量子力学Web Quest教学模式的研究

罗礼进,仲崇贵,方靖淮

(南通大学理学院,江苏南通 226007)

量子力学是研究微观粒子运动规律的科学,是现代物理学的理论基础之一,在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、介观物理、天体物理、量子信息科学、量子化学以及分子生物学等学科的发展中,都有着重要的意义。但在量子力学的教与学的实践中,存在如下问题。

(1)教学模式单一,主要采取教师讲、学生听的单向传输的课堂讲授形式。

(2)教学理念陈旧落后,在教学活动中教师的主导作用与学生的从属作用观念根深蒂固。如何打破传统的以课堂讲授为主的单一教学模式,改变以教师为中心、学生被动接受的陈旧理念,如何建立一套既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的、充分调动学生主观能动性的开放性教学模式,是当前有待解决的关键问题。

网络技术的发展和普及,一方面为教育信息化提供了良好的条件,奠定了坚实的硬件基础;另一方面也对教育教学改革提出了新的要求:适应网络时代的要求,改革传统教学方法和方式,注重培养学生的学习能力和探究能力,充分利用丰富的网资源,使教学手段更灵活、教学内容更丰富、师生互动更方便。

鉴于现行量子力学教学存在的问题,以及为了适应网络技术发展的要求,本文拟基于建构主义学习理论和Web Quest教学模式的原则,构建一个以课程网站、图书馆数据库、其他因特网资源为信息平台,以教师为主导、以学生为主体,充分调动学生主观能动性的量子力学Web Quest教学模式。

1 Web Quest教学模式简述

1.1 Web Quest教学模式的定义

Web Quest教学模式是美国圣地亚哥州立大学的伯尼·道奇 (Bernie Dodge)博士和汤姆·马奇 (Tom March)博士于1995年提出的一种全新的教学模式。“Web”是“网络”的意思,“Quest”是“探究”、“调查”的意思,Web Quest可理解为一个以探究为取向的教学活动,是以因特网的信息平台为基础,让学生在一定的假设情景和合作环境中通过信息的分析和综合对既定的学习任务做出创造性解决方案的一种学习模式。Web Quest实质上是建构主义学习理论在网络学习中的实践表现,它在网络环境下,利用互联网资源,由教师引导,以一定的目标任务驱动学习者对某个问题或课题自主地进行构建、探索和研究。

Web Quest教学模式可以概括为以教育学理论和建构主义学习理论作为基础,以学习者自主探究学习为取向,以网络为信息平台,为学习者提供网络学习资源和学习脚手架,引导学习者通过信息的分析和综合完成发现问题、分析问题、解决问题的过程,让学习者在网络学习环境中不断探索而进行知识的意义建构,最终达成教育所期待的目标。

1.2 Web Quest教学模式的优势

与传统的教学模式相比,Web Quest教学模式具有以下优势。

(1)Web Quest通过各种方式激发学习者的学习动机,极大提高学习者的学习兴趣与积极性,使学习者主动地投入到学习活动中去。

(2)有助于培养学习者的“高层次思维能力”。高层次思维不是简单的感知、记忆、复述或应用,而是有意识的,围绕特定目标的,付出持续心理努力的,需要发散、研究判断和反思等认知活动的复杂思维。而Web Quest基于问题和任务的学习的主要内容是学会解决问题,学生必须进行一系列的解决问题的思维活动,如界定问题、分析问题、提出假设、搜集资料以及验证假设等。由于问题是开放式的,没有现成的答案,这就需要进行创造性的思维。

(3)培养学习者的协作学习能力。网络提供了可以自由探索、想像、参与、交互的学习环境,学习者可以利用网络与学习伙伴交流信息、协作学习,还可以与在线的教师、专家进行对话,从中获得最有效的学习指导与帮助。学习者甚至可以通过网络同来自网络世界的众多对象探讨问题,交流心得体会,得到最大范围的交流和协作。

(4)Web Quest是一种突出学习过程探究性的学习。Web Quest要求学习者通过一系列的探究活动发现问题,综合运用学科知识分析问题,创造性地解决问题,并在探索的过程中获取知识、培养能力,同时受到科学价值观、科学方法等的教育。

(5)创建更佳的教学环境,发挥网络环境的最大优势。网络上存在大量的教学资源,但是,面对浩如烟海的信息资源,如何能够筛选出有用的资源,避免无关资源的干扰,这是在网络环境下进行学习所面临的一个困扰。而基于Web Quest的研究性学习模式,对学生浏览的网站给予了一定的限定和引导。

1.3 Web Quest教学模式的构成

Web Quest主要由引言、任务、过程、资源、评价和结束语六部分构成。

(1)引言的目的有两个:一是创设学习背景,明确提出学习者需要研究的问题,对问题进行适当描述,为学习做准备;二是利用各种方式提高学习者的学习兴趣。在这里,教学设计首先让学习者充分感受到需要探究的缘由,并创设一个问题情境。

(2)任务是对学习者将要完成的事项进行的描述,是课程教学目标的具体化,帮助学习者聚焦到他们将要进行的活动上。Web Quest向学习者布置的任务具有真实性和定向性,而且任务的描述必须清楚、准确,学习者只有明白自己的学习任务才能在学习过程中集中精力。

(3)过程是说明学习者如何完成学习任务,包括清晰的学习步骤、学习资源以及信息组织工具。学习步骤是学生主动探究的学习支架。学习资源是教师预选过的网络学习资源,也可包括非网络资源。信息组织工具是各种学习软件、工作软件等。

(4)资源是一个由教师选定的有助于学生完成任务的网页清单,其中大部分资源是包括在Web Quest文件中作为超链接指向万维网上的信息,学生使用的所有链接都由设计者预先设定。

(5)评价是Web Quest以明确的标准来评价学习者的工作,目前大多数评价采用量规的形式进行。由于Web Quest一般有层次不同的任务供学习者选择,因此对学习者的评价需要采用多种评价量规相结合的方式。当然,所有的评价标准都必须符合课程标准中关于有关行为和内容的要求,必须是有效的、公正的、清晰的、一致的,并且适合特定任务。

(6)结束语是学生进行反思、教师进行总结的阶段,用来对活动进行小结,总结学生通过完成这项活动或课程学到的东西,同时也鼓励他们对问题进行深入思考。通过提出一些引导性问题,以促进学生把这种探究的经验扩展到其他领域。

2 量子力学Web Quest教学模式的构建

根据Web Quest教学模式的组成及其教学设计原则,结合量子力学课程的特点,我们提出量子力学Web Quest教学模式构建如下。

2.1 设定教学目标

量子力学是物理学专业的一门重要专业必修课程,是物理相关专业本科生必修的四大理论课之一,是他们今后继续提高物理专业水平的一门专业基础理论课程。同时,量子力学是近代物理学两大支柱之一,是描述微观世界运动规律的基础理论,已成为当今科学技术的基础,凡是涉及到微观粒子 (如分子、原子、电子等)的各门学科和新兴技术,都必须掌握量子力学。量子力学课程的任务是:

(1)了解微观世界的特殊性,了解经典物理不能正确描述微观粒子的运动规律,认识到创立微观世界的理论——量子力学的必然性。

(2)初步掌握量子力学的基本概念、原理和基本方法,能求解量子力学的一些基本问题。

(3)培养辩证唯物主义世界观以及独立分析问题和解决问题的能力,培养严谨求实的科学态度。

根据量子力学课程的任务以及新时期对大学生的素质要求,我们设定的量子力学Web Quest的教学目标是:

(1)掌握量子力学的基本概念、原理和处理量子力学问题的基本方法。

(2)培养发现问题、分析问题、解决问题的能力,培养严谨的逻辑推理能力,培养沟通协作能力。

(3)培养热爱科学、尊重科学的态度以及严谨求实、开拓创新的精神。

2.2 确定主题

2.2.1 选题的原则

Web Quest是一种围绕某一主题进行的探究活动,一个好的主题能够激发学习者的学习兴趣,最大限度地使学习者获取知识,发展能力。可以说,选择一个恰当的主题是决定Web Quest是否成功的关键因素,选题需要注意以下原则。

(1)适用性原则。Web Quest是一种基于网络的探究性教学模式,并不是所有的内容都可以用其进行教学,所以在选题时首先要考虑能否适用Web Quest模式。那么,哪些内容适用Web Quest模式呢?一般认为知识形成性或技能形成性练习内容的教学更适用于Web Quest模式。

(2)错位性原则。Web Quest教学模式与传统的教学模式,各有其优势与局限性,它们不可能互相代替,理想的状况是并存使用、互相补充。而且,有不少的内容,用传统的模式进行效果并不理想。因此,在选题时可考虑选用那些用传统模式进行教学效果不佳的内容。

(3)有效性原则。Web Quest教学的核心是培养高层次思维能力,所以在选题时一定要考虑所选的内容是否能达到这一目的。

(4)利用网络原则。Web Quest是建立在网络基础之上的,它的资源主要来源于网络 (当然有时也需要传统的资源如书籍、图片、音像等),所以在选题时一定要考虑所选的主题是否拥有足够的网络资源。

2.2.2 选定的主题

根据以上的选题原则,我们拟选定进行Web Quest教学的内容有如下主题。

(1)光是什么?电子是什么?本主题从“光与电子的属性是什么”这一问题出发,通过搜集人们对光与电子的属性认识发展过程方面的资料,经过归纳综合、分析讨论,从而得出微观粒子具有波粒二象性的结论。

(2)行踪不定微观粒子。本主题从“如何描述微观粒子的状态”这一问题出发,通过搜集人们对波函数的各种解释,经过分析讨论,并与相应的实验结果比较,从而得出波函数的统计解释。

(3)原子之旅——氢原子定态问题的求解。本主题从“如何求解氢原子定态问题”这一问题出发,通过搜集人们对这一问题的各种解法,包括解析法、数值法以及利用数学软件方法等,经过分析比较,从中选取一种个人认为最佳的方法,并把定态解求出。

(4)任意势垒的贯穿。本主题从“如何求解任意势垒的透射系数”这一问题出发,通过搜集相应的各种解法,经过分析对比,选定一种自己认为最合适的方法,并把透射系数求出。

(5)给原子画像——氢原子电子云的计算机模拟。本主题从“如何模拟氢原子电子云”这一问题出发,通过搜集电子云的各种模拟方案,经过分析比较,选取一种自己最满意的方案,并通过编写程序,利用计算机进行模拟。

(6)坐标和动量能同时确定吗?本主题从“坐标和动量能否同时确定”这一问题出发,通过搜集人们对这一问题的各种观点,经过分析讨论,并与相应的实验结果以及相应的理论论证比较,从而得出坐标和动量的不确定关系。

(7)希尔伯特空间与实空间的对比。本主题从“态和力学量算符在任意表象中的表示”这一问题出发,通过搜集关于这一问题的各种资料,经过分析归纳,并与实空间中的矢量表示对比,最终得出态和力学量算符在任意表象中表示的方法。

(8)氢原子的一级斯塔克效应。本主题从“氢原子一级斯塔克效应的求解”这一问题出发,通过搜集关于这一问题的各种解法,经过分析比较,确定求解的方案,并求解出氢原子的一级斯塔克效应。

2.3 设计任务

“任务”是Web Quest最重要的部分,它为学习者制定课程的学习目标,明确学习的内容,说明学习活动开展的形式,阐明操作的流程以及结果的描述,具体体现设计者的基本意图。一个好的任务设计应该是有趣的和可操作的,并且能够引发学习者的深层次思维。任务设计包括如下几个环节。

(1)设定学习目标。设定学习目标是教师对所预定的学习目标作出详细的说明,而这种说明应是具体的、准确的,不能含糊不清,要科学地体现目标的层次性和系统性。如果目标是模糊的,那么预定的任务就很难完成。

(2)分析主题,确定任务。在确定主题后,通过分析主题,明确学习者具体要完成的任务。这里的“任务”具有不同于传统教学的几个特点:真实性、整体性、层次性、开放性。

(3)分配角色,明确分工,确定地位和权威。为确保Web Quest学习的实施,还要在每个学习小组内进行角色分配,以明确分工,确定每个成员在小组的地位和权威。一个合理、具体、周密的角色设置与分配,能确保学习任务顺利完成,反之,往往会使探究在实施过程中漏洞百出,十分被动,也难以实现预期的学习目标。教师通过对每个学习者的学习特征进行分析来划分角色,例如组织协调能力强的可以扮演组长角色,语言表达能力强的可以扮演小组陈述人角色,计算机操作熟练的可以扮演资料搜集人角色等。

(4)选择成果展示的形式。成果展示的形式是多种多样的,例如口头表述形式,撰写研究报告、科技论文、调查报告形式,制作成多媒体的形式,制作成网页或主题网站形式等。选用哪种形式,视具体的主题和具体的学习活动而定。

2.4 组建资源

要完成Web Quest所设定的任务,教师需要组建相应的学习资源,以帮助学习者展开对相关主题的探究。学习资源主要来自于网络,当然也可以是传统的书籍、图片、音象、视频等。教师通过制作网页,对资源进行分类和组织,并为资源的使用提供有效的指导和使用方针,并且为学习者适时、适当、适度地提供认知工具,便于学习者知识的建构。相对于通常信息的搜索,Web Quest更侧重于信息的使用。通常的做法是将资源清单分成几个部分,一部分资源在课堂上让每个学习者学习,另一些则可以由扮演某一特定角色或持某一特殊观点的学习者阅读。这种给予学习者不同数据资源的方式,不仅增强了群体之间的合作和依靠,同时也培养了学习者相互学习的意识。由于学习者使用的所有链接都由设计者预先设定,而且还包含有明确的指针,学习者在网络空间将不再因迷失方向而完全漫无边际地漂流。

2.5 设计过程

Web Quest的过程设计分成两个方面:教学流程和教学活动。

2.5.1 教学流程

①导入问题情景→②提出要解决的问题→③明确为解决问题需要完成的任务以及相应的计划→④基于网络的探究学习→⑤展现成果

2.5.2 教学活动

①创设问题情景。Web Quest是基于建构主义学习理论的一种教学模式,它关注的焦点是问题/主题/项目,将问题作为学习的驱动方式,而且认为问题与情境是不可分割的有机整体,问题是基于真实情景中的问题,情境是问题的主要部分,通过问题情景,产生问题意识。所以这就要求教师必须设计出具有趣味性且具有感染力,能够吸引学习者注意力,又不超出学生的认知水平的问题情境。

②提出问题。在创设的问题情景之下,提出要解决的问题。

③明确探究任务和计划。为解决提出的问题,教师要明确给出为解决问题需要完成的任务。在明确了任务之后,教师还要引导学生对任务进行分析思考,将任务分成一系列的子任务。另外,为顺利完成以上的任务,教师还应指导学生制定探究计划,让学生整体把握探究活动的内容、方法、时间安排和成员分工等。

④基于网络的探究学习。这一步主要由学生自主进行。学生利用教师提供的资源进行探究,并利用网络工具,通过协作、探讨、交流和共享等活动形式来进行演绎、归纳、综合、推理、发现、创新等思维过程。此外,学生对所完成的工作还要作进一步的分析、处理和重组,评估探究过程和目标、任务的完成情况,寻求超越、新思想、新结论。在这个阶段,教师所要做的是为学生提供各种解决任务的资源。教师需要考虑下列问题:发挥小组协作的作用,促进学习者之间的分工协作、讨论和交流;提供一些方法和工具,引导学生对获取的信息进行进一步的分析、综合和评价;提供一些范例,给学生若干启示或灵感。

⑤展现成果。这是探究活动中非常重要的一个步骤,它对于提高学生的自我成就感,促进学生之间的交流有着非常重要的作用。学生选择一定媒体和方式,发表自己的探究成果。小组汇报是展现成果和交流常用的一种方法,可以由各小组选派代表向全班汇报。另外,也可通过将成果上传至网上的形式展示。

2.6 设置评价

在设置评价时,要充分注意到Web Quest的评价有别于传统的评价方式,即要充分考虑到评价的多元化多元化评价是指完善评价功能、丰富评价内容、拓展评价方式、增加评价主体的新型评价形式,具体指:

①评价功能的多元性——不强调甄别和选拔的功能,更注重评价的内在激励功能、教育功能、诊断功能、导向功能、反馈功能。

②评价内容的多元性——不仅有知识与技能的评价,还有学习能力、创新能力、学习素质、学习态度、学习习惯等方面的评价。

③评价方式的多元性——不仅采用考试等量化方式,还采用其它质性评价方式。不仅采用学后的终结性评价,还采用学前的诊断性评价和学中的形成性评价。

④评价主体的多元性——除教师外,还引入学生、家长、社会、中介机构等评价主体。

根据以上要求,我们对Web Quest的评价设计分为学前评价、学中评价和学后评价三部分。对于学前评价,比如教学条件、教师条件、对学习者的知识背景、性格、情感、技能等方面可以采用问卷、访谈、面对面交流等方式来进行,并作为后续环节的依据。对于学中评价和学后评价,我们采用由学生撰写学习过程报告和设计专门的的评价量表进行。

2.7 设计总结

总结包括两部分,一是教师对整个学习活动过程的全面总结,包括学习内容、学习方法、学习态度、经验与教训等;二是学生的自我反思总结,包括成功的经验、失败的教训、学习的心得等。教师的总结在课堂上进行,学生的总结可采用书面或小组交流的方式进行。

3 量子力学Web Quest的教学案例

下面以“给原子画像——氢原子电子云的计算机模拟”主题为例说明Web Quest的教学设计。

主题 给原子画像——氢原子电子云的计算机模拟学习目标 ①理解电子云的物理涵义;②学会基本的编程方法;③掌握一种电子云的计算机模拟方法。引言 ①你能给原子画像吗?②给出常见的原子图像,指出其不科学之处;③基于原子的特性(原子中电子的行踪不定),可利用“电子云”给其画像;④如何画出原子的电子云图像呢?任务任务:①借助教科书弄清电子云的物理涵义;②在指定的网站查找有关“电子云的计算机模拟”的资料;③在小组内对所搜集到的资料进行分析归纳,总结出电子云的计算机模拟共有几种方案,并通过分析比较,从中选取一种自己认为最佳的方案;④根据所确定的方案,通过编程实现氢原子电子云的计算机模拟。分配角色:①组长;②资料搜集员;③程序员;④陈述人。成果展示的形式:借助PPT和运行程序演示展示成果。过程①导入问题情景:你能给原子画像吗?②提出要解决的问题:如何画出原子的电子云图像呢?③明确为解决问题需要完成的任务以及相应的计划:见上述的任务;④基于网络的探究学习:提出初始方案,搜集资料,论证确定方案,编程实现电子云的计算机模拟;⑤展现成果:借助PPT和运行程序演示展示成果资源 ①中国学术期刊全文数据库;②维普中文科技期刊数据库;③Science Direct;④Springer Link评价 ①学前评价:教学条件、教师条件、学习者状况等;②学中评价:态度、方法、技能、协作能力等;③学后评价:成果的科学性、实用性、创新性等。总结 ①教师总结:学习内容、学习方法、学习态度、经验与教训等;②学生总结:成功的经验、失败的教训、学习的心得等。

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