大學(xué)物理的課堂教學(xué)革新路徑研究

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40多年前，認(rèn)知科學(xué)最重要的進(jìn)展就是發(fā)展了強(qiáng)有力的工具去深入研究思考和學(xué)習(xí)過程以及能力的提高方法。其中跟物理教學(xué)緊密相關(guān)的是增強(qiáng)了人們對能力本質(zhì)以及知識組織原則的認(rèn)識，這些都是人們解決科學(xué)問題的關(guān)鍵。對學(xué)習(xí)和知識遷移的研究揭示了構(gòu)建學(xué)習(xí)經(jīng)驗的重要法則，即積累的經(jīng)驗?zāi)軐⑺鶎W(xué)知識用于新的環(huán)境。這些基本認(rèn)識構(gòu)成了瑞士心理學(xué)家JeanPiaget結(jié)構(gòu)主義[2]的重要基礎(chǔ)。個體會主動的將所學(xué)的知識建構(gòu)起來，建構(gòu)過程需要學(xué)習(xí)者的精神參與但會受到已有知識的影響。如果已有知識與新知識相沖突，新構(gòu)建的知識結(jié)構(gòu)將不利于長期的記憶，同樣很難應(yīng)用于各種各樣的環(huán)境。認(rèn)知科學(xué)有三個最重要的發(fā)現(xiàn)，它們都跟物理教學(xué)密切相關(guān)：(1)進(jìn)入新的教學(xué)環(huán)境中的學(xué)生都不是一張白紙，他們腦中的先前概念要么來自生活經(jīng)驗，要么來自先前的課堂教學(xué)，沒有這些先前概念的參與過程，就不會掌握新的概念，抑或?qū)W習(xí)僅僅是為了應(yīng)付考試，新的知識無法在腦海中打下深深的烙印，一旦走出課堂就又回到原先的知識結(jié)構(gòu)；(2)具有深厚的事實性知識、在概念框架的背景下理解事實和思想以及以方便應(yīng)用的原則組織知識才是提高能力的重要因素；(3)元認(rèn)知，或者說對認(rèn)知的認(rèn)知可以幫助學(xué)生確立學(xué)習(xí)目標(biāo)并監(jiān)視實現(xiàn)目標(biāo)的進(jìn)程。

認(rèn)知科學(xué)上的重要結(jié)論對大學(xué)物理的課堂教學(xué)有著重要的啟示作用。先前的概念固然要參與新概念的形成過程，但是在傳統(tǒng)的教學(xué)方法下，機(jī)械的傳授往往會導(dǎo)致先前概念和新概念的沖突性。舉個例子來說，中學(xué)物理教材上的物理光學(xué)明確指出光是一種電磁波，光的波動性可以用來預(yù)測和解釋一切跟干涉、衍射以及偏振相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象。這種先入為主的觀點將使得學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中拒絕對具體的問題進(jìn)行更加深入的理解。對于像狹縫的寬度變窄，衍射的極小將遠(yuǎn)離圖案的中央如此簡單的問題，只有極少數(shù)學(xué)生能對此作出正確的推理。甚至有很多學(xué)生同時應(yīng)用幾何光學(xué)和物理光學(xué)去解釋衍射，即用幾何光學(xué)處理通過狹縫中心的光而用波動光學(xué)處理狹縫邊緣的光。這些不正確推理的出現(xiàn)或多或少都與先前概念的頑固性有關(guān)。

僅僅先前概念的頑固性這一個因素就足以引導(dǎo)學(xué)生走上認(rèn)識上的歧途，就更不用說像事實性知識缺乏、概念框架的不完整以及對元認(rèn)知的無知等其它因素的影響。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，這些跟能力培養(yǎng)息息相關(guān)的因素往往無法伸張。學(xué)生能力和創(chuàng)造性的培養(yǎng)必須充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，這是一切教學(xué)方法改革的關(guān)鍵所在。物理學(xué)工作者提出了很多的教學(xué)方法并完成了相關(guān)的測試和評估，如交互式教學(xué)法、情景教學(xué)法等。對我們而言，重要的不是創(chuàng)建新的教學(xué)方法，而是選取已有的教學(xué)方法并根據(jù)特定的教學(xué)對象和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整、完善和深化，真正做到為我所用。結(jié)合認(rèn)知科學(xué)上的重要發(fā)現(xiàn)以及目前工科學(xué)校的教學(xué)實踐，大學(xué)物理的課堂教學(xué)改革可以從以下幾個方面著手。

1細(xì)化教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)可以是一般性的，也可以是具體的。按照認(rèn)知科學(xué)家Bloom[3]的分類方法，教學(xué)目標(biāo)一般涵蓋知識、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評估六個方面。它們必須具體化并貫徹到大學(xué)物理的課堂教學(xué)中去：(1)正確使用物理概念和術(shù)語，對于相似的物理概念能夠作出明確的區(qū)分，如質(zhì)量和重量，磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，內(nèi)能和機(jī)械能等。(2)解釋主要組織原則和物理概念，特別是守恒定律，明確其應(yīng)用場合。(3)能夠辨認(rèn)出物理系統(tǒng)中的各種相互作用、特征和信息，對于其中存在的可以忽略不計的相互作用能夠作出判斷，如靜電庫侖相互作用中不考慮兩個帶電體之間的萬有引力。(4)識別和描述物理知識有用性范圍，理解物理和技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)方式，如電磁波和微波爐。

2把交互式教學(xué)方法引入課堂

交互式教學(xué)最早由Palincsar提出，之后又得到進(jìn)一步的研究和發(fā)展。這種教學(xué)方法又稱功能-意念法。它強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)必須以學(xué)生為中心，學(xué)生的積極參與要貫穿在教學(xué)過程中。采用此種教學(xué)方法的教師在課堂上將一些類似多項選擇的問題提供給學(xué)生。這些問題往往定位在定性的層面上，如若電路中的開關(guān)合上，燈泡L的亮度增加、減少還是不變？也可以是一些只需要在腦中進(jìn)行一步計算就可以完成的問題。干擾項一般都是學(xué)生最容易犯的邏輯推理錯誤，必須要求所有學(xué)生以一種匿名或者半匿名的方式對問題作出反應(yīng)，然后教師才能估計出學(xué)生對概念的掌握程度。如果某個概念能夠被很好的理解，則可以進(jìn)入下一個主題，但如果有不少學(xué)生選擇了錯誤的答案，教師則要求所有學(xué)生提供所選擇答案的原因。大多數(shù)情況下，那些選擇了正確答案的學(xué)生會設(shè)法說服他的鄰居，這種高效率的運作方式會讓大多數(shù)學(xué)生很快掌握相關(guān)概念。如果做不到這一點，教師需要作進(jìn)一步的解釋，尤其要注意先前概念導(dǎo)致的理解上的誤區(qū)。此時教師可以修改問題或者提供一個類似的問題要求學(xué)生作出第二輪反應(yīng)并展開討論。只有當(dāng)教師意識到所有的學(xué)生都漸漸理解了當(dāng)前概念并樂意接受正確的答案，才能進(jìn)入新的主題。當(dāng)然，交互式教學(xué)的具體執(zhí)行方式也是多樣化的，問題的回答可以以小組為單位，要求回答之前小組內(nèi)部必須達(dá)成共識；也可以將其中的一些問題作為課堂的小測驗，測驗結(jié)果以分?jǐn)?shù)的形式給出并就可能出現(xiàn)的錯誤答案隨堂展開討論。交互式教學(xué)有很多優(yōu)點。教師可以隨時評估學(xué)生對概念的理解，及時糾正理解上的偏差，這樣學(xué)生在后續(xù)概念的學(xué)習(xí)中就不會受到先前概念頑固性的影響。教學(xué)過程中學(xué)生積極主動的參與而不是被動的記筆記，他們會不斷的應(yīng)用所學(xué)概念并進(jìn)行檢驗。不僅教師和學(xué)生之間存在互動，這種課堂互動也存在于學(xué)生之間，因為處在同一個年齡段上，他們彼此之間的說服能力比教師對事物的語言描述更為有效。最為重要的是，已有眾多的教學(xué)實踐證明這種教學(xué)方法確實比傳統(tǒng)的課堂說教要好得多，它能把大學(xué)物理的教學(xué)目標(biāo)真正落實到課堂教學(xué)中，而不是停留在文字的層面上。既強(qiáng)調(diào)概念的定性理解，同時又重視物理概念和定律的實際應(yīng)用；既重視不同概念的邏輯聯(lián)系以建立物理概念的框架體系，又重視相似概念之間的區(qū)分及各自的實用范圍；既關(guān)注學(xué)生知識面的擴(kuò)大，更強(qiáng)調(diào)能力和創(chuàng)造性的培養(yǎng)。所有這些都是傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難做到的。

3建立合理的評估體系

任何一個成功的教學(xué)改革，最終都需要對教學(xué)實踐的效果作出合理的評估以測試教學(xué)目標(biāo)的完成情況。有幾種評估方法可供選擇。一種是總結(jié)性評估，即在課程結(jié)束時考察具體目標(biāo)的完成程度。我們最為熟悉的方式就是考試，通過考試我們了解學(xué)生對大學(xué)物理內(nèi)容的掌握情況。除了總結(jié)性評估外，形成性評估更為重要。這是一種動態(tài)的評估過程，它要求教師及時評估計劃在達(dá)成目標(biāo)過程中的進(jìn)展情況，一旦進(jìn)展不令人滿意，就需要對計劃作出相應(yīng)的修改。這種評估方法最容易在課堂教學(xué)中實現(xiàn)，其執(zhí)行結(jié)果是雙重的。一方面，我們希望參與大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)的學(xué)生能夠?qū)ξ锢砀拍钊〉酶鼮樯钊牒瓦B貫性的理解，并能把這些概念應(yīng)用到眾多的場合。另一方面，形成性評估的執(zhí)行過程本身就是現(xiàn)有交互式教學(xué)方法的修正和深化的過程，世界上沒有一成不變的教學(xué)方法，既然交互式教學(xué)以學(xué)生為主體，其教學(xué)方法就應(yīng)該因人而異。學(xué)生本身也應(yīng)該參與評估過程，他們要及時對課堂教學(xué)給出反饋意見。學(xué)生一旦對物理概念的本質(zhì)有了更加深入的理解，他們就會對物理課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生更加積極的態(tài)度。在這種前提下，當(dāng)要求對教師的課堂教學(xué)作出評價時，他們才會可能作出更加積極的反應(yīng)。

總之，交互式課堂教學(xué)是一種以學(xué)生為主體的創(chuàng)新式教學(xué)方法，它可以貫徹到工科大學(xué)大學(xué)物理的課堂教學(xué)中。以教學(xué)目標(biāo)為中心開展交互式課堂教學(xué)，把學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性最大程度的發(fā)揮出來，可以成為當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)改革的一個新的方向。（本文作者：陳昌兆 單位：安徽理工大學(xué)理學(xué)院）