以目标为中心的交互式大学物理课堂教学改革

科技
以 目标为巾心响交互式大学物理课堂教学改晕
安徽理工大学理学院，陈昌兆
［ 摘 要］ 本 文以工科大 学大学物 ： 哩的课 堂教 学为例 ， 阐述传 统教学方 法在 学生能力和创造性培养上的缺 陷和 不足之 处， 并从认知科 学的 角度对 学习过 程进 行 了分析 ， 提 出了以 目 标 为 中心的交互式 大学物理课 堂教 学方法 ， 这对 于提 高当前 的大学物理教 学水平 有一
定］ 大学物理 认知科学 交互式教 学
大学物理是 当前工科 学校Ｔ程技术 以及 电子信 息类 专业的一 门公 共 基础课 。课 程 的开设不 仅为后 续专 业课程 学 习打好必 要的 物理基 础， 更 重要的是要培养 学生现代科学的 自 然观 、 宇 宙观和辩证唯物 主义 世 界观 ， 培养学生 的探 索 、 创新精神 ， 培养学生 的科学 思维能力 ， 掌握科 学 方法。在 目前 的中国工科 院校 ， 大学物理课程的开设普遍放在第 ２ 、 ３ 学期 ， 即在完成一 元微积分 学习之后 。教师 的课 堂讲授是课 堂教学最 常用的方法 ， 讲授 内容主要包括经典力学 、 热学 、 电磁 学和光学 ， 另外也 包括２ ０ 世纪初建立起来 的近代物理 的少量 内容。 单纯 的课 堂讲授 是一种传 统的课堂教 学方法 ， 这种教学方 法 的最 大缺点体现在学 生学习的被动性上 。物理教 育者 曾经专门对这种方法 进行评估 ， 发现其效 果并不理想 。但这种传统 的方法能一直延续至今 ， 最重要的原 因在 于当前的教学效果 的评 价标 准。一味的追求学生应用 公式求解定量 问题 的能力 ， 而忽略物理教学 中最 重要 的东西 ， 即功能性 的理解 和科学推理 能力 。这 种缺失不是 某个学生 或教师 的原 因 ， 而是 教学方法上 的欠缺所致 。Ｍ ｃ Ｄ ｅ ｒ ｍ ｏ ｔ ｔ 是 一名专 门从事物 理教学研究 的 国际知名专 家， 他将传 统的教学方法概括 出如下特征 ： （ １ ） 说教式 的教学 把知识 以填鸭式 的方式灌输给学生 ， 教师成为课 堂教学的主动者 ， 学生 只是接受 知识 的被 动者 ； （ ２ ） 标准化 的测试和课后 作业是检测 教学效果 的重要工具 ， 但擅 长此道的学生未必能取得对 物理概念的功能性理解 ； （ ３ ） 传统 的大学物理教学过分强调定量计 算而忽略了定性模型 的建立过 程， 学生 很难理解 概念之 间的联系和 区分 ， 如力学 中的速度 和加速度 ， 热学 中的熵 和焓 ， 光学中的干涉和衍射等 ， 由于割裂了概念之间 的内在 联系 因而也就难 以在头脑 中建 立一贯 的概 念框架 ； （ ４ ） 传统 的教学方法 不利于培养学生 的科学推理能力 ， 更不利 于学 生实际应用能力 的培养 ， 在这种教 学方法 下 ， 只有靠 重复实验或 实践才 能建立书本 知识 和外界 现实世界之 间的关联 ， 否则学 生将永 远被 淹没在 虚拟的知识海洋中。 ４ ０ 多年前 ， 认知科学 最重要 的进 展就是发 展了强有力 的工具去深 入研究思考 和学 习过程以及能力 的提高 方法 。其 中跟物理教学紧密相 关的是增 强 了人们 对能力本 质以及知识 组织原则 的认 识 ， 这些 都是人 们解决科学 问题 的关键。对学 习和知识迁移 的研 究揭示 了构建学 习经 验的重要 法则 ， 即积累 的经 验能将所学 知识用 于新 的环境 。这 些基本 认 识构 成 了瑞 士心理 学家 Ｊ ｅ ａ ｎ Ｐ ｉ ａ ｇ ｅ ｔ 结构 主义 的重要基 础 。个 体会 主动 的将 所学 的知识 建构起来 ， 建构过 程需要学 习者的精神参 与但会 受到 已有 知识 的影 响 。如果 已有知识与 新知识相 冲突 ， 新构 建的知识 结构将不 利于长期 的记忆 ， 同样很难应 用于各种各 样的环境 。认知科 学有三个最重要 的发现 ， 它们都跟物理教学密切相关 ： （ １ ） 进入新 的教学 环境 中的学生都不 是一张 白纸 ， 他们脑 中的先前概 念要么来 自生活经 验， 要 么来 自先前 的课堂教 学 ， 没有这些 先前概念 的参与过程 ， 就不会 掌握新的概念 ， 抑 或学习仅仅是为 了应付考试 ， 新 的知识无法在脑海 中 打下深深 的烙 印 ， 一旦 走出课堂就又 回到原先 的知识结 构 ； （ ２ ） 具有深厚 的事实性 知识 、 在 概念框架 的背景下理 解事实 和思 想以及 以方 便应用 的原则组织知识才 是提 高能力的重要因素 ； （ ３ ） 元认 知 ， 或者说对认知 的 认 知可以帮助学生确立学 习 目标并监视 实现 目标 的进 程。 认知科学上 的重要 结论对大学物理 的课 堂教学 有着 重要的启示作 用 。先前 的概念 固然 要参与新 概念 的形成 过程 ， 但 是在传统 的教学方 法下， 机 械的传授往 往会导致 先前概念 和新概念 的冲突性 。举 个例子 来说， 中学物理教材 上的物理光学明确指 出光是一种 电磁波 ， 光的波动 性 可 以用来 预测 和解释一 切跟 干涉 、 衍 射 以及偏振 相关 的光学现 象 。 这种先人为主 的观 点将 使得学生在后续 的学 习中拒 绝对 具体的问题进 行 更加深入 的理解 。对于像狭 缝的宽度 变窄 ， 衍射 的极小将远 离图案 的中央如此 简单 的问题 ， 只有极 少数学 生能对此作 出正确 的推 理 。甚 至有很多学 生 同时应 用几何光 学和物理光 学去解 释衍 射 ， 即用 几何光 学 处理通过狭缝 中心的光而用波动光学处理狭缝边缘 的光。这些不正 确 推理的出现或多或少都与先前概念 的顽 固性有关 。 仅仅 先前概念 的顽 固性 这一个因素就足 以引导学生走 上认 识上的 歧途 ， 就更不用说像事 实性 知识缺乏 、 概念框架 的不完整 以及对元认知 的无知等其 它因素 的影响 。在 传统的教学 方法 中， 这 些跟能力 培养息 息相 关的因素往往无法 伸张。学生能力和创造性 的培养 必须充分调动 学 生学 习的主动性 ， 这是一切教 学方法改革 的关键所 在。物理学 工作 者 提 出了很 多的教学 方法并完 成了相关 的测试和评估 ， 如交互式 教学 法、 情景教 学法等 。对我们而言 ， 重要 的不 是创建新 的教学方法 ， 而是 选 取 已有 的教学方法并 根据特 定的教学对 象和环境进 行调整 、 完善和 深化， 真 正做到为我 所用 。结合 认知科学上 的重要发 现以及 目 前 工科 学校 的教 学实践 ， 大学物理的课堂教学改革可 以从 以下几个方 面着手 。 细化教学 目标 教 学 目标 可 以是 一般性 的 ， 也 可 以是具 体 的 。按照 认知 科学 家 Ｂ ｌ ｏ ｏ ｍ 的分类方 法 ， 教学 目标一般 涵盖知识 、 理解、 应用 、 分析 、 综 合和 评估六个 方面。它们必须具体化并贯彻到大学物理 的课堂教学 中去 ： （ １ ） 正确 使用物理 概念和术语 ， 对于相似 的物理概 念能够作 出明确 的区分 ， 如质量和重量 ， 磁场强度和磁感应强度 ， 内能和机械能等 。