基于先导实验的专业课程教学实践与探索

严家斌

(中南大学 地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083)

长期以来专业课程的实验方法主要采用传统实验模式,其特点：(1)以验证实验为主,通过实验把理论知识事物化、数据化,并以图或表的方式展现抽象的公式等理论知识；(2)实验内容较少,通常实验课时只占总课时1/6左右，任课教师往往仅安排经典或重要的内容供学生实验,导致学生难以全面、深入掌握课程内容；(3)实验学时有限，专业实验室不像通识课程实验室有大量的实验设备供学生使用,实验空间和器材相对较少,在实验中通常需要分组进行,导致学生在实验期间动手少、观摩多；按固定步骤的实验多、自己设计的实验少；对实验的总结分析套用理论的多、自己主动思考的少。

以上情况与培养学生的观察、动手、创新能力的初衷相去甚远。对此国内许多学者开展多种模式的实践与探索,如自主实验模式[1-3]、开放实验模式[4-5]、创新实验模式[6-7]等。自主实验模式通常是在在给定的实验要求和实验条件下,让学生自行设计实验方案并加以实现的实验。主要通过构建层次性主题式的实验教学形式,把实验课程按内容分为基础性实验、设计性实验、综合性实验和课外研究性实验4类,每类又由若干个主题式实验教学内容构成。基础性实验以详细指导为主,对设计和综合实验则只讲明方法与要求,具体实施由学生据实验条件自己独立完成[1-3]。 可以使不同层次的学生在课余时间充分地利用实验室准备实验,自主思考,不仅获得了较好的实验教学效果,而且使实验仪器和设备的利用率也大大地提高。开放实验教学模式和创新实验模式是通过对实验的空间、时间、管理和部分实验内容的开放,在完成正常教学任务的前提下,利用实验室现有的管理技术、指导教师、仪器设备、实验环境等资源,面向在校学生开放使用的新型实验教学模式。目的是培养学生应用基础理论知识和基本实验技能解决工程实际问题的能力,并在此过程中加深对基础知识的理解、掌握新的实验技能,充分发挥学生对实验的积极性与主动性[6-7],是在学生专业必修学习之外,在学有余力的条件下利用课余时间对自身创新意识和创新能力的自我训练。

事实上，在课程理论教学与实验教学过程中,核心问题是如何激发学生对本课程的学习兴趣与学习动力。对理工科学生而言,专业课程的课堂学习往往涉及大量的数学公式和理论推导,既枯燥又抽象。任课教师如果处理不好,学生往往是前几节课学习兴趣昂然,之后逐渐学得索然无味,甚至在课堂上堂而皇之地做课程不相关的事情。提高学生的学习兴趣除了学生本身对本课程的爱好外,另一种方法就是遵循基本认识规律,进行外部促动：先从感性认识开始,以实验过程及相应的数据、图表等了解将要学习的内容、现象及存在的问题,继而引发继续学习的兴趣与动力,然后在课堂的理论学习上提高学习效率。本文结合我校地球物理学专业的“电法勘探原理”课程特点,阐述了近几年来利用先导实验激发学生学习兴趣的探索与实践过程与效果。

1 先导实验教学的背景

近几年来,国内外学者就如何结合学科发展、课程特点,开发出学生易于接受、乐于接受的授课方式,以提高学习效率、培养探索精神、挖掘创新的潜质进行了多方面的探索。如研究型教学、开放式教学、研讨式教学、翻转课堂[8-11]。主要从教学方式、教学手段等层面进行探讨,而很少涉及课程特点。地球物理专业课程有2大特点,一是直白无味的描述性教学内容,如地质学、岩石学、地震学、地电学等；二是逻辑推理性强，但又令学习者感到枯燥的理论公式,如地球物理场论、电法勘探、地震勘探、重力勘探、磁法勘探等。在这些课程中大篇幅的理论公式虽然是建立在看得见摸得着的地球本体上,但对初学者而言很疑惑,因为看得见、摸得着的地球是每个地方都不一样,如何能用统一的公式表达？这是初学者的困惑,也是授课的难点。地球物理课程的优点是可以通过看得见摸得着的地球表面或断面建立多种模型,以数值模拟或物理模拟的方式直观地表现各种物理现象,因此设计了通过先导实验在课前了解学习内容的教学方式,与翻转课堂模式差别在于：翻转课堂模式基本上由学生主导课堂教学过程,学生是课堂的中心,教师在课程中只起引导作用,而在先导实验教学过程中教师是教学的核心,教师可利用学生先导实验的结果作为教学内容的素材,并解答学生实验中的疑惑。先导实验的教学过程如下：

(1) 课程开始前1个月左右教师把教学教案下发给学生,同时列出相应章节的实验,为了实验室管理的方便,实验内容按模块化分类[12]。

(2) 实验室课程开始前半个月做好实验安排与准备,同时学生根据各自的时间申请感兴趣的实验或自已设计实验，并填写实验的时间、器材等。

(3) 实验结束后,把实验结果以图表或数据或报告及实验中遇到或发现的问题,提供给教师审查或作为课堂理论教学素材。

(4) 课程教学中,教授相应章节时教师让学生报告相关内容的实验结果(为了鼓励学生对报告的兴趣,可采取对课程平时成绩加分的形式),分析实验中存在的问题,针对典型问题予以讨论。

(5) 结合理论学习和实验结果引导学生重做相关实验,安排好后续章节的单一实验或综合实验。

2 实验条件和实验平台的完善。

实施专业主干课程“电法勘探原理”的先导实验,实验条件与平台是关键因素,由于我校自2008年以来对应用地球物理系的实验设备、环境建设方面投入较少,实验设备不仅少而且老化比较严重,本科生在实施传统课内实验时往往要按10～15人一组开展,每组1台实验设备。2012年,对地科09级本科生在传统实验模式下进行的问卷调查,“你对电法自主实验的环境满意吗？”的调查中(见图1),收回问卷69份,满意50份、一般18份、不满意1份。尽管满意的比例达到73%,但考虑到学生的顾虑,这个比例并不高。“你对电法自主实验的仪器满意吗？”的调查中,不满意的达14%(见图2)；“你对电法自主实验的仪器性能满意吗？”的调查中,不满意的高达55%(见图3)。

在课程实施的先导实验中,采用申请制,要求学生1人1台设备独立实验(最多不能超过3人1组),1周7天，全天开放实验室,因此现有的实验条件难以满足要求。为此课题组开展了实验平台的整合[12]与建设工作。2013年,自制了全空间电法实验观测平台,该平台可以进行地表观测,也可进行地下观测；可开展直流电法实验,也可开展激发极化实验,还可进行自然电场、充电法等实验,有效地弥补实验设备不足的问题。2014年,利用本科实验室建设经费购置2台设备、自制了电极。2015年,购置和自制了8套水槽观测模型，自制了一套简易的物性观测装置,进一步完善了含浦大尺寸物理实验模型。在多方努力下实验环境与条件得到了提升,学生的实验兴趣也大大提高。在后续的“你对开放性的实验感兴趣吗？”调查中,选择“有兴趣”的58人,“没兴趣”的3人。在对先导实验实施的满意度调查中,70%的学生表示满意(见图4)。

图1 实验环境满意度调查

图2 实验设备满意度调查

图3 实验室仪器性能满意度调查

图4 先导实验满意度调查

3 先导实验激发了学生的创新热情和团队合作意识

教学的目的不仅是书本知识的教授,更重要的是要促进学生的创新意识、激发学生潜在的探索能力、强化团队协作精神。“电法勘探原理”课程先导实验教学方法采用“学生先导实验—理论讲授/学生报告—课堂分析”对这些能力的培养进行了训练。先导实验中,学生通过实验发现问题、分析问题的方法,课堂报告掌握了对问题的合理表达方式和图表、语言逻辑的灵活运用,课外研学扩展了理论知识的应用。因此,在课程的学习过程中及课程结束后常常会引发一系列思考与创新活动。在课程中学生也会自主设计新的实验以验证心中的疑问。2012级某位学生提出在电法实验中为何供电电极要与测量电极平行,采用不平行观测有影响吗？因此设计一组实验,通过实验及课堂分析,得到满意的结论。在问卷调查中“开放实验中你尝试过设计新的实验吗？”(见图5),可以看到有近50%的学生有设计新实验的愿望。在另一项调查“如果在课程的学习过程你有新的想法/思考需要实验去验证,你会立刻申请实验验证吗？”,可以看到相当高的比例有设计实验验证学习中的问题(见图6),而这类实验对本科生而言是一种创新思维上的产物。学生不仅在课程学习中主动性比较高,在后续的学习过程中也表现出较好的创新和团队协作精神,积极地参与学校的本科生科技创新、自由探索项目的申报,有利于学生创新思维的训练和科研实践能力的培养。在学科竞赛中也取得优异的成绩,如2015年由11级本科生组成的代表队在全国地球物理知识竞赛实验环节中相互协作、操作有序、观测仔细,获得第一,总成绩获全国第二的好成绩。

图5 设计新实验意愿调查表

图6 设计验证调查表

3 先导实验的实践效果

专业课程先导实验的目的不仅仅是为了使学生掌握实验原理、方法与过程,更重要的是为了使学生深入地体会教材中理论知识背后的物理含义和进一步提高学习或探索的热情。 “电法勘探原理”课程共48学时,其中8个学时为实验课,由于实验内容多,仪器、实验空间有限,8学时远远不够,因此以往的实验教学演示性成份更多些,这就造成学生对实验方法步骤、实验现象的认识不足,导致对地球物理现象的理解困难,形成“电法勘探原理”这门课程难学、甚至厌学。而在先导实验的教学方式中,实验室24 h对学生开放,学生自主安排实验时间和内容。为了使学生能充分地实验,避免实验时间、实验器材上的冲突,实验采用申请制,申请后由实验室管理人员安排设备。从实施效果看,学生学习的积极性增加、主动性增强,主动申请实验的次数逐年增加,学生主动申请实验平均每人达10次(每次1～3 h)以上,在2016年的统计中最少申请了7次,最多申请实验次数达15次。同时课堂出勤率增加、迟到减少,并有占座位现象；由于有先导实验作基础,课堂气氛活跃、互动增多。从问卷调查中也可看到(见图7),学生对先导实验有兴趣的占绝大多数,认为对课程学习有很大帮助占91%(见图8)。

图7 先导实验兴趣调查

图8 先导实验对课程学习影响调查

4 结语

课内实验教学是整个课程教学的重要组成部分,是深入理解和应用课程理论知识进行实践活动的重要途径,也是学生创新能力培养不可缺少的环节,然而就课程教学本身来说,提高学生的学习兴趣和学习效率是任课教师的首要问题,在对学生课堂学习品质的调查中(见图9)发现,学生上课注意力不集中的原因主要有：一是教师讲得快占58%,二是对课程的兴趣占14%。对前一点仔细分析与了解得知,教师的讲课速度并不快,主要是开课初期学生没有认真学习,造成对课程内容半生不熟,那么在后续的课程讲授中如果教师不回顾前面的基础,学生就会弄不明白原理而感觉教师讲课快。因此在课程教学实践活动中,让学生适当参与到教学过程中,提高学生对课程的学习兴趣、调节课堂气氛,依据课程特点尝试让学生先做实验,事先主要了解课程内容,对课程中描绘的现象在总体上有一个感情认识,进而引发探索,通过近5年的实践与探索,这种教学方法达到预期效果。

图9 课堂上注意力不集中原因调查