還原科學研究的過程
——基于一次大學物理探究課的實踐

劉柏云 王珊珊 張妙靜

(廣西師范大學物理科學與技術(shù)學院，廣西 桂林 541004)

恢復高考40年來，從不足5%到超過70%的錄取率顯示了我國高等教育“從精英教育到大眾教育”的轉(zhuǎn)變。我國高等教育實現(xiàn)了“高等教育覆蓋更多人群”的目標，但也出現(xiàn)了諸多引發(fā)關(guān)注的問題。如，在當前社會環(huán)境下，由于家長、學校多以高校錄取率來衡量中學教師的執(zhí)教水平，因此使最容易顯效的應試教育模式成為眾多中學教師的無奈選擇。這最終導致以題海戰(zhàn)術(shù)為主的教學方法在我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域不僅沒有逐步消亡，在某些地區(qū)甚至有愈演愈烈之勢。這一趨勢不但使各高等院校難以獨善其身，而且還因為其所接收的大多是接受了長期應試訓練的學生，而不得不深陷應試教育的泥潭。

以大學物理課程為例，雖然它是理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課，但學生往往認為它不屬于本專業(yè)而單純以通過課程考試為學習目的。他們在多年的應試訓練下，課堂上以聽和看為主，課后不以抄襲作業(yè)為恥，養(yǎng)成了平時不認真學、考前突擊背作業(yè)、重點分析歷年試題的不良學習習慣。這無疑給注重培養(yǎng)學生科學探究能力和創(chuàng)新能力的高等院校提出了現(xiàn)實的問題——如何糾正學生的不良習慣？如何培養(yǎng)學生正確的科學態(tài)度和勇于質(zhì)疑的科學精神？

科學研究一般要經(jīng)歷觀察、提出假設(shè)、推理演繹、實驗論證、修正假設(shè)等過程，因此經(jīng)歷科學研究的全過程是培養(yǎng)研究者科學態(tài)度和科學精神的重要途徑。然而在目前高等院校的大學物理理論課上，教師往往通過講解或演示實驗向?qū)W生展示科學研究的過程，極少有機會讓學生親身體驗。缺乏體驗使不少學生覺得大學物理枯燥乏味，理論艱深難懂。那么教師改變教學方法，讓學生獲得應有的體驗，應該是改善大學物理課堂教學效果的有效策略。

實驗探究法[1]作為強調(diào)學習過程的一種教學方法，它充分體現(xiàn)了建構(gòu)主義理論中“由學習者建構(gòu)自己的知識經(jīng)驗”來激發(fā)推理、分析、鑒別等高級思維活動的核心思想。實驗探究可以使學生擺脫對知識不加理解、機械記憶的學習方法，使他們將符號所代表的新知識與已有的概念和知識進行實質(zhì)的聯(lián)系，從而實現(xiàn)有意義的學習[2]。為此，我們以磁鐵為對象進行了大學物理課堂的探究式教學實踐。

1 精選教學內(nèi)容確定研究對象

在大學物理的教學內(nèi)容中，電磁學部分占比最高[3]。有關(guān)鐵磁質(zhì)的知識在其中屬于B類內(nèi)容，但其涵蓋了物質(zhì)的磁性、磁疇、居里點、磁化等重要物理概念。另外，鐵磁質(zhì)在工程等方面有廣泛的應用，具有很高的實用價值，它在生產(chǎn)生活中容易被學生接觸到，所以很適合作為研究的對象。

2 巧設(shè)教學環(huán)節(jié)還原科研過程

1) 以自主學習奠定研究基礎(chǔ)

自主學習一直是高等教育倡導的學習方式。同伴教學法(Peer Instruction，簡稱PI)被認為是以學生自主學習為基礎(chǔ)，通過師生互動、生生互動解決物理概念教學難點的有效方法[4]。筆者在4年多的PI實踐教學中，針對廣西師范大學400多名不同專業(yè)的理工科本科生進行了問卷調(diào)查。我們發(fā)現(xiàn)：超過65%的學生都是按部就班地上課，課后沒有進行必要的復習和預習，只有不到25%的學生能堅持課外自學[5,6]?；诖耍瑸榱吮ＷC探究教學的有效進行，我們將學生的部分自學任務(wù)調(diào)到了課堂上。這保證了學生在探究前有一定的知識儲備，有利于后續(xù)高質(zhì)量的探究。

2) 以情境教學引出科研問題

以生活中的真實情境構(gòu)建物理圖像一直是物理教師常用的教學手段之一。情境教學將來源于生活的真實場景展現(xiàn)給學生，通過教師的引導，使學生實現(xiàn)從真實情境到物理圖像的遷移，有助于學生思維從形象到抽象的轉(zhuǎn)化。為此，在本案例中，教師首先通過一張“冰箱吸鐵石斷裂成兩段”的圖片幫助學生在頭腦中構(gòu)建真實的情境。以問題：“一塊磁鐵斷裂成兩塊后，當這兩塊磁鐵以斷裂面相互靠近時會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？”直接給出研究的問題。

3) 以測試題揭示錯誤思維

學習的過程是學習者不斷拋棄或修正錯誤的舊知識、建構(gòu)新知識的過程。而錯誤的思維方式和固有經(jīng)驗會妨礙學生構(gòu)建新知識。因此了解學生錯誤的固有經(jīng)驗和思維方式，并就此進行針對性的教學是幫助教師突破教學難點的有效途徑。基于筆者多年的PI教學經(jīng)驗，我們將2)中的研究問題設(shè)計為以下測試題，以便了解學生頭腦中的前概念或錯誤思維：

題目： 一塊磁鐵斷裂成兩塊后，當這兩塊磁鐵以斷裂面相互靠近時會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ ( )

A. 吸引； B. 排斥；

C. 既不吸引也不排斥； D. 以上答案都不對。

學生通過回憶以往的生活經(jīng)驗和所學知識并稍加思考后，可以就此給出自己的答案。由于他們往往只考慮磁鐵斷裂的一種情況，因此實踐中發(fā)現(xiàn)選擇A和B的人數(shù)相當，比例較高。答案的不統(tǒng)一將引發(fā)學生的思維沖突，激起他們的求知欲。此時，教師在不公布答案的前提下，組織學生進行分組實驗將有助于他們帶著問題進行有目的的探究。

4) 以分組實驗進行實證探究

合作學習近年來備受關(guān)注，來自不同研究小組的實踐研究證實：3～4人的合作小組是提高小組成員學習質(zhì)量最適合的人數(shù)配額。因此，我們將學生分為了多個3～4人的學習小組，并通過發(fā)放白板吸鐵石、小磁針、小刀、剪刀、磁性門簾吸條等常見物品組織學生在課堂上進行分組探究。學生可以利用小刀、剪刀對白板吸鐵石和門簾吸條實施撬取、剪斷等操作；利用小磁針可以探測磁鐵的磁極方向。

5) 以實驗報告呈現(xiàn)科學猜想

在實驗探究的過程中，我們要求學生以統(tǒng)一格式記錄每個實驗操作以及相應觀察到的實驗現(xiàn)象，并通過小組討論給出相關(guān)原理的猜想。在本次實踐教學中，不少學生是將白板吸鐵石摔斷的。這些學生發(fā)現(xiàn)：由于磁鐵斷裂的方向不可控制，因此會觀察到不同的實驗現(xiàn)象——測試題A、B、C選項的對應現(xiàn)象都可能出現(xiàn)。此時學生結(jié)合之前自學的知識并經(jīng)過小組討論，給出了自己的科學猜想。

6) 以討論+視頻驗證科學假設(shè)

學生分組實驗后，教師就回收的實驗報告邀請具有代表性的小組走上講堂分享看法。這可以使學生了解不同小組的探究過程以及科學猜想。此外，考慮到現(xiàn)場實驗的有限性以及科學研究的嚴謹性和邏輯性要求，教師在學生講述后，展示了事先拍攝的實驗視頻——利用切割機切割不同形狀強磁鐵的視頻。這些視頻既補充了部分不宜在課堂中操作的實驗過程，同時也使前面的探究活動自然上升到科學研究的水平。

7) 以分析總結(jié)修正科學推理

通過以上環(huán)節(jié)，學生自然得出了本次探究實驗較完整的步驟：

① 利用小磁針測量磁鐵的磁極方向；

② 沿磁鐵原磁感線方向截斷磁鐵，并觀察斷裂面靠近時的現(xiàn)象；

③ 沿垂直于磁鐵原磁感線方向截斷磁鐵，并觀察斷裂面靠近時的現(xiàn)象；

④ 對不同形狀的磁鐵重復以上步驟；

⑤ 觀察磁鐵長時間被切割機切割后的現(xiàn)象；

⑥ 總結(jié)實驗現(xiàn)象并提出猜想。

這時，教師和學生對所有實驗現(xiàn)象進行分析總結(jié)，可以歸納出以下結(jié)論：

① 沿平行磁鐵原磁感線方向截斷磁鐵并使斷裂面靠近時，磁鐵因斷裂面的磁性相同而相互排斥；

② 沿垂直于磁鐵原磁感線方向截斷磁鐵并使斷裂面靠近時，磁鐵因斷裂面的磁性相反而相互吸引；

③ 切割機長時間切割磁鐵可能導致磁鐵溫度超過居里點，此時磁鐵因磁疇被破壞而失去磁性；

④ 嚴重的摔打可能導致磁鐵因磁疇被破壞而失去磁性；

⑤ 磁鐵斷裂后，以斷裂面靠近時出現(xiàn)的現(xiàn)象與磁鐵原來的形狀無關(guān)。

8) 以始問終答實現(xiàn)完整教學

本案例的實踐探究以一個問題開始，此后的多個環(huán)節(jié)基本呈現(xiàn)了科學研究的必經(jīng)流程。學生在課堂中體驗了“建立圖像、獨立思考、動手探究、提出猜想、討論推理、分析總結(jié)”的過程，并最終發(fā)現(xiàn)前文題目的正確答案是D。也就是說，本次教學實踐始于問，終于答，實現(xiàn)了課堂教學的首尾呼應。

3 通過課后反思促進教學相長

教學的基本要素中除了教學目的、教學方法和教學過程外，教學反思也極其重要。本案例的實踐教學時間約為80分鐘，其中學生實驗探究的時間約占一半。在實驗探究的過程中，我們注意到一些在教師主講的傳統(tǒng)課堂中往往不會被發(fā)現(xiàn)的問題：不少學生，尤其是女生，雖然知道小磁針可以測量磁極，但卻不敢確定在沒有其他磁鐵存在的情況下，磁針所指的哪個是地球磁場的北極或南極；又如，當教師提到小磁針可能由于課前保存不當被磁化時，一些學生對“如何校正可能被磁化的小磁針？”的問題束手無策，而另一些學生則想到可以利用手機的指南針，或者用已知的地理南北方向進行校正。這些發(fā)現(xiàn)令筆者感嘆：雖然學生都知道“同性磁極相互排斥，異性磁極相互吸引”的簡單原理，但他們實際運用原理的能力卻差異甚大。

本次教學實踐達到了讓學生經(jīng)歷科研過程的目的，實現(xiàn)了“以學生為主體，以教師為引導”的“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學理念。在學生方面，很多學生認為這樣的課堂氣氛活躍，動手探究和分組討論能夠讓他們知道自己是否真正掌握了知識，希望以后能多上這樣的課。但是，也有部分學生認為知識點不多，用80分鐘來學習太浪費，應該多講習題提高解題能力。在教師方面，教學過程仍有不少值得改進的地方——因為白板吸鐵石不容易撬取、分割，未來可以選用更容易在課堂上切割的磁鐵；教師應提前規(guī)定實驗報告的格式，否則很可能無法在學生的實驗報告中獲取有用的信息；不少實驗報告體現(xiàn)出學生的文字表達水平不高，未來可以鼓勵學生結(jié)合圖形圖表提高書面表達能力。對于部分學生因應試教育導致的過度重視做題的習慣，筆者以為利用當前的互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，將例題講解以微課的形式呈現(xiàn)，讓學生在課后學習不失為一個很好的補償方案。

雖然本次實踐教學有助于糾正學生的不良習慣，有利于培養(yǎng)學生正確的科學態(tài)度和勇于質(zhì)疑的科學精神，但“極少學生能提出有價值的問題。”的現(xiàn)實仍讓筆者深感遺憾。創(chuàng)新首先源于問題的發(fā)現(xiàn)，要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才就要提供更多機會讓學生提出有價值的問題。因此，如何提升大學生提出高質(zhì)量問題的能力，值得我們思考。

[1] 許云鳳.探究式教學與傳授式教學辨析[J]. 教育探索，2006(7)：22-24.

Xu Yunfeng. Analysis on inquiry teaching and traditional teaching[J]. Education Exploration, 2006(7)： 22-24. (in Chinese)

[2] 陳琦,劉儒道.當代教育心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2007:163-165.

[3] 理工科類大學物理課程教學基本要求(2010年版)[M].教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會.北京：高等教育出版社，2011:1-15.

[4] Mazur E.同伴教學法——大學物理教學指南[M]. 張萍，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2011:1-213.

[5] 張妙靜，賴仿，楊醒.同伴教學遭遇的困難與應對方案——以廣西師范大學為例[J]. 高教論壇，2015,(8):50-53.

Zhang Miaojing, Lai Fang, Yang Xing.The difficulties and solutions in carrying out peer instruction——taking Guangxi Normal University as an example[J]. Higher Education Forum, 2015(8): 50-53. (in Chinese)

[6] 張妙靜，程蕾.同伴教學法應用效果分析//2014年全國高等學校物理基礎(chǔ)課程教育學術(shù)研討會論文集[J].物理與工程, 2014(S1):154-156.

Zhang Miaojing, Cheng Lei. Analysis on application effect of peer instruction//The memoir about national education seminar on university physics course in 2014[J], Physics and Engineering, 2014(S1): 154-156. (in Chinese)