学习的学生而言，其学习难度更大，激发学生的学习兴趣，培养良好的学习方法和思考习惯，对后期专业课的学习及能力的培养能打下坚实的基础。

(一)验证性实验的引入阶段

验证性实验的引入阶段发生在实验开始之前和实验初期，在这一阶段首先要激发学生探索的欲望，同时还要引导学生通过资料查阅实现从抽象到具体、从理论到实践的转化，降低理论学习难度，帮助学生抓住课堂知识点的核心及内在联系，巩固课堂教学效果。

这一阶段的驱动问题具有如下特点：(1)单目标或单参数描述和解释的相关问题[8]3；(2)某个知识点在某个或某些特定或特殊情况下的描述和分析的问题；(3)某些知识点某项控制指标的描述和解释问题；(4)某种实验方法的描述和分析的问题；(5)实验结果描述和分析方法的问题。

以“控制系统的时域响应”这一实验为例，该实验的实验目的是研究二阶系统的特征参量对过度过程的影响，并研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线。该实验阶段提出了“不同阻尼比下的动态响应曲线有何区别？自然振荡频率对二阶系统动态性能有什么影响？”“实验所得的响应曲线和理论分析所得曲线有不同吗？如何看待这种不同？分析产生不同的原因”等问题。

(二)实验的发展阶段

这一实验阶段发生在实验进行的整个过程，是在学生对课堂教学的知识点有了深入的掌握后，引导学生开拓思维，自觉地发现问题、提出问题和自主寻找实验方法解决问题，培养学生的问题意识、批判性思维技巧以及解决问题的实践能力。

这一阶段的驱动问题首先要蕴含更多的探索性，把带有未知性的、不确定性的实验过程和结果以问题的形式引入实验，以引导学生带着兴趣和欲望积极探索。同时，这一阶段的驱动问题还要带有一定的设计性，引导学生把已知的知识点重新构建形成新的知识。此外，其问题还要带有一定的开放性，比如解释型问题、理解型问题、个性化问题等，给学生充分的自由思考和操作的空间。

这一阶段的驱动问题具有如下特点：(1)多参数、多目标系统在不同情况下的描述和分析问题；(2)某理想工程问题的数学描述或解释的相关问题；(3)包含了一系列简单问题的综合性问题；(4)具有某个主题的问题，需要学生通过多个理论知识点的联系、推导、反复计算、多次实验才能获得结果的综合性问题。

就“控制系统的时域响应”这一实验而言，这一阶段的任务是学生能利用之前学习的知识，构造硬件模拟系统来模拟二阶控制系统，并通过相应硬件的调整以调整系统的特征参量。鉴于学生综合利用知识进行设计的能力基本没有训练过，驱动问题的设计注重了逐步引导，比如“一阶系统具有哪些特性？和之前学过的哪种硬件的响应特性相似呢？可以用该硬件模拟一阶系统吗？”在学生经过测试得出结论后，又适时给出下面的问题，比如“二阶系统有哪些特性呢？可以在一阶系统的基础上得到某二阶系统吗？”等等。一系列的问题引导可以使大多数学生顺利完成知识构建，顺利搭建硬件模拟系统，并找到系统各参量的计算方法。学生在不断探索—实验—再探索、再实验的过程中不断发现问题、提出问题并解决问题，逐步地启蒙着他们的创新性思维能力。

(三)实验的延伸阶段

这一实验阶段发生在实验即将结束和结束后，其教学既要完成知识点间承上启下的任务，更要引导学生在已有新知的基础上，敢于质疑，勇于发现问题、提出问题，培养学生的创新性思维能力和研究能力。

本阶段的驱动问题要引导学生合理假设和大胆预测，合理的假设和大胆预测一直以来在科学理论形成中扮演着重要的作用。在验证性实验中引导学生对下一个知识点进行合理假设和预测，在后期的课堂教学和实验教学中再进一步验证。这样既可以进一步增加验证性实验的探索性，又可激发学生对新知识的渴望。

这一阶段的驱动性问题具有如下特点：(1)某一知识的延展性问题；(2)某一问题的反问题；(3)某问题在不同条件下的描述和分析问题；(4)某实验现象的假设性或预测性问题；(5)某问题可能存在的条件的描述和分析问题。

就“控制系统的时域响应”这一实验而言，课堂教学的下一个知识点是系统的稳定性判定，劳斯判据的应用。这一阶段的驱动问题首先引导三阶系统的硬件模拟系统的建立，然后给出相应的驱动问题，引导学生对系统的稳定性与否有直观认识，比如“你的三阶系统稳定吗？如何调节参数使系统稳定？”再进一步引导学生发现系统稳定性影响因素，进而思考判稳关注点，比如“硬件系统中的参数调节和控制系统的哪方面相关？如何影响到了你的三阶系统呢？”等等。这样的引导大大激发了学生探索欲望和学习新知识的渴望，也锻炼了通过实验验证未知的能力。

四、应用效果分析和结论

应用基于问题式的实验教学改革验证性实验教学的教学效果从驱动问题质量的考查和教学效果综合评价两个方面进行评价。

本文把我院自动化专业5个班按照学号的前后划分为3段，再随机从3段中各抽取6人，形成了90人的一个学生样本。自动控制原理共有7个实验，取其中的3个验证性实验为实验教学的样本。

(一)基于问题式的实验教学的驱动问题质量考查

在基于问题式的实验教学中，设置的驱动问题的质量对教学效果会产生极大的影响。对不同实验阶段的驱动问题从难度、区分度和信度几个方面来考查驱动问题的质量。

问题的难度是考查驱动问题的难易程度的数量化指标，采用如式(4.1)的方法计算[10]14：

(4.1)

(4.2)

其中Dj表示第j部分的难度。并且Dj取值0.3～0.5为宜，当Dj大于0.7为难题，Dj小于0.2为易题。Fj为第j部分的总分数。

问题的区分度是鉴别学生的高、低、优、劣能力的指标，计算方法如式(4.3)所示[10]13：

(4.3)

其中Wij表示第i部分第j题的区分度，当取值0.4以上为优良，0.3～0.39为良好题，0.2～0.29为一般，0.2以下为劣。Hij、Lij分别表示高低分组中第i部分第j题的平均分，高低分组各占样本的25%和30%。

信度是鉴别问题是否真实反映学生水平程度的指标，计算方法如式(4.4)所示[10]13-16：

(4.4)

自动控制原理三次验证性实验中的驱动问题的难度、区分度和信度测量值如表1所示。

表1　问题质量考查结果

(二) 改革后验证性实验教学效果综合评价

教学是“教”与“学”的密切配合，是教师和学生默契互动，所以本文对教学效果综合评价从学生对教学效果的评价、专家对教学效果的评价和教师对学生学习效果的评价[11]三方面出发。

学生是改革后实验教学的教学主体，学生也是教学效果最直接的享受者，学生对教学效果的评价是最直接的。但学生对教学效果的评价容易受主观的影响而有失公正，比如学生会不喜欢授课教师或不喜欢该课程等。专家对教学效果的评价会增加结果的全面性和客观性，我校和我院都成立了教学督导小组，不间断地对教师的授课听课、评课，他们对教学效果的评价比较科学。

无论是学生还是专家的评价都从教学内容、教学方法和授课效果三个方面进行，采用问卷的方式，问卷中的各项取不同数值，总分符合百分制，问卷如表2所示。

表2　教学效果评价问卷表

教师对学生学习效果的评价主要包括实验过程中学生成绩(30%)和考试成绩(70%)，把三次验证性实验的平均分值作为教学效果评价的分值。综合以上分析，改革后验证性实验教学教学效果综合评价的方法如式(4.5)所示：

综合评价值=α×学生评价分值+β×专家评价分值+γ×教师对学习效果评价

(4.5)

其中α，β，γ为权重参数，可根据实际情况调整各部分所占权重。本文中分别取0.2、0.5、0.3。为了增加客观性，本文分别计算了三个年级的同次实验教学的效果评价值，分别为89、94、86。

(三)结论

从表1的计算结果可以看出，基于问题式的实验教学中应用的驱动问题难度和教学目标相当，对不同层次的学生有良好的区分能力，也能反映出学生的真实水平。从教学的综合评价效果看也都达到了优的水平，由此可以看出采用基于问题式的实验教学改革传统验证性实验获得了学生、专家和教师的高度认可。

综上可以看出基于问题式的实验教学引入的问题得当，起到了应有的启发和引导的作用，而教学效果的评价说明了应用基于问题式的实验教学改革验证性实验教学取得了良好的改革效果，该方法可以推广到其他的实验教学形式中去。对实践教学效果的评价方法进行针对性研究是本文进一步研究的目标。

[1]袁霞.验证性实验教学改革探讨[J].大学物理实验，2012，25(2)：94-96.

[2]李凤兰，许小庆.机械专业验证性实验的设计与实践[J].实验技术与管理，2012，29(12)：138-140.

[3]王国霞，王尚君.基于社会网络分析和建构主义的课程设计教学方法改革[J].高等理科教育，2013(增刊)：151-154.

[4]张奠宙，张萌南.新概念：用问题驱动的数学教学(续)[J].高等数学研究，2004，7(3)：8-10.

[5]张尊举.以问题为驱动的环境综合实验教学方法探讨[J].中国环境管理干部学院学报，2014，24(3)：74-77.

[6]韩旭里.问题驱动的数学教育观及教学实践[J].高等理科教育，2014，116(4)：84-88.

[7]吴丹霞.“问题驱动”数学教学模式的研究及对策[D].信阳：信阳师范学院，2014.

[8]付冬梅.问题驱动的教学方法研究与实现[J].大学教育，2014(4)：1-3.

[9]张强.质疑与创新：问题驱动教学模式研究[C]//信息技术环境构建与教学应用.中国教育技术协会，2009：4.

[10]马少仙.试卷质量的统计分析方法[J].西北民族学院学报(自然科学版)，2001，22(4)：13-16.

[11]牛惠芳，王淑玉.教学效果评价方法研究[J].数学教育学报.2010，19(2)：89-91.

(责任编辑李世萍)

CONTENTS

Theoretical Exploration

Reflections on Education Research and Discipline Construction：Inspiration from Medical Science

HE Shu-tong(1)

Research on the Evolution of the Relationship between Teachers and Students Based on the Development of Media Technology

CHEN Qiao-yun(8)

Construction and Analysis of Online Micro-course Instructional Design Mode Based on Kemp Mode

MO Li-ping (14)

Higher Education Talents Training from the Perspective of Life Philosophy

CHEN Chun-mei (20)

To Reshape the Future Elite：

the Analysis of Training Outstanding Normal Students in Local Normal Universities

FAN Dong-qing & Zuo Bing(26)

Window of Management

Return to Course Essence：Quality Management of Universities' Online Courses

GAO Bei-lei(31)

Measurement and Analysis of Spatial Agglomeration Degree in Provincial Higher Education of Science and Engineering

WANG Zhang-bao et al.(37)

Construction of Target Management Mode in University and Performance Evaluation from the Perspective of Careersmart Balanced Scorecard

YANG Wei et al.(44)

Platform Construction on Teaching Skills Cultivation for Normal University Students Based on the Micro-video Technology

—Taking Computer Normal Major in Nanjing Normal University as an Example

DAI Nan & CHEN Xian(52)

Global Vision

Study on Undergraduate Innovation Education of Hydrology and Water Resources in America

SONG Song-bai et al.(59)

Academic Forum

Investigation on the MPCK Development of Undergraduates in the Normal Universities and Colleges

CHEN Bei(67)

Teaching Reform

Research on the Self-organizing Teaching Method of Curricular Experiment Safety Education Based on the WeChat Public Platform

WANG Ming-da et al.(74)

Thinking and Practice on the Specialized Courses of the Flipped Teaching Mode Based on the Micro-lecture

LIU Rui et al.(79)

Discussion on Course Teaching and Experience of Analytical Chemistry Experiment Teaching

LIU Quan-yong et al.(84)

Application of Smart Phone in the Biology Field Practice

PAN Jian-bin et al.(93)

Instructional Design of Digital Circuit Based on the Concept of CDIO Education

SONG Cai-xia et al.(98)

Construction of the Experiment and Practice Teaching System under the Background of the Engineering Education

—Taking "Electrochemical Theory and Testing Technology" as an Example

SHAO Yan-qun et al.(104)

Exploration on the Reform of Verificaton Experiment Teaching

WANG Guo-xia(109)

Study on the Construction of Climate Changes and Civilization Course in a Freshmen Seminar

FANG Xiu-qi(114)

Historical Review

Cultivating the Basic Ability of Scientific Innovation Ability：Historical Evolution and Logic Operation of Upbringing Education in Japanese Universities

DING Jian-yang(119)

Contents

(126)

Establishing the Top Universities Cultivating the Information Talents

(Inside Front Cover)

Exploration on the Reform of Verificaton Experiment Teaching

WANGGuo-xia

(School of Automation and Electrical Engineering，University of Science & Technology Beijing，Beijing，100083，China)

This paper shows that the artificial factors make verification experimental lack of research and exploration，which to some extent weakens the verification experiment and is vilified by people.However，it is still a necessary teaching form and needs to be reformed.Meanwhile，the paper brings the experimental teaching mode based on the question into the verification experimental teaching and reform.Moreover，the teaching method and examples of verification experimental teaching reform are all discussed in detail through some quantitative analysis.The result proves that the reform above achieves a good teaching effect.Key words：verification experimental teaching；teaching reform；question-driven；the experimental teaching based on the problems

2016-03-31

教育部第一批“卓越工程师教育培养计划”实施学校(61所)、教育部第五批高教学校特色专业建设项目“自动化CDIO特色建设”(项目编号：TS2422)；北京科技大学校级教改项目.

王国霞(1974-)女，河南平顶山人，讲师，博士，主要从事实验教学与管理、个性化信息获取研究.

G642.0

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