基于思维能力培养的实验教学模式探索

朱洁琪 秦 剑

广州大学机械与电气工程学院 广东广州 510006

古先贤曰：“学以思为贵”“学而不思则罔，思而不学则殆”，可见思维能力的培养在学习中的重要性。培养思维能力是教育的意义所在，思维能力的发展已经成为最值得期许的教育成果，成为一个国家培养人才的必经之路。对学生而言，思辨能力的培养将有益于其深入认识世界和社会，有益于其终身发展[1]。尤其是在科技发展日新月异的今天，人类的部分体力劳动和简单脑力劳动已经能够被机器代替。不难想象，在不久的将来，只有思维能力强的人才能免受被机器替代的威胁。作为教育工作者，更应清醒地认识到不能满足于做知识的传播者，而应做学生能力的培养者。

实验教学作为能力培养的有效途径，是本科生培养计划中的重要环节，其教学效果备受重视。综合性、设计性实验在培养学生的创新意识和创新精神、提高学生分析问题和解决问题的能力、提高学生综合素质方面具有重要作用[2]，近年来各大高校都有要求加大综合性、设计性实验比重。然而由于缺乏思维能力的锻炼，学生在面临综合性、设计性实验时常常毫无头绪，不知道该怎么进行实验，达不到开展实验的目的。因此，通过验证性实验为学生打好基础，培养学生的思维能力是很有必要的[3]。

1 传统实验教学存在的问题

传统的验证性实验教学通常包括课前预习实验提交预习报告，前期教师讲解实验目的、实验原理和演示实验内容，中期学生根据教师的演示进行机械的模仿，后期学生根据实验指导书抄写实验报告，教师批改实验报告[3]，这样的教学存在以下问题。

1.1 教学模式陈旧

传统的实验教学模式是以教师为中心，学生只是被动地按照实验要求和操作步骤进行实验，难以对实验形成系统的认识。不能激发学生的积极性和创造性，不利于能力的培养[4]。教学内容陈旧，学生的思维被限制而不能发挥作用[5]。

1.2 过度依赖教师

做实验的过程中常常会出现一些问题，导致无法按照实验指导书进行。学生第一时间不是自己想办法，而是举手让教师解决，过度依赖教师的帮助和指导，不动脑筋，缺乏主动解决问题的意识和能力。

1.3 实验数据作假 实验报告雷同

因为事先已经知道了实验原理，部分学生会偷懒不做实验，而是根据之前教师讲授的原理算出实验数据应付。而因为实验步骤固定，大部分学生在写实验报告时都是直接把实验指导书抄一遍再加上数据，导致实验报告千篇一律，毫无创新，也无法反映学生做实验的真实情况[6]。

1.4 实验效果不佳

由于只是跟着步骤机械地做实验，传统实验课堂的教学效果一般不理想，很多学生反映实验后很快就忘记学习内容，操作记忆也很模糊，过了一段时间后，更是连仪器设备的名字都记不清楚[7]。

以上问题总结起来就是学生抱着完成任务的心态做实验，学习的主观能动性不强，只是机械地重复实验步骤，而不动脑筋思考问题，不利于动手能力的培养。

2 基于思维能力培养的实验教学模式

针对以上问题，笔者改变了传统验证性实验教学的固有模式“预习实验—前期理论讲解和演示—中期学生动手实验—后期学生提交报告”，提出了一种基于思维能力培养的实验教学方式，全程用提问的方式引导学生思考、发现问题并找出答案，通过“观察现象，记录数据—研究数据，发现问题—理论学习，解决问题”的顺序来完成实验。

2.1 观察现象 记录数据

科学家是通过无数次的实验，对现象研究找出规律进而提出理论的，也就是说人类认识世界的过程是现象先于理论。在基于思维能力培养的实验教学模式中，让实验先行，在尚未接触理论知识之前，先让学生按实验步骤进行实验，观察现象，记录数据。由于尚未进行理论学习，学生不知道怎样的数据才是对的，无法作假，只能通过认真操作获得实验数据。通过对现象的观察激发学生的好奇心和探究的兴趣，充分调动学生自主学习的主观能动性，也能防止学生在已知理论的基础上对待实验的态度不认真现象的发生。这个阶段，学生按实验步骤操作即可。

2.2 研究数据 发现问题

通过抛出问题引导学生分析实验数据，发现实验中出现的规律。为了避免因数据不准确而得出错误的结论，学生需要以严谨的态度对待实验。而为了解答抛出的问题，则必须认真分析数据，发现规律。通过这一过程的训练，可培养学生发现问题的能力，训练学生的思维能力，引导学生得出结论。久而久之，学生就能形成思考问题的习惯，提高思维能力，解决学生只是跟着实验指导书机械地做实验而不动脑筋的问题。

2.3 理论学习 解决问题

经过动手实验和数据分析，学生已经得出了初步的结论。接着由教师对照实验中出现的现象进行理论讲解，而学生带着印证自己心中想法的目的学习，更能专注于解决疑问，反思对数据的分析和规律的总结是否准确、思考的方向是否正确。由于现象和理论紧密联系在一起，也能进一步加深学生对理论知识的理解。此阶段要求学生能从原理上解释现象或数据产生的原因，感兴趣的学生还可以通过找资料自主学习相关知识点，发散思考，为将来的综合性、设计性实验做准备。

2.4 提交实验报告

实验报告根据以上3个步骤分别记录数据；回答提问，按照提问写明如何进行思考，如何得出结论；理论知识结束后，根据理论解释现象发生的原因。通过实验报告阶段将3个步骤联系在一起，进一步巩固知识，形成体系，提高学生的思维能力，也能避免学生抄写实验指导书导致实验报告雷同。

3 教学案例

建筑声学课程是广州大学电子信息工程专业音视频与艺术照明工程方向的选修课程，下面以声驻波实验为例，进行分析。

实验阶段：(1)在形状规则的实验室，将能播放低频的音箱靠墙摆放，面向对面墙(如图1所示)。(2)学生戴上隔音耳塞，播放31.5 Hz的纯音信号，一人手持声级计，一人跟随观察声级计的SPL读数，从音箱端缓慢匀速走向对面墙，每当声级计读数出现极大值和极小值，停下，由跟随者在地上做下标记(即图1中p1…pn处)，并记录声级计当前SPL读数，填入表1。折返时重复一次，测到的极值点的位置是否基本一致?(3)将信号换成63 Hz，1 000 Hz纯音，重复以上实验内容，填入表1。

研究数据：(1)观察表1，d1，d2…dn是否呈现出什么规律？(2)平均间隔与波长是否存在对应关系？(3)播放低频信号时走向对面墙和走回音箱位置时所记录的极值点位置是否基本一致？声级计的读数变化大吗？测量者的身体有没有起到遮挡的作用？(4)信号为1 000 Hz时，还能找到明显的极值点吗？面对音箱和背对音箱测得的SPL读数一样吗？

问题解析：(1)经过驻波的理论学习之后，对实验中发现的问题有答案了吗？请逐一解释原因。(2)从低频和高频的传输特性解释为什么低频驻波更明显，危害更大？(3)驻波产生的条件有哪些？思考一下如何消除低频驻波的影响？

图1 声驻波实验示意图

表1 实验数据记录表

4 结语

验证性实验是基础，是实验课程必不可少的内容，只有夯实基础、培养好学生的思维能力，才能顺利地进入完成综合性、设计性实验的更高阶段。但是传统验证性实验在教学方法上存在一定的弊端，为了提高验证性实验教学效果，为今后更好地培养适应社会发展的毕业生，提出了基于能力培养的实验教学方法。实际上是模仿科学家从观察现象到得出理论的过程，引导学生像科学家一样对现象进行思考。与传统的教学模式相比，此方法更注重思维能力的培养，变“授之以鱼”为“授之以渔”。