问题引导型物理实验自主学习模式的探究

蒋 芸， 王亚芳， 董爱国， 周惟公

(1. 中国地质大学(北京) 数理学院，北京 100083; 2. 中国地质大学 长城学院，河北 保定 071000)

问题引导型物理实验自主学习模式的探究

蒋 芸1， 王亚芳1， 董爱国1， 周惟公2

(1. 中国地质大学(北京) 数理学院，北京 100083; 2. 中国地质大学 长城学院，河北 保定 071000)

针对大学物理实验开放式教学中大学生自主学习的问题，遵循教育心理学原理，提出问题引导型自主学习模式。将复杂任务拆解成比较简单的阶段性任务，提出问题，引导学生思考，并自行寻找解决方案。问题解决过程不断地从内源性和外源性两方面刺激并维持学生的学习动机。利用RLC电路实验进行探索和实践。教师在原理、技术、数据处理等方面提出各种问题，学生进行针对性的思考，并通过学习讲义、网络搜索、同伴交流等方式，寻找答案，探索可能的解决方案，完成整个实验。通过实验效果对比和问卷调查显示，问题促使学生不断思考，且对其思维方向的影响明显，有明确的引导作用，能够培养学生运用理论知识解决实际问题的能力。为了达到好的效果，应该注意提问技巧，并充分利用现有的物理实验资源。

物理实验; 问题引导； 教学模式; 自主学习; 教育心理学; RLC串联谐振电路

0 引 言

大学物理实验课程是大学生开始科学研究的入门课程，对学生进行实践能力、创新能力的培养与训练，使其能够将知识运用于实践，解决实际问题。课程在内容上和体系上都比较成熟，近年的教学改革主要在教学模式上进行，包括开放式教学、分层次教学、模块化教学、MOOC(慕课)、PI(同伴互助教学)、信息技术辅助教学、翻转课堂、微课等，这些手段为实验教学开辟了很多新的思路，改变和尝试性的教学模式，其目的都在于提高学生学习主动性，更好地培养学生能力，从而提高物理实验的教学质量[1-17]。根据教育理论和实践，能力的培养是在解决实际问题的过程中完成[18-20]，所以必须想办法使学生进入自主学习状态，主动利用已有知识解决问题，培养能力。

1 自主学习中的问题

物理实验中心在寒暑假期开放实验室，允许学生在假期中自主学习，即在没有教师指导的情况下进行预习，操作仪器，完成规定的实验项目。值班教师只是提供帮助，但不进行讲解，使学生尽量独立进行实验。

根据观察和与学生座谈，发现这种自主学习特点明显。一方面，学生很愿意在自己的假期时间，完成必修课，减轻平时学习的压力；学生能够更加自由的使用实验室，按照自己的专业、兴趣和能力选择实验；而且学生独立进行实验，要求更高，所用实验时间也在很大程度上增加，有助于能力的培养；实验室和实验仪器的利用率都上升。另一方面，存在的问题也突出。学生在自主学习中，只知道需要完成实验，但是对于如何完成实验的步骤并不清楚，不能恰当的运用知识去解决问题；或者在实验中遇到困难多，没有及时的信息反馈，操作过程中不知道是否正确，最终结果不对也不知道是哪步出了问题，尝试几次后就放弃，兴趣逐渐消失；部分学生只是为了获得成绩，不是从原理出发进行思考，只在实验中单纯模仿其他同学操作，获取数据，知其然不知其所以然，甚至发生抄袭，造成能力没有提高；盲目操作，造成仪器损坏严重，维修量大，甚至影响教学；另外就是教师给成绩时主要依靠实验报告，对于学生实验过程不了解，造成成绩评定不公平。

2 解决方案

学生自主学习进行实验的过程实际上是学生进行研究性学习的过程，需要学生自主发现问题，研究问题、获得结论。教育心理学原理中指出，解决问题不仅需要知道问题的起始状态和目标状态，也需要明确其中间状态，即选择适当的途径去解决问题。同时也指出，可以通过创设问题情境等方法培养学生兴趣，激发并维持学生内源性学习动机，通过及时提供反馈信息，对掌握知识和能力做出合理的外部奖励[21]。而在自主学习过程中最大的问题就是目标不明确，没有解决问题的思路，缺乏有效的反馈，造成学生学习困难，兴趣减弱[22-24]。所以，根据学生自主学习时出现的问题，并参考翻转课堂在物理实验中的教学实践，提出问题引导型自主学习方式，即给出一系列问题，引导学生思考，明确解决问题的大体方向，学生在逐个解决小问题的过程中，不断思考是否正确，自身给予反馈，自我激励，最终解决全部问题，完成实验，提升能力。

3 问题设计与实践

在实验前，教师设计并准备较丰富的相关题目。提出问题的目的在于给学生特定的思考目标，将较大但不明确的任务分解成小的可以逐一解决的任务，迫使学生在原理、技术等方面对实验进行有针对性的思考。

3.1 针对RLC串联电路实验教学提出的问题

以RLC串联电路实验为例，此实验目的在于掌握RLC电路串联谐振的概念和特点，研究其输出信号规律，了解产生谐振的原因[25-28]。提出的问题涉及到基本原理、仪器使用、操作方法、误差分析和扩展思考等。下面给出一系列问题，主要有：①电容在直流电路和交流电路中有什么样的行为，会对交流信号起到什么样的作用？②电感在直流电路和交流电路中有什么样的行为，会对交流信号起到什么样的作用？③电阻在直流电路和交流电路中有什么样的行为，会对交流信号起到什么样的作用？④什么是RLC电路谐振现象？为什么会出现谐振现象？理论上可以调节那些参数达到谐振？⑤测量U0/U1—f的关系曲线(Uo和Ui分别为输出电压和输入电压，f是信号频率)，预期曲线应该呈现什么形状？⑥实验中，九孔板、信号发生器和示波器都起什么作用？⑦使用九孔板如何连接线路？信号发生器和示波器如何接入？如何保证示波器的两个测量通道的地端(接线黑色端)共地？⑧实验中给电路提供的信号是交流/直流信号？需要知道信号的哪些参数？使用现有信号发生器，如何调节这些参数？⑨输入电压和输出电压是峰峰值/有效值/均方根值/最大值/平均值中的哪个？示波器上如何读取电压值？⑩获得的U0/U1—f曲线是否符合你的预期？是否对称？为什么出现这种现象？根据公式和使用的元件值，求出RLC串联电路的理论谐振频率，对比实验获得的谐振频率，是否一致？请分析误差来源。RLC串联谐振电路的品质因素Q有什么意义？如何提高品质因素？以现有元件如何组合能获得最高品质因素？

3.2 实施过程

在问题引导性自主学习过程中，学生可以先看问题，通过思考和查询资料寻找问题答案，作为预习准备实验；也可以通过学习讲义，在实验过程中遇到困难时，查看问题并思考，获得提示。

基于RLC实验，对问题引导型自主学习方式进行对比实验，观察问题对学生自主学习的引导作用。第一组学生预习后，进入实验室后，把题目1～5(偏重原理)给他们，允许进行网络查询，观看录像，形成2～3人小组讨论，然后教师组织学生回答问题，但是并不给出直接的答案或者解决方法。学生认为自己对问题思考比较清楚后，进行实验。实验中遇到困难，教师给予简单讲解。另一组对比实验中，学生预习后，进入实验室，看录像后开始实验，操作中遇到困难，给出问题4～9(偏重操作)，学生根据自己实验情况，明确困难所在后，查询网络、讨论，教师可以针对具体问题给出答案，进行实验。两组均在获得实验数据后，思考回答问题10～12，在理论和应用上，深入思考。

3.3 问卷调查

在实验结束后，进行总结，并做了简单的调查问卷。包括4个问题：①对问题的思考是否有助于你的实验？②在哪些方面有帮助？对以下五项学习方式进行排序：③有助于你完成实验的方式______；④促进你独立思考的方式______；选项包括：A.看录像、B.教师讲解、C.自己预习、D.讨论并回答问题、E.课堂提供的实验指导。

第一组共58人，调查结果为：①91.4%选择“是”，3.4%选择“否”，5.2%放弃回答；②72.4%原理，17.2%实验思路，10.3%操作；③选项前三学生普遍选择B、A、C；④选项前三学生普遍选择C、D、E。

第二组共60人，调查结果为：①88.3%选择“是”，5.0%选择“否”，6.6%放弃回答；②81.7%仪器或操作，13.3%实验思路，5.0%其他(作图)；③选项前三学生普遍选择C、D、E；④选项前三学生普遍选择C、D、E。

3.4 调查的结论

问卷调查反映出，在自主学习中，学生普遍认为思考并回答相关问题，有助于实验的进行。而且当问题偏重原理时，学生认为在原理和思路上有帮助，但问题偏重仪器操作时，学生认为在操作上有帮助，这说明问题的引导作用非常明显。当学生思考原理问题，在原理方面有准备时，视频录像和教师讲解对学生完成实验有明显的帮助。如果没有对原理的思考，则预习、回答操作问题和实验指导对完成实验更重要。所有相关问题对学生的独立思考均有促进作用。

4 结 语

在开放式物理教学中，问题为导向的自主学习模式相对于传统课堂教学给予学生更多的自由，满足其个性化学习的要求，又给予适当的引导，加深学生对实验的理解，并提高学生实验的效率。同时，学生独立的进行实验，培养其思维能力和运用理论知识解决实际问题的能力，符合物理实验的教学目标。

当然，这种学习模式对教师和教学环境也提出了要求。① 问题内容、提问方式、甚至顺序都对学生进行思考和实验有影响。而且，实验相关问题包括有正确答案的问题和存在不同解决方案的问题，即界定明确的问题和界定不明确的问题。关于实验原理的问题倾向于前者，而操作部分倾向于后者，从实验课程训练目的而言，后者更能激发学生的探索活动，更具价值。教师在提出问题时，应该经过认真思考，注意激发学生学习主动性。所以，提什么问题，如何提问题，都变得很重要。② 问题引导型自主学习过程，除了提出问题，也应用了视频、网络课件等方式，但是这还远远不够。目前，物理实验教学资源比较丰富，且形式各异，包括理论知识教材、课件和相关题目，网络教学视频，相关慕课，仿真软件，实验室实体仪器等。这些手段应该合理的综合利用，建立类似网络游戏式的过关型系统，形成奖励和惩罚机制，并与他人有交流讨论，从内因和外因两方面激发学生学习的兴趣，达到更好的自主学习效果。

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Research on Question-oriented Self-regulated Learning Model in College Experimental Physics

JIANG Yun1, WANG Yafang1, DONG Aiguo1, ZHOU Weigong2

(1. School of Science, China University of Geosciences, Beijing 100083, China； 2. Great Wall College, China University of Geosciences, Baoding 071000, Hebei, China)

In order to overcome students’ difficulty in the self-regulated learning in college experimental physics and conform to the principles of educational psychology, the question-oriented self-regulated learning model was put forward. In the model, a big complex task is disassembled into several small simple staged tasks. For every subtask, a series of questions are then given to lead students to think and find their solutions. During the question-solving process, students’ learning motivation is continuously stimulated and sustained from endogenous and exogenous aspects. The model is used in RLC circuit experiment. The teacher gives a series of questions on basic principle, experimental technology, data processing and other issues. The students think about questions, look for answers by studying on the teaching materials, web search, peer discussion or other methods, and then explore the possible solution and complete the whole task independently. In the comparison of experimental results and questionnaires, it is shown that the questions cause students to think and have an obvious influence on their thinking direction, and the students’ ability to use theoretical knowledge to solve practical problems can be cultivated. In order to achieve good results, questioning skills should be paid attention to, and the other existing physical experiment resources should be utilized fully and comprehensively in the question-oriented self-regulated learning model.

physics experiment; question-oriented; teaching model; self-regulated learning; educational psychology; RLC series resonance circuit experiment

2016-08-28

蒋 芸(1976-)，女，河北廊坊人，博士,讲师，研究方向：岩石矿物材料学，物理实验教学。

Tel.：13521250219，Email：jiangyun@cugb.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2017)08-0237-03