基于目标分类的物理演示实验教学方法探索与实践

李雪琴,赵云芳,唐艳妮,罗积军

(火箭军工程大学 理学院 基础实验中心，陕西 西安 710025)

大学物理演示实验能够化抽象为具体，化枯燥为生动，把日常生活中接触到的物理现象，通过演示实验方式再现，将“生活世界”转换为“物理世界”，是学生学习物理知识的重要途径之一[1-2]. 基于学生的认知过程从简单到复杂、由具体到抽象这一普遍规律，将演示实验教学过程与布卢姆的认知目标分类理论相结合，提出了基于目标分类的物理演示实验教学方法. 该方法先后通过教师讲解演示加深学生对物理知识的理解，学生互动体验物理原理的具体应用，师生讨论总结揭示现象背后的物理原理，从而在探索求知过程中激发学生的创新思维，培养学生的创造能力.

1 基于目标分类的演示实验教学过程

基于目标分类的演示实验教学方式，以不超过20人的小班为教学单位，让学生在体验探索中掌握物理原理及其应用，在分析讨论中激发创造性思维，在创新制作中提高实践动手能力和自主创新能力. 长期教学实践表明：基于目标分类的演示实验教学模式取得了良好的教学效果.

人的认知目标是从识记相对简单的知识到形成抽象思维的渐进过程,布卢姆把教育的认知目标分成六大主类，即:记忆、理解、应用、分析、评价、创造[3]. 基于目标分类的演示实验教学方法将布卢姆的教育目标分类理论与演示实验教学过程相结合，分为教师原理讲解、教师仪器演示、学生实践体验、师生互动探讨、分享收获体会、学生自制仪器6个环节，如图1所示. 这6个环节环环相扣，前一环节是后一环节的基础和前提，后一环节是前一环节的发展和深化，而且各环节之间又是互相补充、互相促进、互相制约[4]. 现以太阳能发电演示仪器为例，对基于目标分类的演示实验教学方法进行具体的教学过程说明.

图1 基于目标分类的演示实验教学方法流程

1.1 教师讲解原理——记忆

记忆是人们对具体事物和普遍原理的识记，或者对方法和过程的回忆，是所有学习活动的首要环节，是学生获得知识和能力发展的前提和基础[4]. 对于陌生的知识点，首先要让学生对其概念特征进行区分、认识，并在头脑中留下一定的印象，然后通过再认和回忆加强对知识的了解和掌握. 对于具体的演示实验项目，教师在讲解演示之前先提示、引导学生回忆相关的物理原理或定律，再根据学生的回答情况进行总结归纳，以此加深学生对原有知识的理解和掌握. 例如，对于太阳能发电演示仪(如图2所示)，学生基本都知道其原理为半导体材料的光伏效应，但是对其中的深入细节并不清楚，这就需要教师进一步讲解原理. 教师在演示该仪器之前，依次提出3个关键问题：什么是光伏效应？PN结是如何形成的？PN结在光伏发电系统中的作用是什么？根据学生的回答情况，教师进行补充说明. 通过问答环节，学生不仅回顾并完善了关于太阳能发电的固有知识，而且在教师讲解过程中对PN结两侧电位差的形成以及光伏材料的生产制作工艺有了更深入的了解. 教师针对具体演示实验项目，采用问题驱动式讲解方法，对仪器基本原理进行讲解介绍. 通过对物理原理的提问，结合实物仪器进行讲解，驱动学生从长时记忆中提取相关知识要点，从而实现知识的识别与再认知的过程.

图2 太阳能发电演示仪

1.2 教师演示仪器——理解

理解是在记忆的基础之上进一步加深对知识的掌握. 通过第一步实验原理讲解，学生对演示仪器的工作原理已经有了明确的认识，在此基础上，进行仪器的具体项目演示. 太阳能发电演示仪中的太阳能电池板将太阳能转换为电能，生成的电能可用于日常照明、家用电器供电，还可储存起来为其他可充电设备充电. 教师在进行操作演示仪器时，边演示边讨论，例如：让学生阐述太阳能的优点，举例说明太阳能在其他领域的应用，或让学生分析太阳能电池板的面积与发电量之间的关系，等等. 教师采用师生探讨演示的模式，重点在于培养学生解决问题的物理思维和科学探究的有效方法. 在演示过程中学生可以将具体的物理现象和物理原理对应起来，把“生活世界”转换为“物理世界”，加深对物理原理的理解和掌握.

1.3 学生实践体验——应用

经过教师的讲解和演示，学生已经对仪器有了直观感性认识，并产生了探究兴趣，教师强调仪器使用注意事项后，学生可亲自操作体验. 在实践体验环节，教师布置具有探究性和启发性的问题，要求学生在理解演示实验原理的基础上，认真观察实验现象，仔细研究实验装置，并在体验结束后回答教师提出的问题. 例如，太阳能发电演示仪的体验环节中，学生需要思考的问题分别为：影响太阳能板发电量的主要因素有哪些？影响太阳能利用率的主要因素有哪些？让学生在体验环节带着问题探索实践，不仅可激发学生探究知识的兴趣，而且在锻炼学生实验技能和动手能力基础上，也能激发学生主体的创造性思维.

1.4 师生互动探讨——分析

学生经过亲自操作体验，获得了丰富的感性知识，在此基础之上，由教师组织分析探讨，对学生在实验环节中遇到的问题答疑解惑，并对学生在体验环节中需要思考的探究性问题进行分析总结. 在此环节，先让学生陈述相关问题的答案，再由教师进行分析总结，要引导学生从根本的实验原理出发，寻求问题的主要突破口. 例如影响太阳能板发电量的主要因素可以从太阳辐射量、太阳能电池板的材料组成和面积等方面进行分析，影响太阳能利用率的主要因素可以从太阳能电池组件的倾斜角度、太阳能电池组件的效率、组合损失、温度特性、灰尘损失、线路损失等方面进行分析总结. 通过对演示仪器的深入探讨和分析，不仅加深学生对物理原理的理解，而且能够提高学生观察能力、分析能力和逻辑思维能力.

1.5 学生分享收获——评价

分享体会环节，让学生谈谈对太阳能利用的认识. 例如：目前太阳能利用包含哪些领域?太阳能利用效率如何?太阳能发电装置有哪些待改进的缺陷？学生可以在课堂上畅所欲言，而对于一些尚有争议的问题，在课后查阅相关资料. 最后为学生布置开放性作业，针对目前的太阳能发电产业的不足之处，提出创新想法或改进建议. 利用类似于太阳能发电这种应用型演示仪器，将实验内容与实际生产紧密结合，让学生认识到物理原理对人类生活产生的巨大影响，使学生树立科学的认识世界、改造世界的观念，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力[5].

1.6 学生自制仪器——创造

经过对太阳能发电演示仪器的课堂演示实验讲解、体验、讨论及课后查阅资料等一系列环节，有学生确立了自己的创新想法. 学生通过查阅资料了解到，目前固定放置的太阳能发电装置不能根据太阳方位的变化而变换位置，这就使得太阳能利用效率大大降低. 改进方法为制作自动追日光伏发电系统，以此提高太阳能利用率. 另外，因粉尘污染导致的“热斑效应”使太阳能电池板的发电效率明显下降. 为解决该问题，在自动追日光伏发电系统的基础上增加自清洁系统，及时清洗太阳能发电板表面的粉尘，提高光电转化效率. 该想法得到了实验室的认可，并提供了学生创新基金，支持其完成自清洁追日光伏发电系统[6].

基于目标分类的演示实验教学方法，以提高学生创新实践能力为最终目标，让学生在所学知识基础之上，将创新想法付诸创新实践. 通过独立选题、设计方案、观察记录实验现象、分析归纳实验结论、探索发现新的研究成果,学生的科研实践能力得到了锻炼，综合素质得到了提升，不仅对教学效果的提升具有很大的帮助，而且取得了较多的创新成果，如表1所示.

表1 2015-2016年度部分优秀获奖演示实验作品

2 基于目标分类的演示实验教学意义

2.1 对学生的影响

基于目标分类的演示实验教学方法使学生在了解实验原理、掌握实验方法的基础上自主体验演示实验项目，在体验过程中发现问题、分析问题、解决问题，以此激发学生的创新思维并鼓励学生自制演示仪器. 自制演示仪器设备的研制过程，对学生而言是创造性的学习过程. 学生在参与研制过程中，真正体会到了学以致用的乐趣，激发了创造兴趣，提升了创新思维能力以及实践动手能力. 因此，自制物理演示仪器对学生综合能力培养具有非常重要的推动作用.

2.2 对教师的影响

基于目标分类的演示实验教学方法虽然是以学生为主体，以学生创新自制演示仪器为目的，但是始终离不开教师的指导与参与. 学生自制演示仪器过程中，从课题选取、仪器构造、线路设计等方面都需要精心设计和再创造. 在此过程中，教师作为指导者和参与者，通过对学生自制演示设备的设计把关、调试整改，教学科研水平得到了提升[7]. 同时，培养出更多具有创新能力的优秀学生也能够增强教师的荣誉感.

2.3 对实验室建设的贡献

以培养学生科技创新能力为目的的目标分类演示实验教学方法，为推动实验室建设发挥了不可替代的作用. 首先，学生创新自制的演示仪器具有灵活性、直观性、适用性和经济性[8-9]，能够丰富实验室资源，补充实验仪器的不足，增强实验室的实力和影响力[10]. 其次，学生创新自制演示仪器与我校教学特色紧密结合，能够展示物理原理在国防军事中的应用，不仅促进物理实验教学，而且能够激发其他学生的创新热情，带动更多学生参与创新实践. 最后，学生创新自制演示仪器便于维护和管理，教师对学生自制仪器的原理结构十分了解，能够及时查明仪器故障原因并修复.

3 结束语

基于目标分类的演示实验教学方法，旨在为学生学习物理原理和科技知识创设良好的物理情境，以此激发学生的求知欲望和创新精神. 该教学方法把高素质人才的培养、教师的教学、实验室建设很好地融为一体，彰显了自身特色，满足综合性、设计性、创新性等现代实验教学要求[11]. 因此，基于目标分类的演示实验教学方法对于培养高素质人才、提高教师教学科研水平和推动实验室建设具有十分积极的作用.

[1] 秦联华，路峻岭. 永磁体钢球串多级碰撞演示实验[J]. 物理实验，2016,36(10)：15-16.

[2] 宋琦，徐路耀，闫晗，等. 日冕及其观测演示实验[J]. 物理实验，2015,35(7)：10-13.

[3] Bloom B, Engelhart M, Furst E, et al. Taxonomy of educational objectives: the cognitive domain [M]. New York： Longman’s Green, 1956.

[4] 王汉松. 布卢姆认知领域教育目标分类理论评析[J]. 南京师大学报(社会科学版),2000(3):65-71.

[5] 李雪琴,王乐,罗积军,等. 注重大学物理演示实验教学,培养学生科技创新能力[J]. 物理与工程,2016,26(Z1):234-237.

[6] 宫炳文，李雪琴，蔡艺虹，等. 自清洁追日太阳能发电系统[J]. 物理实验，2017,37(Z)：59-61.

[7] 杨宏,李国辉. 走自制实验设备之路,促进实验教学改革[J]. 实验技术与管理,2013,30(1):225-227.

[8] 陈发堂,熊慧萍,陈东生. 加强自制仪器的研发 实现创新能力的培养[J]. 实验室研究与探索,2009,28(2):41-46.

[9] 楼建明,傅越千,安鹏,等. 基于能力培养自制实验仪器设备[J]. 实验技术与管理,2014,31(9)：81-86.

[10] 曹勇锋,张可方. 自制设备在专业实验教学中的应用[J]. 实验科学与技术,2009,7(3):135-137.

[11] 廖庆敏,秦钢年,蒙艳玫. 把自制设备作为实验教学示范中心的特色来建设[J]. 实验技术与管理,2010,27(7):121-123.