设计性大学物理实验中问题提出教学方法探究

田 菁

(华东师范大学教师教育学院 上海 200062)

柴志方

(华东师范大学物理与电子科学学院 上海 200062)

根据教指委发布的理工科类大学物理课程教学基本要求，大学物理课程除了为学生打下坚实的知识基础外，还应该注重培养学生的探索精神和创新意识.学生习得物理知识固然重要，但学生学会学习、学会在实践中创造性地运用知识更加重要，因此，大学物理课程应该立足于培养新世纪创新型人才，有意识地培养学生在实践中发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力.

大学物理实验是大学物理课程的重要组成部分，大学物理实验课程特别是设计性物理实验课程是培养学生发现问题和解决问题的重要途径，设计性、研究性的实验给了学生一定的空间进行创新，学生可以自己设计实验、准备实验器材，完成实验任务，甚至制作出有创造性的作品.有研究者对设计性、研究性大学物理实验的教学模式进行了理论和实践的探索，如马世红等人创造性地设计了3类设计性、研究性的大学物理实验课程[1]，适合于不同层次的学生，在学生创新能力的培养上产生了很好的效果.还有研究者基于学生创新能力的培养进行了物理实验教学的改革，如冯元新等人采用了“翻转课堂”和开放创新物理实验室相结合的方式[2]，帮助学生自主开展研究性、设计性的实验，为培养实践型、创新型学生开创了新的途径.

在现行的设计性大学物理实验教学过程中，实验题目往往是由教师事先给出的，注重的是实验方案的设计.设计性实验教学的过程中缺少了学生自己提出问题的环节，在这种情况下学生问题提出的能力难以得到训练.为此，本文对设计性大学物理实验的教学过程进行重新设计，为学生提供问题提出能力的训练机会，以培养学生的问题意识和问题提出能力.

1 问题提出模式的设计

1.1 问题提出的理论基础

不同研究者对问题提出的概念有不同的见解，张玲研究了问题提出的定义和内涵[3]，她认为：“问题提出是基于特定的问题情境形成并表达问题的认知活动，同时兼具教学手段和教学目标的角色.”E.A.Silver认为问题提出是指[4]：“通过对情境的探索产生新问题，或在解决问题过程中对问题的再阐述.”问题提出可以发生在问题解决前、解决中和解决后3个阶段.Norma C.Presmeg采用 Stoyanova E(1996)对问题提出的界定[5]，定义数学问题提出为一个过程，在此过程中，学生根据个人的数学经验对具体情况进行解释，并据此提出有意义的结构良好的数学问题.综上，问题提出是指在特定的问题情境中，形成并表达问题的认知活动，也是由结构不良问题转化为结构良好问题的过程.本研究正是尝试将设计性物理实验中的实验项目设计为问题情境，学生在问题情境中首先提出结构不良问题，之后通过问题表征以及问题解决的过程形成一个结构良好的问题.

1.2 “1+n”物理实验教学新方法

为了实现设计性物理实验对学生问题提出能力的培养，通过对物理实验教学过程和内容的重新设计，形成了基于问题提出的“1+n”物理实验教学新方法.

“1+n”中的“1”即是教师提供给学生的实验任务，该任务是一个看上去结构良好的实验项目，教师基于该实验任务开展问题情境的设计.例如，教师可以提供与理想模型有差别的实验仪器，让学生在理论与事实之间产生矛盾，通过矛盾产生新的问题；让学生思考所用仪器有无新的替代方案，促进学生发散思考，生成新的实验方案；通过鼓励学生考虑实验结果的应用，促进学生提出拓展性的问题，等等.学生在问题情境中通过经验和逻辑的检验后发现问题并初步提出问题.学生在提出问题后对问题开展研究，因为每一个学生都会面临不同的问题，开展不同的探究，因而就形成了“1+n”中的“n”.

“1+n”教学方法下，学生在问题解决过程中不断对自己所提出的问题进行完善，首先学生要确定新问题中各要素间的关系并进行问题表征，其次是学生通过探究，对所提问题进行假设、并通过实验对其进行检验，这是一个反复探究的过程，在探究的过程中可以适时开展师生交流、生生交流.新问题探究完成后学生才会最终形成完整的新问题的表达.因此在实际探究的过程中，问题的提出阶段、解决过程是交叉融合的，在最后获得探究结果并进行表征时可能还会发现有需要完善的部分，从而还会返回到前两个阶段.

2 问题提出教学方法的实践

下面结合“交流电桥及其应用实验”说明问题提出教学方法在实际教学过程中是如何实施的.

2.1 问题情境的设计及问题提出

在交流电桥的实验中，教师给开展实验的某组7位学生提供了一台厂家生产的交流电桥，以及一些电容、电感、交流信号源、直流检流计、示波器、交流毫伏表等散件.

在给定以上实验设备的基础上，教师提出本次实验的基础实验任务为“用交流电桥测量待测电容(或电感)的值”，同时给学生们提出如下的学习建议，请同学们在开展实验的过程中加以思考：

(1)在使用厂家的交流电桥开展实验的过程中，遇到了哪些疑惑，有没有思路解决这些疑惑？

(2)交流电桥实验的设计思想是怎么样的？该设计中的要素有没有改进的空间？

(3)交流电桥可以有什么样的拓展应用？

一部分学生通过思考教师给出的学习建议，能够获得一定的探究方向.一部分学生则可能漫无头绪，这些学生的学习过程需要教师的干预.在这种情况下，教师则可以给这部分学生较为明确的建议，例如：

(1)是否可以利用实验室的仪器自己组装一台交流电桥？可否将自己组装的仪器与实验室给出的成套仪器进行对比？

(2)利用这台交流电桥可以做哪些探究？你做过的实验中有没有哪些实验可以将交流电桥作为探究工具，开展相关研究？

(3)能否设计测量长度、角度的装置？

学生通过回忆原有知识经验，明确自己需要进一步了解和学习的知识，通过查阅资料或请教教师(也可以小组合作查阅资料，交流分享，形成知识共同体)，丰富自己的知识经验，尝试通过理论推导或者实验来解决困难，可能成功解决，也可能没有成功解决；无论是否成功解决，学生都需要反思观察到的现象或者遇到的困难、错误，将其用问题表述出来，此时学生提出的问题大部分为结构不良问题.例如学生在交流电桥实验中产生认知冲突后，就会提出：自己搭建交流电桥，用示波器替代交流指零器可行吗，为什么我搭建的电桥不工作？RLC电路引起误差的因素有哪些，如何检测？采用电桥测量长度，应该如何衡量测量的效果等问题.

2.2 问题的完善

在问题提出的基础上，学生基于自己的背景知识和经验，对问题有自己的理解，同时明确问题的结构，查找其中涉及的各个要素；运用已有知识经验分析要素，筛选出需要进一步具体探索的要素，确定问题的类型，表征出具体的子问题，可以有多个子问题，子问题为结构良好的问题.例如，如果学生决定探究示波器替代交流指零器可行吗？首先要对问题进行分析，明确问题涉及的已知变量有：交流指零器的使用方法、交流电桥的搭建、示波器的使用方法、电路连接和灵敏度的测量等，未知要素则包括：示波器搭建交流电桥的方法、示波器灵敏度的测量方法等.在这种情况下就可以提出以下子问题：探究如何将示波器连接进交流电桥电路中，并对示波器如何反映电桥平衡进行研究？示波器做指零器灵敏度如何衡量？与交流指零器相比有什么优点？等等.

学生在分析“探究如何将示波器连接进交流电桥电路中以及示波器如何反映电桥平衡？”这个子问题时，要判断在实验室条件下是否可行，如果该子问题满足了上述条件，则选为合适的子问题，如果不满足，则淘汰.

2.3 问题的解决

学生针对该问题进行实验探究，并获得一系列的探究结果.例如，有的学生完成了示波器替换交流指零器的交流电桥电路，并对其优缺点进行简单的对比分析；有的学生根据灵敏度的定义，完成了对示波器替换交流指零器后的灵敏度的测量，等等.最后用科研论文的形式将自己研究的问题和探究的结果呈现出来.

3 成效与问题

3.1 成效

我们从2016年开始在物理学专业二年级本科生中开展问题提出的“1+n”教学方法实践.现就其成效总结如下：

(1) “1+n”的教学方法极大地提高了学生动手实践、探究实验问题的积极性.“1+n”教学方法赋予了学生自主提出问题进行探究的机会，学生提出的问题是自己感兴趣的问题，为了解决自己提出的问题，学生愿意花时间高质量地完成实验.学生除了在正常上课时认真开展实验探究任务，在课下的非实验时间段，也会主动来实验室开展进一步的研究.在修读本课程的每一届学生中，均会有超过九成的学生有1次利用课余时间来实验室开展实验探究的经历，有的学生可能还会来2～3次，直至获得自己满意的结果.

(2)在“1+n”教学方法实践的过程中，学生们从实验理论、实验手段、实验拓展等多个方面对实验进行探究，涌现了一批有意义的探究成果，例如：学生研究气垫导轨上滑块的运动，借助手机软件phyphox，将手机作为滑块的一部分，实现对滑块运动的实时记录，测量了滑块做阻尼振动时的各个参数，优化了实验，该项成果获得了2020年大学生物理实验竞赛(创新)的一等奖.学生在采用二级光杠杆放大装置研究金属棒的热膨胀系数时，思考将光杠杆增加至三级、甚至是四级的可能性，并从理论上加以研究.学生在拍摄漫反射全息时，由于感觉拍摄干板全息图的质量不稳定，遂采用CCD记录全息图，通过查阅文献，自主学习，实现了数字全息的记录和再现,等等.

(3)通过问题提出教学方法的实践，学生将学过的物理实验知识和物理理论知识进行了有机融合，从而使得我校物理学专业学生的实验能力获得提高.我校学生参加中国大学生物理实验竞赛，从2015年的第三届比赛开始，竞赛中的成绩不断得以提升.

3.2 问题

实践下来，我们也发现有如下一些问题，需要在后续的教学中不断完善：

(1)在对学生进行问题提出能力训练时，教师的支持很重要.如果放任学生探究，学生可能提出的问题不符合实验室实际，最后不能获得探究的结果，如果教师的支持过于详细，则学生并不能经历生成问题的过程.因此，在每一次指导的过程中，如何把握好指导的“度”，需要任课教师依据学情不断调整和探索.

(2)进行问题提出能力的培养，首先需要教师具有开阔的思路和雄厚的理论功底，能随时对学生的疑问进行合适的反馈，其次要对实验项目的教学内容进行精心设计，这无形中增加了任课教师的备课量.

(3)学生通过多次参与问题提出活动，能逐步形成完整的提问图式和技能，最终提高学生在科学探究过程中的提问能力，为培养学生的创新能力打下基础.但是想要实现这个目的，学生仅仅参与一两次问题提出的活动是无法实现的，需要将问题提出活动融入更多的教学环节中，学生通过参与长时间的大量的问题提出活动，并在教学实践中不断提高和完善，才有可能达到教学目的.

4 结束语

本文在设计性物理实验中进行了问题提出教学方法的实践.该教学方法与传统设计性实验教学中强调解决问题能力相比，突出了问题提出能力的培养.该教学方法对于培养学生的创新能力具有一定的意义.

提出问题往往比解决问题更重要，这在物理学和其他自然科学的发展史上已经得到了充分的证明.因此，在当代大学生创新能力培养过程中，一线教师应注重学生问题提出能力的培养和锻炼，在教学过程中结合具体内容，鼓励学生大胆地提出问题加以引导，经过师生的共同努力，必将收到良好的效果.