论实验数据“共享”教学模式下学生研究性学习能力的培养

边红霞，屠 鹏，胡 冰，肖 雯

（甘肃农业大学 理学院，甘肃 兰州 730070）

实验教学是指根据一定目的，运用一定的仪器、设备等物质手段，在人工控制的条件下，观察、研究自然现象及其规律的教学实践形式，是学习知识，获取经验事实和检验科学假说、理论真理性的重要途径。它不仅包括仪器、设备、实验的物质对象，还包括实验者之间的协商、交流和资金的获取等相关社会因素。[1]在实验课教学过程中，以小组学习为主要组织形式，与同学协同合作，发现问题，提出问题，解决问题，自主探究性地进行知识的整合与建构过程，对学生研究性学习能力的培养起着重要的作用。[2]传统的实验教学模式通常是实验指导教师先进行大约四五十分钟的理论讲授，然后学生分组进行实验。这种教学模式在实验室设备台套数充足的基础实验课教学中，实施起来相对较容易。在教师讲授完原理和实验器材的使用后，学生即可开始实验操作，实验过程中学生能够保持对理论知识进行验证的强烈兴趣，所以实验者专注力较高，实验过程也可得心应手。但是，在很多理工科高校的专业实验教学中，存在着由于一些大型实验设备价格较高，学校很难同时配备足够设备来满足学生实验需求的问题，导致实验效率不高。而使用大型实验设备进行实验教学，恰恰是培养学生研究性学习能力的一个重要手段。有时在实验中为了验证结果，往往需要测试各种不同情况下的多组数据，并且每组测试都需要较长时间。在这种情况下，如果每个小组都进行各种情况的测试，必然会导致实验过程较长，且实验效率不高，教师和学生的实验负担过重。[3]针对此问题，笔者在教学实践中探索实施实验数据“共享”的实验教学模式，是一个比较好的解决办法。实验数据“共享”教学模式是指在大型实验设备不足的实验教学过程中，学生分组进行各种不同情况的实验测试，待实验全部完成后各小组进行数据“共享”，学生通过对“共享”的数据进行综合分析，得出最终实验结论的一种实验教学模式。该模式的特点是不同组别的实验者通过与他人实验数据的共享，自主探究性地进行知识的整合与建构，对学生研究性学习能力的培养有着极大的促进作用。但是，“共享”实验数据的教学模式怎样既保证实验教学质量，又能培养和提高学生的研究性学习能力，是摆在部分专业实验课程教师面前的一个难题，同时对教师的教学组织和管控能力提出了新的要求。下面，笔者以《材料力学性能实验》教学实践为例，探讨“实验数据‘共享’模式”在教学过程的组织和管理中如何促进学生研究性学习能力的提升，希望能为面对同类实验教学问题的高校实验教师及实验管理人员提供借鉴。

1 实验数据“共享”模式下的实践教学过程组织

笔者所在的材料力学性能实验室配有2kN的电子万能实验机一台，要为60人的班级开设材料的拉伸、压缩和弯曲等三个实验，实验量大幅超出设备日荷载量。以拉伸实验为例，为了让所有学生都能参与实验，两人一组，全班被分成30个小组，上下午各15组。按每组拉伸实验约需15～20分钟计算，排在第15组的同学大约要等待4～5小时，除去测量试样基本参数及理解实验内容所用时间，大部分时间都处于观察前面小组实验过程或等待中。同样，排在前面已经完成实验的同学，除去测量试样基本参数、理解实验内容和处理数据的时间，也会消耗大部分时间以等待实验结束。这样的实验教学过程，一方面使实验课堂纪律难以约束，学生学习兴趣不足。另一方面，15～20分钟时间学生只能进行一种拉伸变形速率的测试，不能获得全面的实验结果，导致学生对实验教学效果不认可，大型设备使用过程中学生研究性学习能力的培养更是无从谈起。

1.1 预习

实验指导教师在实验前一周下发参考资料，告知学生实验材料、电子万能实验机型号、处理数据用软件等基本信息。要求学生查阅资料，掌握实验材料的基本特征，着重关注材料的力学性能指标，查阅“拉伸变形速率对材料性能影响”的相关文献资料；了解实验设备的用途、测力范围及精度；下载相关数据处理软件，并熟悉其基本使用方法。

1.2 各小组实验任务分配

实验指导教师在实验前通知学生两人一组自由组合成30组，抽签决定实验次序。然后，按表1所示的六个拉伸变形速率给各组分配实验任务。前24组中每一个拉伸变形速率下有四个重复组，如果重复组中个别实验不成功或误差较大，剩余25～30组的同学可以进行重复实验，保证各拉伸变形速率下重复组数目足够且相同。实验结束后由学习委员将各组数据统一拷贝并负责传递给各小组。

表1 拉伸实验组别及任务分配

1.3 实验过程中学生任务安排

实验指导教师在实验开始前讲授材料拉伸性能的评价指标及测定方法，并介绍万能电子实验机的使用方法及注意事项。在一组学生做实验时，教师要求其他组同学开始实验准备，不能处于空闲等待状态。首先安排学生对试样进行测量标注，学习对单组实验数据的基本处理方法。同时要求学生继续学习“拉伸变形速率对材料性能影响”的相关文献资料，让学生形成材料力学性能受变形速率影响的概念，互相讨论不同拉伸变形速率下材料的特征参量及表征方法，形成如何展示材料性能随变形速率变化的共识。最后，在实验结束后，教师简单向学生介绍数据处理软件，给出作图标准，要求学生利用不同拉伸变形速率下的实验数据，研究材料的力学性能随拉伸变形速率的变化规律。

1.4 学生“共享”实验数据形成报告

在实验结束后，每组学生都获得了一种拉伸变形速率下的实验数据，如弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率等基本的材料拉伸性能指标，并将各自获得的实验数据与其他组同学进行共享。全体学生即可获得不同拉伸变形速率下的丰富实验数据，可以对不同拉伸速率下材料的性能进行比较分析。

图1不同变形速率下某高分子材料拉伸工程应力-应变曲线

图1 为某组学生通过对共享的实验数据处理后得到的各变形速率下某高分子材料拉伸的工程应力-应变曲线，图中显示材料的拉伸性能随变形速率而发生变化，让学生对该实验得到直观和全面的印象。

表2 各变形速率下某高分子材料的屈服强度和延伸率

同时，学生通过对各重复组实验数据的进一步整理分析，还可获得材料在不同变形速率下的屈服强度和延伸率数据（见表2）。通过表中数据学生可以发现材料的屈服强度随变形速率增大而增大；延伸率在变形速率为100mm/min和50mm/min时，明显比高变形速率和低变形速率时要小，从而理解和掌握延伸率的不确定特性。

2 实验数据“共享”教学模式能够培养学生的研究性学习能力

与上面的实验教学过程相比较，传统实验教学模式中每组学生在完成自己的实验任务后，只是按照教师的实验指导处理数据，书写实验报告，完成实验教学任务。这种看似完整的教学过程，实质上还是按照一定的“老套路”进行的。学生难以发挥学习的主动性，学习需要得不到满足。教师安排的预习、查阅资料等任务，对学生而言没有动力，不被学生所重视。学生既不用投入大量的智力，也不用查阅资料，完全将学习变为“只需要付出有限智力的体力劳动”，而没有激发出学生的“学习需要”。

图2 研究性学习的需要驱动阶段图

“学习需要”即求知欲，是人类最基本的需要之一。[4]马斯洛的需要层次理论认为，人的需要是分层次的，低级需要获得满足后，高一级需要才会出现。[5]在实验数据“共享”教学模式下，学生在完成自己的实验测试任务后，教师的教学和学生的学习过程都还没有结束，研究性学习的内容才刚刚拉开序幕：为了满足学生的“学习需要”，实验指导教师会将学习过程分为图2所示的两个主要阶段，即正确性需求下心理满足研究性学习与未知问题解决需要的研究性学习阶段。首先，学生都有知道其结果正确性的需求，为了满足学生的需求，教师鼓励学生进行文献资料查阅，对比了解实验数据的正确性。如果正确，学生心理获得满足；如果不正确，学生从实验过程的进行、数据记录与处理各个环节寻找问题的原因，最后问题获得解答，学习心理获得满足，研究性学习能力提升。在数据正确性需求的层次得到满足后，学生对材料性能研究的更深层次需要才显现出来，学生会思考材料为什么会具备这样的特征?例如，针对“为什么实验材料的延伸率在拉伸变形速率为100mm/min和50mm/min时变小”的问题，教师可以指出判断材料延性的另一指标是断面收缩率，引导学生测量并收集各拉伸变形速率下所有试样的断面收缩率，以便进一步证明其是由材料本身的性能引起的，还是由材料中的夹杂物引起的？如果断面收缩率能够证明材料的延性变化，那么学生就会形成该材料在上述两种变形速率下延性降低的认知结果。如果断面收缩率不能佐证材料的延性变化，那么学生就要进一步思考查找材料内部存在的问题。对于这些问题的逐步解决，使学生不断陷入需要升级的状态，将学习引入更深层次，让其进入真正的研究性学习状态，学习心理会获得极大满足。整个实验过程完成后，学生和教师都会发现实验数据“共享”教学模式不仅解决了大型实验设备不足的问题，保证了实验教学的质量，又培养和提高了学生的研究性学习能力。

3 结 语

本文针对普通高校中普遍存在的大型实验设备不足的问题，以材料力学性能实验教学为例，通过实施各小组实验数据“共享”模式下的研究性教学方法，改革了传统实验教学模式，在实验中学生经历了获取信息、筛选信息、研究信息的实验数据“共享”过程，将获取到的信息与理论知识进行关联，并通过一系列的思维加工，最终获得了对材料力学性能的综合认识。该实验教学模式注重学习的自主性、探究性和综合实践性，[6]为学生创设了“研究性”学习氛围，从学习需求的逐层满足出发，促进了学生学习方式的根本性改变，激发了学生的学习欲望，提高了实验课程的教学效果。在实验数据“共享”模式下学生研究性学习能力的培养过程中，教师做为实践过程的主导者，组织和管控了教学过程。而学生做为参与主体，通过智力投入和创造性的实践经验活动，理解并内化了知识，提升了研究性学习能力。[7]这种实验数据“共享”模式的实验教学方式，不但有效解决了一些高校大型实验设备不足的问题，同时又培养和提高了学生的研究性学习能力，具有一定的现实意义。