工作室課堂及高校物理教學(xué)研究

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在世紀(jì)之交的前夕,美國高等教育界對(duì)如何在21世紀(jì)培養(yǎng)高質(zhì)量的人才進(jìn)行了高密度的探索.而在大學(xué)新生中如何進(jìn)行大學(xué)物理的教學(xué)改革,有一支研究力量異軍突起,這就是美國倫塞勒工學(xué)院(RensselaerPolytechnicInstitute,簡稱RPI).他們首創(chuàng)的“工作室物理”(StudioPhysics)是一種集成了理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式,不再區(qū)分大學(xué)物理理論課和實(shí)驗(yàn)課.該模式最先于1993年在教學(xué)中實(shí)踐.如今,不僅有StudioPhysics,還有StudioChenmistry,StudioClassforEngineeringAnalysis等[1].這種行之有效的教學(xué)模式在美國和中國的臺(tái)灣地區(qū)已經(jīng)實(shí)施并有明顯效果,在國內(nèi)卻鮮有介紹和應(yīng)用.本文作者之一在RPI物理系訪問一年,親自參加了StudioPhysics的教學(xué)活動(dòng),覺得有必要向國內(nèi)物理教學(xué)界介紹這一先進(jìn)的教學(xué)模式.

1什么是StudioPhysics

RPI將其特點(diǎn)歸納為[2]:集成化的理論講授和實(shí)驗(yàn)課,精簡的講授,高技術(shù)強(qiáng)化的學(xué)習(xí)環(huán)境,合作性的學(xué)習(xí)小組,以及師生間的高度互動(dòng).麻省理工學(xué)院(MIT)可能是使用StudioPhysics最具影響的學(xué)校,它對(duì)StudioPhysics的定義是[3]:一種對(duì)大學(xué)新生進(jìn)行大學(xué)物理教學(xué)的新模式(For-mat),其目的在于幫助學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象發(fā)展出好的直覺和概念模型.這一教學(xué)模式的中心是學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí).也就是利用網(wǎng)絡(luò)連接的電腦和桌面實(shí)驗(yàn)裝置,在高度合作和親自動(dòng)手的環(huán)境中學(xué)習(xí).

2StudioPhysics的具體實(shí)現(xiàn)

StudioPhysics的最大特點(diǎn)是將傳統(tǒng)授課和課堂活動(dòng)(In-classactivities)融為一體.下面,我們就教室、課堂講授和課堂活動(dòng)三方面分別介紹.標(biāo)準(zhǔn)的StudioPhysics需要在一個(gè)專門的StudioPhysics教室中進(jìn)行(參見圖1).這一教室除了具備我們一般多媒體教室的功能之外,在每一張課桌上都有網(wǎng)口和與LabProDevice相連接的USB接口.通過LoggerPro數(shù)據(jù)采集軟件,可以將桌上實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理,從而方便學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.課堂規(guī)模為48人(實(shí)際上可以為60~90人,主要受教室限制).每個(gè)班級(jí)配備一名主講教師,一名研究生助教,一名本科生助教.助教的作用是在課堂活動(dòng)期間巡視課堂,及時(shí)解決學(xué)生的問題.StudioPhysics仍然分為StudioPhysics1和StudioPhysics2(相當(dāng)于我們的大學(xué)物理1和2).總學(xué)時(shí)為120左右,每周兩次課,每次2學(xué)時(shí).StudioPhysics中包含的授課形式是:主講教師首先在課堂的第一部分內(nèi),以傳統(tǒng)授課形式介紹本次課的主要內(nèi)容和概念,并隨機(jī)解答課堂提問.然后學(xué)生在教師、助教的協(xié)助下開始本次課的課堂活動(dòng)(In-classactivities).要求當(dāng)堂完成實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)采集處理.這種授課形式不僅要求教師在課前充分準(zhǔn)備,設(shè)計(jì)好課堂實(shí)驗(yàn)和活動(dòng)的問題,同時(shí)由于教師只作重點(diǎn)和總結(jié)性的講課(一般每次課不超過40min),因此學(xué)生的課前閱讀成了StudioPhysics的一部分.課堂活動(dòng)(In-classactivities)是StudioPhysics的關(guān)鍵組成部分,也是StudioPhysics區(qū)別于傳統(tǒng)物理教學(xué)的根本所在.課堂活動(dòng)的設(shè)計(jì)是與同一課堂內(nèi)容緊密配合的.課堂活動(dòng)一般由兩部分構(gòu)成,桌上實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集及其分析;根據(jù)實(shí)驗(yàn)和課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)的練習(xí),目的在于進(jìn)一步讓學(xué)生澄清概念及其應(yīng)用.要求學(xué)生在課內(nèi)通過小組成員的協(xié)作完成第一部分.而第二部分則可以課下完成.

3StudioPhysics標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

目前,RPI的StudioPhysics的課堂活動(dòng)涵蓋了近50個(gè)實(shí)驗(yàn).其中力學(xué)18個(gè),電磁學(xué)24個(gè),波動(dòng)(機(jī)械波和電磁波)9個(gè),近代物理部分有5個(gè).這些課堂活動(dòng)是與他們的教學(xué)內(nèi)容相配套的.RPI在實(shí)行StudioPhysics教學(xué)形式的同時(shí),他們的教材采用了Halliday,Resnick和Walker編寫的《FundamentalsofPhysics》(第8版).該套教材采用了基于網(wǎng)絡(luò)的課程管理系統(tǒng)eGradePlus.出版該教材的JohnWiley出版公司,同時(shí)出版了和該教材配套的eGradePlus:WileyPlus.該系統(tǒng)使得指導(dǎo)教師能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的、交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境,并通過網(wǎng)絡(luò)布置、提交、批改作業(yè).值得一提的是,Resnick是PRI的榮退教授.由于StudioPhysics是公共基礎(chǔ)課,面向全校大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生.從1993年RPI實(shí)行StudioPhysics教學(xué)的同時(shí)也使這一教學(xué)形式標(biāo)準(zhǔn)化.對(duì)于StudioPhysics1和StudioPhysics2分別由兩名課程主管教師負(fù)責(zé)課程設(shè)計(jì)、考試安排、教案準(zhǔn)備.所有的教師遵守標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)大綱,統(tǒng)一的電子教案,所有的學(xué)生完成相同的課堂活動(dòng),相同的作業(yè),標(biāo)準(zhǔn)化的考試.但這并不影響主講教師在講課過程中的個(gè)性發(fā)揮.

4StudioPhysics教學(xué)實(shí)例:磁場

學(xué)生在上課前必須預(yù)習(xí)教材第28章“磁場”第1—第3節(jié).上課時(shí),老師先講授30min.課堂活動(dòng):(In-classactivity):磁棒的磁場.課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo):從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面研究磁棒的磁場.利用HallProbe測量磁棒軸線上的磁場,與根據(jù)由假設(shè)的正負(fù)“磁荷”產(chǎn)生的磁場公式(該公式由點(diǎn)電荷的電場公式類比得出)計(jì)算的結(jié)果作比較分析.實(shí)驗(yàn)器材及軟件:磁棒,米尺,指南針,HallProbe;LoggerPro磁場數(shù)據(jù)采集軟件和Excell磁場數(shù)據(jù)處理電子表,電腦.具體的過程:1)測量磁棒的長,寬(L,W),見圖2(a).2)不考慮內(nèi)部磁場,將磁棒設(shè)想為兩個(gè)極性相反的“磁荷”,令D=L2-W2[圖2(b)].利用測得的W、L,可以計(jì)算出D.假定“磁荷”產(chǎn)生的磁場類似于點(diǎn)電荷的電場,Qm代表“磁荷”量,這樣x方向的磁場可以表示為Bx=Qm4π1x-D2-1x+D2.這是一個(gè)武斷推測的公式,為此需要測量一些實(shí)際位置的磁場.3)測量Bx與x的關(guān)系.利用HallProbe測量軸線x上的磁場,由LoggerPro收集記錄并給出B-x線.將測量的L、W及第一個(gè)磁場測量值,輸入事先設(shè)計(jì)好的電子表格,從而計(jì)算出Qm4π.然后利用由此計(jì)算出的Qm4π,計(jì)算出所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的Bx,畫出Bx-x線與測量的B-x線作對(duì)比,討論它們的誤差.

5StudioPhysics的特色

從上面的教學(xué)實(shí)例不難看出,本次課的內(nèi)容是大學(xué)物理的基本教學(xué)內(nèi)容,在傳統(tǒng)的教學(xué)中,很容易一筆帶過.而在StudioPhysics的課堂活動(dòng)中,卻給學(xué)生提供了一個(gè)全面探究物理的機(jī)會(huì),讓學(xué)生親自動(dòng)手,相互切磋,共同提高.真正實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體,研究性的主動(dòng)學(xué)習(xí),使研究性主動(dòng)學(xué)習(xí)成為有的放矢.綜上所述,我們可以把StudioPhysics的特點(diǎn)總結(jié)如下:1)主動(dòng)學(xué)習(xí).StudioPhysics成功地將教學(xué)主體從教師轉(zhuǎn)換為學(xué)生,不但要求課前預(yù)習(xí),課中自己動(dòng)手、自己發(fā)現(xiàn)問題有針對(duì)性地請(qǐng)教教師,還必須在限定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到學(xué)習(xí)目的.2)學(xué)習(xí)科學(xué)探索的全過程.在StudioPhysics課堂里,學(xué)生自己安排實(shí)驗(yàn),優(yōu)化過程,采集數(shù)據(jù),分析原理直到得出科學(xué)結(jié)論,其實(shí)就是通過物理課程的學(xué)習(xí)達(dá)到科學(xué)探索的目的.3)在集體中學(xué)習(xí)成長.3人小組中,每個(gè)人必須積極思考、密切合作、相互砥礪、共同提高.通過具體問題在同一環(huán)境下的集體學(xué)習(xí),不需要教師的指點(diǎn),同學(xué)也會(huì)自覺取長補(bǔ)短.這對(duì)于人的成長是很有益的.

6評(píng)述與總結(jié)

RPI是1993年開始StudioPhysics教學(xué)的,1995年對(duì)此進(jìn)行了科學(xué)評(píng)估[4].結(jié)果表明,StudioPhysics在減少了約1.5~5.5課時(shí)的前提下反而提高了學(xué)習(xí)效果.一個(gè)最明顯的效果就是StudioPhysics提高了學(xué)生參與學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,很少有缺課現(xiàn)象.在學(xué)校方面,由于不要繼續(xù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一些基本實(shí)驗(yàn)設(shè)施上投資,總的財(cái)政支出反而減少了.目前RPI開發(fā)了成本更低,更加易于操作的MobileStudio,使得這一教學(xué)模式在國內(nèi)的實(shí)現(xiàn)成為可能.從更寬的角度上看,StudioPhysics教學(xué)模式非常好地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代的全人教育理念.在這個(gè)理念下,大學(xué)教育的目的必須達(dá)到“l(fā)earntobe”,“l(fā)earntodo”,“l(fā)earntobewithothers”和“l(fā)earntohowtolearn”這4個(gè)目的[5].致謝:作者非常感謝RPI物理系主任Gwo-ChingWang教授給筆者提供了學(xué)習(xí)了解StudioPhysics的機(jī)會(huì),使筆者有可能參與到StudioPhysics這一最新的教學(xué)活動(dòng)中.