淺析還原科學研究的過程論文

摘要：我國基礎教育長期的應試訓練對高等教育的影響正逐步顯現。許多學生平時不學、考前才學的不良學習習慣給當前的高等教育帶來了問題:如何培養學生的科學探究能力和創新能力?如何培養學生正確的科學態度和勇於質疑的科學精神?本文通過一次大學物理探究課的實踐經歷, 嘗試為解決這些問題提供可行的方案。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題, 組織學生通過自主學習、小組實驗、報告猜想、討論分析、推理總結等環節, 使學生親身體驗科學研究的過程, 在課堂探究過程中自然構建物質的磁性、磁疇、居里點、磁化等重要物理概念, 最終用物理理論解釋了“磁鐵斷裂後, 它們以斷裂面靠近時可能出現的現象”及其產生原因。

關鍵詞：探究; 大學物理; 創新能力; 教學實踐; 科學精神; 科學態度;

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”的轉變。我國高等教育實現了“高等教育覆蓋更多人羣”的目標, 但也出現了諸多引發關注的問題。如, 在當前社會環境下, 由於家長、學校多以高校錄取率來衡量中學教師的執教水平, 因此使最容易顯效的應試教育模式成為眾多中學教師的無奈選擇。這最終導致以題海戰術為主的教學方法在我國基礎教育領域不僅沒有逐步消亡, 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的基礎課, 但學生往往認為它不屬於本專業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, 課後不以抄襲作業為恥, 養成了平時不認真學、考前突擊背作業、重點分析歷年試題的不良學習習慣。這無疑給注重培養學生科學探究能力和創新能力的高等院校提出了現實的問題———如何糾正學生的不良習慣?如何培養學生正確的科學態度和勇於質疑的科學精神?

科學研究一般要經歷觀察、提出假設、推理演繹、實驗論證、修正假設等過程, 因此經歷科學研究的全過程是培養研究者科學態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學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。那麼教師改變教學方法, 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]作為強調學習過程的一種教學方法, 它充分體現了建構主義理論中“由學習者建構自己的知識經驗”來激發推理、分析、鑑別等高級思維活動的核心思想。實驗探究可以使學生擺脱對知識不加理解、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的聯繫, 從而實現有意義的學習[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 精選教學內容確定研究對象

在大學物理的教學內容中, 電磁學部分佔比最高[3]。有關鐵磁質的知識在其中屬於B類內容, 但其涵蓋了物質的磁性、磁疇、居里點、磁化等重要物理概念。另外, 鐵磁質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 巧設教學環節還原科研過程

1) 以自主學習奠定研究基礎

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, 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, 針對廣西師範大學400多名不同專業的理工科本科生進行了問卷調查。我們發現:超過65%的學生都是按部就班地上課, 課後沒有進行必要的複習和預習, 只有不到25%的學生能堅持課外自學[5,6]。基於此, 為了保證探究教學的有效進行, 我們將學生的部分自學任務調到了課堂上。這保證了學生在探究前有一定的知識儲備, 有利於後續高質量的探究。

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。情境教學將來源於生活的真實場景展現給學生, 通過教師的引導, 使學生實現從真實情境到物理圖像的遷移, 有助於學生思維從形象到抽象的轉化。為此, 在本案例中, 教師首先通過一張“冰箱吸鐵石斷裂成兩段”的圖片幫助學生在頭腦中構建真實的情境。以問題:“一塊磁鐵斷裂成兩塊後, 當這兩塊磁鐵以斷裂面相互靠近時會出現什麼現象?”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、建構新知識的過程。而錯誤的思維方式和固有經驗會妨礙學生構建新知識。因此瞭解學生錯誤的固有經驗和思維方式, 並就此進行鍼對性的`教學是幫助教師突破教學難點的有效途徑。基於筆者多年的PI教學經驗, 我們將2) 中的研究問題設計為以下測試題, 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後, 當這兩塊磁鐵以斷裂面相互靠近時會出現什麼現象? ()

A.吸引;B.排斥;

C.既不吸引也不排斥;D.以上答案都不對。

學生通過回憶以往的生活經驗和所學知識並稍加思考後, 可以就此給出自己的答案。由於他們往往只考慮磁鐵斷裂的一種情況, 因此實踐中發現選擇A和B的人數相當, 比例較高。答案的不統一將引發學生的思維衝突, 激起他們的求知慾。此時, 教師在不公佈答案的前提下, 組織學生進行分組實驗將有助於他們帶着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量最適合的人數配額。因此, 我們將學生分為了多個3~4人的學習小組, 並通過發放白板吸鐵石、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) 以實驗報告呈現科學猜想

在實驗探究的過程中, 我們要求學生以統一格式記錄每個實驗操作以及相應觀察到的實驗現象, 並通過小組討論給出相關原理的猜想。在本次實踐教學中, 不少學生是將白板吸鐵石摔斷的。這些學生髮現:由於磁鐵斷裂的方向不可控制, 因此會觀察到不同的實驗現象———測試題A、B、C選項的對應現象都可能出現。此時學生結合之前自學的知識並經過小組討論, 給出了自己的科學猜想。

6) 以討論+視頻驗證科學假設

學生分組實驗後, 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, 教師在學生講述後, 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) 以分析總結修正科學推理

通過以上環節, 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, 並觀察斷裂面靠近時的現象;

(3) 沿垂直於磁鐵原磁感線方向截斷磁鐵, 並觀察斷裂面靠近時的現象;

(4) 對不同形狀的磁鐵重複以上步驟;

(5) 觀察磁鐵長時間被切割機切割後的現象;

(6) 總結實驗現象並提出猜想。

這時, 教師和學生對所有實驗現象進行分析總結, 可以歸納出以下結論:

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

(2) 沿垂直於磁鐵原磁感線方向截斷磁鐵並使斷裂面靠近時, 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温度超過居里點, 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) 磁鐵斷裂後, 以斷裂面靠近時出現的現象與磁鐵原來的形狀無關。

8) 以始問終答實現完整教學

本案例的實踐探究以一個問題開始, 此後的多個環節基本呈現了科學研究的必經流程。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”的過程, 並最終發現前文題目的正確答案是D。也就是説, 本次教學實踐始於問, 終於答, 實現了課堂教學的首尾呼應。

3 通過課後反思促進教學相長

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佔一半。在實驗探究的過程中, 我們注意到一些在教師主講的傳統課堂中往往不會被發現的問題: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於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。這些發現令筆者感歎: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歷科研過程的目的, 實現了“以學生為主體, 以教師為引導”的“翻轉課堂”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, 希望以後能多上這樣的課。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;不少實驗報告體現出學生的文字表達水平不高, 未來可以鼓勵學生結合圖形圖表提高書面表達能力。對於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網+技術, 將例題講解以微課的形式呈現, 讓學生在課後學習不失為一個很好的補償方案。

雖然本次實踐教學有助於糾正學生的不良習慣, 有利於培養學生正確的科學態度和勇於質疑的科學精神, 但“極少學生能提出有價值的問題。”的現實仍讓筆者深感遺憾。創新首先源於問題的發現, 要培養創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量問題的能力, 值得我們思考。

參考文獻

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