基于迁移理论提升大学物理实验教学质量的探索与实践

姜寒玉，何 军，丁作铭，张开杨，褚红燕

(南京师范大学 物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

培养学生的创新精神和实践能力是当今高等教育的核心和最终目的.习近平同志指出，“惟改革者进，惟创新者强，惟改革创新者胜.” 通过融合创新、追求一流育人质量，需要把握因材施教的原则，本科生教育要注重让学生获得开展融合创新所需要的知识基础[1].因此探索新的教育模式从而带动整体人才培养质量的提高，是新时期高校教育教学的发展目标.

大学物理实验是一门重要的基础课程，对培养学生严谨的科学素养和创新实践能力有着无可替代的作用，它也是学生进入大学学习的第一门实验课程，更为后续的课程培养正确的学习态度.然而该课程实践性强，学生在学习中遇到困难易知难而退，同时大学一年级开设课程较多，有限的精力更多关注本专业课程，对物理实验只抱着“修学分”的态度，长此以往很难提高学生对大学物理实验的重视程度.此外传统的教学过程多未以学生为“中心”，只注重“教得好”，未注重“学得好”，难以激发学习兴趣和潜能，更无从谈及创新精神的培养.

基于此，本文尝试在南京师范大学理工科专业的大学物理实验课程中实施基于学习迁移理论的混合教学模式(图1)，采用肖像式结构原则进行课前预习，将探究式教学方法贯穿授课过程，最后完成课后拓展创新的反馈和强化.这一模式的实施有效提高了教学效率，激发了学习兴趣，增强了学生的探究和创新能力，以期为高校物理实验课程的教学改革研究提供一定的参考.

图1 基于迁移理论的肖像式结构原则混合探究式教学模式

迁移是一种基本的学习现象，是知识在新条件下的重新建构，包括对知识的进一步学习、对知识的深化理解、对知识的心理应用范围的扩充[2].奥苏贝尔认为，有意义的学习迁移，都是在原有知识结构的基础上产生的[3].传统的大学物理实验教学主要采用示例教学，学生对实验课的学习存在知识结构的认知碎片化，学习迁移效率较低.结构主义学者布鲁纳认为，将知识组织起来的最理想方式是建立知识结构，使个别事实与知识结构发生联系，对已学的基础知识，可以实现普遍迁移，缩小“初级”知识与“高级”知识之间的差距[5].学生在一定知识领域内的知识结构，具有概括性，清晰性和稳定性等特征，当学生在学习新知识时，上述特征的利用性越高，可辨别性越大，认知结构的迁移性越好[4].

为了提高学习迁移的针对性和有效性，课前采用肖像式结构原则对知识和规律进行梳理，构建思维逻辑和知识体系，包括简化的图解、知识树和系统图等形式，经济有效的将知识结构再现[5].这一学习过程使学生脱离原本机械式的“死记硬背”，提高学生提出问题和解决问题的能力[6].迁移涉及知识的意义与应用范围两个不可分割的方面，知识的意义要通过知识的应用来理解[2]，因此在大学物理实验教学过程中应用探究式教学手段是合理且恰当的[7,8].学生通过独立进行实验操作，并在实验过程中进行思考、交流和表达，可以增加迁移时的知识获得、技能提高和主观能动性，进而培养探究精神和创新能力[9].根据以上原则，本文实施了以下的教学模式.

1 课前预习及调研

1.1 肖像式结构原则进行课前预习

为了提高课堂学习效果，促进学习的有效迁移，在向学生传授新知识之前，让学生呈现一个短暂的具有概括性和引导性的说明，能够简单、清晰的意识新旧知识之间的关联性.这种知识和态度的迁移观教学策略在我校大学物理实验教学中，取得了积极的教学效果.我们鼓励学生采用肖像式结构原则，利用知识树、系统图等形式有效梳理实验原理、目的和过程并提出问题，变被动接受为主动求知(图2).大学物理实验课程的教学对象涉及物理学、能源动力、电气工程、数学、化学、地理科学、计算机7个专业，共424人.经统计，368位学生采用这一形式进行了课前预习，在已有的知识体系上延伸了实验内容，提出知识梳理中遇到的问题，实验在生活和科研中的拓展等，学生带着问题和思考进入课堂，并对课堂学习具有一定的期待度，调动了学习积极性，转变了学习态度，无形中完成了知识体系的迁移.

学生通过知识梳理，已了解基本概念和实验原理，以“用电流场模拟静电场”为例[10](图2(a))，提出为什么用电流场模拟静电场，需要的模拟条件是什么？此方法是否适用于各种不同形状的带电体？有无更便捷的方法？以“空气中声速的测量”为例[10](图2(b))，提出了驻波法和相位比较法二者的原理差异是什么？各自的优缺点是什么？导致本实验产生误差的因素有哪些？可见，这种预习形式使学生们有效梳理了知识体系，不是空着脑袋，而是带着思考进入课堂，明确自己掌握什么、解决什么，教师们也可以根据学生的实际情况，科学合理的设置教学过程，明确自己要讲什么、怎么讲，将学生的知识和态度有效迁移至课堂教学.

图2 结合肖像式结构原则完成的预习报告

1.2 课前调研

大学物理实验是相关专业学生学习的第一门实验课程，它不仅是培养学生科研探究能力和创新思维的重要课程，也需为学生在后续课程学习中培养良好的学习态度.每个学生在进入课堂之前，已经具有一定的知识体系和组织特征，这些都会影响未来的学习效果.因此作为教师，不应忽略这些经验和特点，而是引导学生在“原有的”知识点上“生长”出“新的”知识点[11]，进一步完善他们的知识体系.

为了了解学生的学习态度和知识储备的长短板，为后续将迁移理论延伸进入探究式教学奠定基础[4]，设置了课前调研，内容包括物理学基础知识储备量，对常用仪器、基本测量方法和实验数据处理方法的了解程度，以及对物理学及物理实验的兴趣程度等.问卷采用无记名方式，共发放424份，回收384份，问卷结果和数据采用Excel进行整理和录入.

通过对实验涉及的基础知识储备调查发现，力学基本概念了解比例占27.5%，光学和电学均占24.4%，热学为23.7%.对实验基本仪器的了解情况，力学占38.3%，光学和电学分别占21.2%和21%，热学为19.5%.可见学生对力学基本理论和相关仪器掌握较好，如弹性模量、简谐振动、转动惯量、螺旋测微器、游标卡尺等基本概念和器具都有一定的了解，在后续探究式教学中可进行适当拓展和提升.光学和电学实验相关理论和仪器掌握还需加强，尤其是与分光计、光栅、移测显微镜等相关的实验.热学的知识体系最为薄弱，在后续教学中我们加强了基本理论、实验原理和操作过程的讲授。

2 探究式教学贯穿课堂

探究式教学过程可概括为围绕问题展开探究、取得事实依据、解释问题、对比评价、表达交流[12]。通过肖像式结构原则的课前预习，学生们已经基本了解了每个实验项目，并提出需解决的问题.知识储备调研后有针对性的进行教学设计，查缺补漏，尽力做到有的放矢，将学生课前的知识体系有效迁移至探究式教学过程中，起到承上启下的作用.首先教师整理学生提出的所有问题，进行归纳总结，根据学生掌握情况，合理安排教学内容，围绕问题展开，深度理解实验原理，并以学生为主体，开展课堂讨论和交流，充分调动学生的主观能动性(图3).探究式教学过程结束后，通过课后反思启示，强调迁移反馈的及时性，过早则增加记忆负担，过晚则无指导作用[13].学生可以小组为单位，通过讨论和查阅资料等多种形式完成.

图3 探究式教学课堂设计示例

探究式教学本身具有启发性和引导性，在前期肖像式结构原则的基础上，应用在大学物理实验课程具有良好效果，对学生的迁移学习有极大的影响，同时学习态度也由“被动”转变为“主动”，学生带着问题更大限度的参与到课堂中，在实验过程中主动思考，分析并最终解决问题.

3 反馈与强化

3.1 课后启迪创新

基于迁移理论的肖像式结构原则混合探究式教学模式，以提高学生的创新能力为最终目标.结构主义理论的反馈强化原则强调，没有反馈就没有教学.除了课后的反思启示，还鼓励学生通过独立选题、设计思路、分析探索，创造新的研究成果，锻炼科研实践能力，将课堂知识能够充分的反馈和强化，通过知识应用实现迁移的意义，这一模式下学生取得了较多的创新成果(表1).

表1 部分优秀获奖作品

3.2 教学效果调研分析

为了了解这一教学模式与教学效果之间的相关性，本文再次进行了问卷调研，问卷内容分为学习态度和学习效果调查两大类，包括兴趣度、科研实践意愿、选取提高性和综合性实验项目的期待度，实验内容了解度、实验结果的理想程度等共16个问题.共收取有效问卷331份，问卷结果和数据采用Excel进行整理和录入，通过SPSS软件进行“降维-因子”分析问卷的合理性，将选择“很感兴趣”或“总是”的赋值5分，“有一定兴趣”或“多数是”赋值3分，“不太感兴趣”或“很少可以”赋值1分，并剔除全赋值相同(如全部为“很感兴趣”)的问卷，分析得到调研结果(软件给出的结果至小数点后三位).

表2 旋转后的成分矩阵反应调研因子归属关系

结果发现，各设置问卷变量标准差均在0.950～1.500之间，说明问卷变量都具有参考价值，可以很好的反映教学模式与教学效果之间的相关性.经巴特利特球形检验表明，显著性概率为0.000，P小于0.050，相关矩阵不是一个单位矩阵，可以进行因子分析，KMO(取样适切性量数)值为0.874，大于0.600以上，意味着很适合进行因子分析.采用主成分分析法，通过矩阵旋转简化数据结构，简洁的反映了所有调研因子之间的归属关系.由表2可知，归纳为“兴趣度”(变量1-4)、“教学过程”(变量5-10)、“教学结果”(变量11-13)、“迁移结果”(变量14-16).此外，通过总方差解释，4个因子共解释了原始变量之总变量的59.054%.整体而言，该因子分析效果较好，具有良好的代表意义.

根据SPSS探索出的4个维度，进行问卷分析，结果见表3.学生在兴趣度维度表现优秀的比例最高，达42.2%，良好达42%，总比为84.2%.课前调研结果显示，对物理学科“非常感兴趣”的占23.7%，“有一定兴趣”的占45.2%，总比为68.9%，对物理实验“非常感兴趣”的占24.3%，“有一定兴趣”占46.9%，总比为71.2%.有进行实验拓展和提升意愿的占71.5%.分析比较课前课后两次调研结果，说明这一教学模式有效调动了学生的学习兴趣.结合探究式的教学过程维度总体表现良好，总比达95.7%.教学结果维度总体表现良好，总比达92.7%，从知识体系迁移效果维度来看，优秀比例为44.2%，良好为46.1%，说明学生在整个学习过程中完成了知识体系的完善和有效迁移，经过考核对比，优秀及良好比率高达95.7%(见表4).可见，基于迁移理论的肖像式结构原则、混合探究式教学模式在我校大学物理实验课程中的实施获得良好效果.

表3 实施混合式教学模式教学效果调研结果

表4 混合式教学方法考核结果对比

4 结束语

基于迁移理念改进的大学物理实验课程的教学模式，融入了肖像式结构原则指导的课前预习和探究式教学过程.通过实践，该教学模式完善了知识结构的系统性，提高了教与学的针对性，弥补了示例教学过于固化的被动式学习，转变了学生对实验课程的态度认知，变被动接受为主动求知，使学生的实验过程从机械性的简单重复走向深度理解，提高了教学效率，使学生在知识迁移的过程中不仅完善了知识体系，也提高了学习能力，增强了学生的创新能力和解决问题的能力.