淺析還原科學(xué)研究的過(guò)程論文
摘要：我國基礎教育長(cháng)期的應試訓練對高等教育的影響正逐步顯現。許多學(xué)生平時(shí)不學(xué)、考前才學(xué)的不良學(xué)習習慣給當前的高等教育帶來(lái)了問(wèn)題:如何培養學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng )新能力?如何培養學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和勇于質(zhì)疑的科學(xué)精神?本文通過(guò)一次大學(xué)物理探究課的實(shí)踐經(jīng)歷, 嘗試為解決這些問(wèn)題提供可行的方案。該探究課以磁鐵作為研究對象, 從生活情境——磁鐵斷裂現象引出問(wèn)題, 組織學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習、小組實(shí)驗、報告猜想、討論分析、推理總結等環(huán)節, 使學(xué)生親身體驗科學(xué)研究的過(guò)程, 在課堂探究過(guò)程中自然構建物質(zhì)的磁性、磁疇、居里點(diǎn)、磁化等重要物理概念, 最終用物理理論解釋了“磁鐵斷裂后, 它們以斷裂面靠近時(shí)可能出現的現象”及其產(chǎn)生原因。
關(guān)鍵詞：探究; 大學(xué)物理; 創(chuàng )新能力; 教學(xué)實(shí)踐; 科學(xué)精神; 科學(xué)態(tài)度;
恢復高考40年來(lái), 從不足5%到超過(guò)70%的錄取率顯示了我國高等教育“從精英教育到大眾教育”的轉變。我國高等教育實(shí)現了“高等教育覆蓋更多人群”的目標, 但也出現了諸多引發(fā)關(guān)注的問(wèn)題。如, 在當前社會(huì )環(huán)境下, 由于家長(cháng)、學(xué)校多以高校錄取率來(lái)衡量中學(xué)教師的執教水平, 因此使最容易顯效的應試教育模式成為眾多中學(xué)教師的無(wú)奈選擇。這最終導致以題海戰術(shù)為主的教學(xué)方法在我國基礎教育領(lǐng)域不僅沒(méi)有逐步消亡, 在某些地區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(cháng)期應試訓練的學(xué)生, 而不得不深陷應試教育的泥潭。
以大學(xué)物理課程為例, 雖然它是理工科專(zhuān)業(yè)的基礎課, 但學(xué)生往往認為它不屬于本專(zhuān)業(yè)而單純以通過(guò)課程考試為學(xué)習目的。他們在多年的應試訓練下, 課堂上以聽(tīng)和看為主, 課后不以抄襲作業(yè)為恥, 養成了平時(shí)不認真學(xué)、考前突擊背作業(yè)、重點(diǎn)分析歷年試題的不良學(xué)習習慣。這無(wú)疑給注重培養學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng )新能力的高等院校提出了現實(shí)的問(wèn)題———如何糾正學(xué)生的不良習慣?如何培養學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和勇于質(zhì)疑的科學(xué)精神?
科學(xué)研究一般要經(jīng)歷觀(guān)察、提出假設、推理演繹、實(shí)驗論證、修正假設等過(guò)程, 因此經(jīng)歷科學(xué)研究的全過(guò)程是培養研究者科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的重要途徑。然而在目前高等院校的大學(xué)物理理論課上, 教師往往通過(guò)講解或演示實(shí)驗向學(xué)生展示科學(xué)研究的過(guò)程, 極少有機會(huì )讓學(xué)生親身體驗。缺乏體驗使不少學(xué)生覺(jué)得大學(xué)物理枯燥乏味, 理論艱深難懂。那么教師改變教學(xué)方法, 讓學(xué)生獲得應有的體驗, 應該是改善大學(xué)物理課堂教學(xué)效果的有效策略。
實(shí)驗探究法[1]作為強調學(xué)習過(guò)程的一種教學(xué)方法, 它充分體現了建構主義理論中“由學(xué)習者建構自己的知識經(jīng)驗”來(lái)激發(fā)推理、分析、鑒別等高級思維活動(dòng)的核心思想。實(shí)驗探究可以使學(xué)生擺脫對知識不加理解、機械記憶的學(xué)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(jìn)行實(shí)質(zhì)的聯(lián)系, 從而實(shí)現有意義的學(xué)習[2]。為此, 我們以磁鐵為對象進(jìn)行了大學(xué)物理課堂的探究式教學(xué)實(shí)踐。
1 精選教學(xué)內容確定研究對象
在大學(xué)物理的教學(xué)內容中, 電磁學(xué)部分占比最高[3]。有關(guān)鐵磁質(zhì)的知識在其中屬于B類(lèi)內容, 但其涵蓋了物質(zhì)的磁性、磁疇、居里點(diǎn)、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(shí)用價(jià)值, 它在生產(chǎn)生活中容易被學(xué)生接觸到, 所以很適合作為研究的對象。
2 巧設教學(xué)環(huán)節還原科研過(guò)程
1) 以自主學(xué)習奠定研究基礎
自主學(xué)習一直是高等教育倡導的學(xué)習方式。同伴教學(xué)法 (Peer Instruction, 簡(jiǎn)稱(chēng)PI) 被認為是以學(xué)生自主學(xué)習為基礎, 通過(guò)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)解決物理概念教學(xué)難點(diǎn)的有效方法[4]。筆者在4年多的PI實(shí)踐教學(xué)中, 針對廣西師范大學(xué)400多名不同專(zhuān)業(yè)的理工科本科生進(jìn)行了問(wèn)卷調查。我們發(fā)現:超過(guò)65%的學(xué)生都是按部就班地上課, 課后沒(méi)有進(jìn)行必要的復習和預習, 只有不到25%的學(xué)生能堅持課外自學(xué)[5,6]�；诖�, 為了保證探究教學(xué)的有效進(jìn)行, 我們將學(xué)生的部分自學(xué)任務(wù)調到了課堂上。這保證了學(xué)生在探究前有一定的知識儲備, 有利于后續高質(zhì)量的探究。
2) 以情境教學(xué)引出科研問(wèn)題
以生活中的真實(shí)情境構建物理圖像一直是物理教師常用的教學(xué)手段之一。情境教學(xué)將來(lái)源于生活的真實(shí)場(chǎng)景展現給學(xué)生, 通過(guò)教師的引導, 使學(xué)生實(shí)現從真實(shí)情境到物理圖像的遷移, 有助于學(xué)生思維從形象到抽象的轉化。為此, 在本案例中, 教師首先通過(guò)一張“冰箱吸鐵石斷裂成兩段”的圖片幫助學(xué)生在頭腦中構建真實(shí)的情境。以問(wèn)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(shí)會(huì )出現什么現象?”直接給出研究的問(wèn)題。
3) 以測試題揭示錯誤思維
學(xué)習的過(guò)程是學(xué)習者不斷拋棄或修正錯誤的舊知識、建構新知識的過(guò)程。而錯誤的思維方式和固有經(jīng)驗會(huì )妨礙學(xué)生構建新知識。因此了解學(xué)生錯誤的固有經(jīng)驗和思維方式, 并就此進(jìn)行針對性的教學(xué)是幫助教師突破教學(xué)難點(diǎn)的有效途徑�；诠P者多年的PI教學(xué)經(jīng)驗, 我們將2) 中的研究問(wèn)題設計為以下測試題, 以便了解學(xué)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(shí)會(huì )出現什么現象? ()
A.吸引;B.排斥;
C.既不吸引也不排斥;D.以上答案都不對。
學(xué)生通過(guò)回憶以往的生活經(jīng)驗和所學(xué)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(shí)踐中發(fā)現選擇A和B的人數相當, 比例較高。答案的不統一將引發(fā)學(xué)生的思維沖突, 激起他們的求知欲。此時(shí), 教師在不公布答案的前提下, 組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗將有助于他們帶著(zhù)問(wèn)題進(jìn)行有目的的探究。
4) 以分組實(shí)驗進(jìn)行實(shí)證探究
合作學(xué)習近年來(lái)備受關(guān)注, 來(lái)自不同研究小組的實(shí)踐研究證實(shí):3~4人的合作小組是提高小組成員學(xué)習質(zhì)量最適合的人數配額。因此, 我們將學(xué)生分為了多個(gè)3~4人的學(xué)習小組, 并通過(guò)發(fā)放白板吸鐵石、小磁針、小刀、剪刀、磁性門(mén)簾吸條等常見(jiàn)物品組織學(xué)生在課堂上進(jìn)行分組探究。學(xué)生可以利用小刀、剪刀對白板吸鐵石和門(mén)簾吸條實(shí)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(shí)驗報告呈現科學(xué)猜想
在實(shí)驗探究的過(guò)程中, 我們要求學(xué)生以統一格式記錄每個(gè)實(shí)驗操作以及相應觀(guān)察到的實(shí)驗現象, 并通過(guò)小組討論給出相關(guān)原理的'猜想。在本次實(shí)踐教學(xué)中, 不少學(xué)生是將白板吸鐵石摔斷的。這些學(xué)生發(fā)現:由于磁鐵斷裂的方向不可控制, 因此會(huì )觀(guān)察到不同的實(shí)驗現象———測試題A、B、C選項的對應現象都可能出現。此時(shí)學(xué)生結合之前自學(xué)的知識并經(jīng)過(guò)小組討論, 給出了自己的科學(xué)猜想。
6) 以討論+視頻驗證科學(xué)假設
學(xué)生分組實(shí)驗后, 教師就回收的實(shí)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(xué)生了解不同小組的探究過(guò)程以及科學(xué)猜想。此外, 考慮到現場(chǎng)實(shí)驗的有限性以及科學(xué)研究的嚴謹性和邏輯性要求, 教師在學(xué)生講述后, 展示了事先拍攝的實(shí)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(shí)驗過(guò)程, 同時(shí)也使前面的探究活動(dòng)自然上升到科學(xué)研究的水平。
7) 以分析總結修正科學(xué)推理
通過(guò)以上環(huán)節, 學(xué)生自然得出了本次探究實(shí)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(xiàn)方向截斷磁鐵, 并觀(guān)察斷裂面靠近時(shí)的現象;
(3) 沿垂直于磁鐵原磁感線(xiàn)方向截斷磁鐵, 并觀(guān)察斷裂面靠近時(shí)的現象;
(4) 對不同形狀的磁鐵重復以上步驟;
(5) 觀(guān)察磁鐵長(cháng)時(shí)間被切割機切割后的現象;
(6) 總結實(shí)驗現象并提出猜想。
這時(shí), 教師和學(xué)生對所有實(shí)驗現象進(jìn)行分析總結, 可以歸納出以下結論:
(1) 沿平行磁鐵原磁感線(xiàn)方向截斷磁鐵并使斷裂面靠近時(shí), 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(xiàn)方向截斷磁鐵并使斷裂面靠近時(shí), 磁鐵因斷裂面的磁性相反而相互吸引;
(3) 切割機長(cháng)時(shí)間切割磁鐵可能導致磁鐵溫度超過(guò)居里點(diǎn), 此時(shí)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(shí)出現的現象與磁鐵原來(lái)的形狀無(wú)關(guān)。
8) 以始問(wèn)終答實(shí)現完整教學(xué)
本案例的實(shí)踐探究以一個(gè)問(wèn)題開(kāi)始, 此后的多個(gè)環(huán)節基本呈現了科學(xué)研究的必經(jīng)流程。學(xué)生在課堂中體驗了“建立圖像、獨立思考、動(dòng)手探究、提出猜想、討論推理、分析總結”的過(guò)程, 并最終發(fā)現前文題目的正確答案是D。也就是說(shuō), 本次教學(xué)實(shí)踐始于問(wèn), 終于答, 實(shí)現了課堂教學(xué)的首尾呼應。
3 通過(guò)課后反思促進(jìn)教學(xué)相長(cháng)
教學(xué)的基本要素中除了教學(xué)目的、教學(xué)方法和教學(xué)過(guò)程外, 教學(xué)反思也極其重要。本案例的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間約為80分鐘, 其中學(xué)生實(shí)驗探究的時(shí)間約占一半。在實(shí)驗探究的過(guò)程中, 我們注意到一些在教師主講的傳統課堂中往往不會(huì )被發(fā)現的問(wèn)題:不少學(xué)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(méi)有其他磁鐵存在的情況下, 磁針所指的哪個(gè)是地球磁場(chǎng)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(shí), 一些學(xué)生對“如何校正可能被磁化的小磁針?”的問(wèn)題束手無(wú)策, 而另一些學(xué)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(jìn)行校正。這些發(fā)現令筆者感嘆:雖然學(xué)生都知道“同性磁極相互排斥, 異性磁極相互吸引”的簡(jiǎn)單原理, 但他們實(shí)際運用原理的能力卻差異甚大。
本次教學(xué)實(shí)踐達到了讓學(xué)生經(jīng)歷科研過(guò)程的目的, 實(shí)現了“以學(xué)生為主體, 以教師為引導”的“翻轉課堂”的教學(xué)理念。在學(xué)生方面, 很多學(xué)生認為這樣的課堂氣氛活躍, 動(dòng)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(xué)生認為知識點(diǎn)不多, 用80分鐘來(lái)學(xué)習太浪費, 應該多講習題提高解題能力。在教師方面, 教學(xué)過(guò)程仍有不少值得改進(jìn)的地方———因為白板吸鐵石不容易撬取、分割, 未來(lái)可以選用更容易在課堂上切割的磁鐵;教師應提前規定實(shí)驗報告的格式, 否則很可能無(wú)法在學(xué)生的實(shí)驗報告中獲取有用的信息;不少實(shí)驗報告體現出學(xué)生的文字表達水平不高, 未來(lái)可以鼓勵學(xué)生結合圖形圖表提高書(shū)面表達能力。對于部分學(xué)生因應試教育導致的過(guò)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, 讓學(xué)生在課后學(xué)習不失為一個(gè)很好的補償方案。
雖然本次實(shí)踐教學(xué)有助于糾正學(xué)生的不良習慣, 有利于培養學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和勇于質(zhì)疑的科學(xué)精神, 但“極少學(xué)生能提出有價(jià)值的問(wèn)題�！钡默F實(shí)仍讓筆者深感遺憾。創(chuàng )新首先源于問(wèn)題的發(fā)現, 要培養創(chuàng )新型人才就要提供更多機會(huì )讓學(xué)生提出有價(jià)值的問(wèn)題。因此, 如何提升大學(xué)生提出高質(zhì)量問(wèn)題的能力, 值得我們思考。
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