理工科教学过程中的实验情境教学研究

李建军+张丽亭+刘银+朱金波

摘要：在我国理工科实验教学过程中，存在容量不足有限、与理论教学衔接困难的问题。实验研究表明，在专业课课堂上，构筑虚拟的实验情境可以弥补实验教学的不足，同时对理论教学起到促进作用。实验研究表明，实验情境教学符合大学生认知规律，因此可有效促进知识迁移，促进其创造性思维能力的培养。合理设计实验情境教学、理论教学与实验教学的内容、时长及次序，有助于实现几种教法的协同配合，实现教学效果的最优化。

关键词：实验情境教学；理工科；课堂教学；知识迁移

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）15-0220-02

一、引言

随着高等教育由精英教育向大众化教育的转变，高等教育的目标呈现多元化的特点。其中，掌握坚实的理论基础，培养较强的实践动手能力、解决问题能力及创造性思维能力，一直是我国理工科教学的重要目标。实验教学是实现这些教学目标的重要手段之一。然而，我国多数理工科大学的实验教学很难满足对学生培养的要求：实验教学需要搭建实验平台，成本高昂且实验装置研发滞后，导致实验覆盖面较窄；实验教学与理论教学协同困难，很难做到步调一致，不能相互促进。如何弥补实验教学的不足，促进理论与实践教学的配合与协同是专业课教学面临的一大难题。我们通过近年来的教学试验，发现在专业课课堂上引入虚拟的实验情境可有效克服实验教学的不足，明显提高教学质量。实验情境教学来源于情境性学习理论，该理论由布朗（J.S.Brown）等人提出，重在突出认知过程中学习情境的重要性，是认知理论上的又一次发展。

二、理工科大学课堂构筑实验情境的意义

实验情境的合理创设除了有助于克服实验教学的不足外，对改善理论课课堂结构与教学质量亦具有重要意义。

1.有利于促进理论知识的迁移。实验情境以真实实验环境和过程为依据，因此可使学生产生直观的感性认识，有利于学生快速融入问题情境，引发探究兴趣。例如在《重力分选》课程中要讲解跳汰机分选效果的影响因素，非常枯燥，学生也难以掌握。如果虚拟出一个利用跳汰机去除原煤中矸石的实验，结合多媒体图片，预先介绍清楚跳汰机的类型及工作方式、煤粒及其中矸石的特点、分选实验目的等，然后虚拟开展重选实验，就可降低知识的理论性，便于学生进入问题情境。

2.有利于改善课堂结构。在课堂上引入实验情境后，课堂本身的结构会发生明显的变化。最突出的是，老师的铺陈与讲授时间减少，代之以实验场景的介绍、学生讨论、实验结果分析、理论升华等。形式丰富的课堂节奏变化，更容易引发探究热情，使知识迁移更加容易。

三、实现实验情境教学、理论教学与实验教学的协同效应

1.实验情境教学与理论教学的协同。理论教学与实验实践教学都是理工科教学中必不可少的组成部分，二者紧密配合才能有效提升学生的综合素质。如前文所述，目前实验教学很难满足理论教学的需要。实验情境教学虽然是一种虚拟的实验教学，但其在一定程度上可以代弥补实验教学的不足。同时其又具有真实实验教学不具备的一些优点：成本低廉、耗时短、进度安排灵活、内容可选性强、理论课教师同时又是“实验”老师，便于“实验”教学与理论教学的相互配合。在实验情境教学中，如果做到实验情境教学应与理论教学的密切协同，则可使课堂教学事半功倍，效果提升。

2.实验情境教学与课堂实验教学的协同。由于实验情境是虚拟情境的，因此需要学生具有一定的想象力和思维逻辑性，对某些远离学生生活经验的实验情境，较难引发直观认识，由此建立的实验情境和问题情境容易有偏差。如果在实验情境创设之前，辅以实物教具和课堂演示实验，则可以减少学生的想象与猜测，有利于学生在思维中建立直观的实验情境和准确的问题情境。

3.教学实践与分析。依据实验情境教学的构想，在资源循环科学与技术、复合材料科学与工程两个专业开展了多次专题教学实验和整学期教学实践。现以资源循环科学与技术专业核心课程《资源分离与分选技术》教学中的一个专题教学实验为例加以说明。主要教学内容是逆流式滚筒磁选机的原理、结构及应用。实验用教学班级共34个学生，其中女生6名，按照男女比例一致、成绩分布均匀的原则分为3组。在教学中，围绕教学目标，通过3种教学方法展开教学：A组，多媒体辅助下的讲授法教学；B组，多媒体辅助下的讲授法教学+实验情境教学；C组，多媒体辅助下的讲授法教学+实验情境教学+课堂演示实验。经过1个课时的课堂教学，利用试卷测试、单独实验操作等形式，从概念掌握、原理理解及实验操作能力等几方面对学生进行定量考核，并对考核结果进行对比分析。

从考核量化结果表（表1）中可以看出，采用实验情境教学辅助的课堂教学无论从概念掌握、原理理解，还是从实验操作方面都优于传统的讲授法教学，但结果的差异程度不同。仅从“概念掌握”的角度看，三种教学方法的差异比较小，A组和B组各有1名学生没有及格，不同的是，B组优良率略高；而C组学生全部及格，优良率达到了三分之。而从“原理理解”与“实验操作能力”的角度看，三个组的教学效果差异非常明显。B组与A组学生在原理理解方面都有2人不及格，只是由于B组的优良率高的多，因此B组的平均成绩更高；C组由于多了课堂演示实验的环节，及格率提高了10个百分点，其优良率也最高。在实验操作能力方面，采用实验情境教学成绩的B、C两组比A组成绩好的多，说明虚拟实验教学对动手能力的培养确有帮助；C组在优良率和不及格率方面的优势，再次证明课堂上实物展示与演示实验对实验情境教学具有强烈的补强作用。以上教学专题实例和对比分析表明，理论教学、实验情境教学与课堂演示实验之间是相辅相成的，如果合理组织教学过程，使这几种教学方法紧密协同，不但使学生学习到系统理论知识，还可使学生的逻辑性思维能力、动手能力及创造性思维能力获得提升。

四、结语

综上所述，在理工科本科教学中，实验情境教学是一种有效的新型教学方法。在课堂上采用实验情境教学，不但可克服实验教学的不足，而且有利于优化课堂结构、引发学生的探究兴趣，促进知识迁移，对于提升学生的创新性思维能力亦具有重要意义。课堂教学过程中，教师应努力实现实验情境教学、理论教学与实验教学的协同效应。

参考文献：

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