思政教学结合同伴教学法融入大学物理实验的探索

陈 峻，朱道云，庞 玮，吴 肖，唐 靓

(1.广东工业大学 实验教学部，广东 广州 510006；2.广东工业大学 通识教育中心，广东 广州 510006)

2016年12月8日，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，努力开创我国高等教育事业发展新局面”[1].

大学生进入大学之后的第一门正规的基础实验课程就是大学物理实验，这门课也是我校面对全校几乎所有专业学生开设的一门基础课.物理实验学是自然科学的一个重要基础,许多现代科学的新兴技术都是伴随着这个基础的不断积累、推陈出新而发展壮大起来的.我国高等院校基础教学的一个重要组成就是大学物理实验课程,理工科甚至部分文课学生进入大学后最开始接触到的必修实验课程一般都是大学物理基础实验课程，因而对学生后续要学习的专业课程的都具有非常重要的引导和铺垫作用,尤其是基础实验课程中的实验思想、实验操作基本方法、实验设计能力的培养是锻炼学生科学实验素养和创新能力的一个重要基础.这些都与当下强调的“思政教育”密不可分的.很难想象一个不具备远大理想和抱负、不具备未来社会建设的中坚力量的理念、不具备马克思辩证思维方法、没有被历史伟人的感人事迹激励过的年轻人在未来对我们社会能有多大的贡献，如何去承担我们社会主义建设接班人的角色.

因此，习总书记提出的“各类课程与思想政治理论课同向而行，形成协同效应”是非常必要和及时的.这就要求我们在大学基础物理实验课程的教学中除了实验知识的教授外，还要不断拓展实验中所延伸到的精神思想、道德情感，通过教授的实验教学内容与之融合，从而有效的在思政教学上引导学生.

1 同伴教学法(Peer Instruction)简介

哈佛大学著名教授埃里克·马祖尔(Eric Mazur)创立的同伴教学方法(Peer Instruction，简称PI)，将传统的灌输式授课课堂变为了探索若干主题问题为导向的学生自主学习和学生小组的团队合作学习方式.PI教学法的教学主体由老师转变为学生，而老师的主要作用变为主导和引导，鼓励学生合作学习，注重培养学生的批判性思维.在课堂上，教师的主要任务是讲解课程的重点和难点，营造对主题问题互动讨论的过程，注重激发学生的学习热情、引导学生的探索精神.

埃里克·马祖尔最早将PI教学法应用于哈佛大学的物理类课程中，其相关研究工作持续十年之久,美国国家科学基金对他的研究工作给予了3次资助,其研究论文已发表在Science上[2],埃里克·马祖尔的PI教学法吸引了全世界各国教育者的眼球[3,4].同伴教学法特别适用于大范围的基础性实验课程教学，在实验教学过程中可以把学生分为若干小组，以小组团队为单位实施教学会获得更好的教学成效.我校在大学物理实验等基础实验课程中相继开展PI教学法改革尝试，具有丰富的PI教改经验，也取得了一定的教改成果[5].

2 思政教学结合同伴教学法的设计

思政教学如何融入基础实验教学一直是一个改革的难点，由于实验教学的特殊性，通常包含较少的讲授时间、较多的学生自主实验时间和教师指导时间，因而思政教学不能像一般的理论课教学一样贯穿.经过多年的同伴教学法的教学改革尝试，课题组对于同伴教学的基于问题的分组讨论教学方式应用于基础物理实验教学有丰富的经验，而把思政教学内容作为主题讨论点切入同伴教学法之中将能发挥出较好的教学效果.

标准的PI教学过程的实施包括讲义准备、课堂PI环节、量化考核等几个主要过程，如图1所示.将思政教学逐步融入其中，做到“润物细无声”，教学目标的总体设计是教学的关键因素之一，由于在课堂中教师需要完全以问题的方式来引导学生进行思考和学习，摆脱对原讲义的使用和依赖.为了帮助学生进行有效预习，现有教材无论从内容还是从编排上均存在弊端，笔者以讲义形式对实验内容进行新的编排组织.编排讲义过程中将注重把思政教学相关内容融入其中，将思政素养、人文素养、职业素养渗透其中.

图1 思政教学结合同伴教学流程

未来社会主义建设的中坚力量和接班人将是现在的青年学生，帮助学生树立远大理想，立志成为对社会发展有贡献的社会主义新人.引导学生脚踏实地掌握实验技能是实现理想的前提条件.教学目标的设计上需要能够给予学生的人生观、价值观和职业观有正确的导向作用，把专业技能的培养和个人理想信念、社会责任感链接成一个有机的整体.例如在《用分光计测定光栅常数》实验课中，把郭守敬望远镜相关内容引入其中，郭守敬是中国古代著名的科学家，在天文学、数学等方面有突出贡献，我国在2019年建成的具有世界领先地位的千万量级的巡天望远镜LAMOST就是以郭守敬命名，而郭守敬望远镜的分光物理原理和分光计实验课中的光栅分光原理是相同的，如图2所示.这就将人文历史和道德情操引入实验教学的课堂之中.

图2 郭守敬和郭守敬望远镜教学PPT示例

3 思政教学结合同伴教学法的教学运用

PI教学体系的课堂教学最重要的特点就是摆脱讲义，教师根据课程内容设计出相应的PI问题，利用问题做引导，带领学生通过分组讨论，对问题进行思考、解答，并从中激发学习兴趣、习得思考方式、形成学习方法，所以PI问题的设计和实施是教学核心所在.

3.1 PI问题设计

PI问题的设计是关键之一.主题问题需要紧密结合课程的主体，重点是能够阐述清楚物理原理、图像和方法，并引导学生进行深入思考.笔者把思政元素嵌入到讨论的主题之中，形成若干个关键问题.设计上着重把以下两个思政点嵌入PI问题之中：1) 从历史发展的角度阐述实验学的发展历程，探讨科技进步离不开对原有知识的积累与更新.引经据典，借助历史名人的典型事例进行教学，阐述实验学对历届诺贝尔奖获得者的研究所发挥的重要作用，并从历史范例中逐步说明事物发展的轨迹和变化规律，引导学生用发展的眼光看待问题、分析问题和解决问题，并培养学生的科学思维方法.2) 将马克思主义和唯物辩证法的方法应用到实验科学之中，任何科技的变革，都是在不断的修正与进步之中完成.教会学生不能以固有的思维模式思考问题，而应该运用辩证法来分析每一种实验方法及仪器结构的优缺点.遇到问题，都应该尝试用马克思辩证法处理.

3.2 PI问题的使用

在课堂教学中，通过某个现象或概念引入第一个PI问题，然后学生对此问题展开分组讨论，分组一般以自由组合方式进行，每组不超过4个人.学生讨论过程中，教师和助教主动巡视全场，听取或参与部分组的讨论，并根据学生的讨论及时把握讨论的方向.每位学生在上课前都会分得一组代表不同选项的色卡(或采用雨课堂等具有统计功能的教学软件)，讨论时间截止后，要求每位学生根据刚才讨论的结果选择作答.教师和助教统计答案分布，将此信息反馈给学生，并对学生讲解此问题的思考、解答方式，通过不同的选项结果逐步引导学生完成较高质量的思政教学.

以“用分光计测定光栅常数”实验课程为例，笔者设计了一组相关PI问题，包括了郭守敬望远镜的施密特反射式望远镜的光栅分光原理问题，以及天文望远镜和射电望远镜的区别等关键问题，如图3所示.进而讨论中国在天文学领域的快速发展，虽然我国在空间领域发展的时间相对较短，但发展相当迅速，与较早发展空间技术的发达国家目前已经没有很大差距，发射嫦娥号，探索外太空，建造世界上最大的望远镜等等，这些标志着我国已经成为一个太空强国.除了郭守敬望远镜还进一步引申出另一个我国建造的世界上单口径最大的射电望远镜FAST，在宇宙的探索中做出了巨大的贡献，发现几十个脉冲星，相信有一天人类发现地外文明也不是无稽之谈.通过对多个主题问题的讨论，将可以更好的让思政内容融入课堂的教学之中.

图3 郭守敬望远镜的施密特反射式望远镜的光栅分光原理

3.3 量化考核

PI教学法获得教学结果和统计数据的一个重要手段就是量化考核.考核主要采用考试来进行，并且尽量采用客观题方便进行数据结果的统计和分析，为了比较教学效果，考题将完全来自课堂教学中所使用的问题.通过不同形式的考核，比如短期考核、期末考核，可以较为准确地对教学效果进行量化统计和分析，可以通过对比实验班和常规班的考核结果来形成大量的教学改革的数据，进而分析思政教学改革中存在的问题.

笔者在2019—2020学年的上学期对我校2年级机械类专业(学生具备较好的素质且选择的班级学生学习能力和成绩基本接近)的4个班级进行了教学改革，4个教学班被分成两组分别命名为实验组和对照组，实验组的机械1班和机械2班采用思政教学结合PI的教学方式，而对照组的机械3班和机械4班则是常规的教学方式，实验组和对照组的教学内容设置上完全一致，且在上课过程中都穿插了思政元素，区别仅在于教学手段和方法上.在一个学期的教学结束后，对4个班进行了一次期末考核，考核的形式为客观题闭卷考试，方便进行数据的统计和分析，考试题目均全部来源于上课的授课内容.

笔者对4个班的考核成绩进行了统计分析，结果如图4所示，图4(a)、4(c)为实验组的机械1班和机械2班，图4(b)、4(d)为对照组的机械3班和机械4班.从图中可以看出实验组的2个班学生成绩相对于对照组整体上有一定幅度提高，特别注意到直方图中实验组的高分段学生数量有明显增多趋势，而低分段学生数量则相应减少，这说明学生学习掉队的情况有所缓解，大部分学生都有着强烈的学习热情和积极性，学生成绩分布向高分段集中.

虽然机械2班(图4(c))的平均分略低于机械3班(图4(b))，但机械2班学生成绩高分段分布较为集中，低分段分布较少，而机械3班学生成绩分布较为弥散，低分段分布情况较多.进一步从正态分布图的钟形曲线(图中虚线)可以观察到实验组的曲线峰值位置相对于对照组有明显的高分段偏移趋势，且曲线形态收窄，说明实验组的学生学习整体效果相对于对照组有所提高，学生成绩分布也更为集中.从实验组和对照组的学生成绩差异的显著性检测(配对T检验，如表1所示)可以看出，机械1班和机械3班配对检测P<0.05，机械2班和机械4班的配对检测中P<0.05，因此实验组和对照组的学生成绩相比较有显著性差异.综合以上的分析可以得出结论，本次教学改革中的实验组的两个班的教学效果和学生成绩都要优于传统教学的对照组，学生的积极性和学习热情都有所提升.

图4 实验组和对照组的学生成绩统计直方图及正态分布图

表1 实验组和对照组的学生成绩配对T检验

本文还收集了一些学生对本次教改的感想和建议，部分摘录如下：“谢谢老师采用这种互动教学方式，我个人认为新的教学模式虽然增加了自己课前预习工作量，反而让我更深入了解到这实验的有趣以及学习到更多知识，特别是历史上的相关人物他们的事迹我最感兴趣，因为采用互动教学，课堂气氛活跃了很多，时间总觉得不够用，很多同学都提前半个小时甚至一个小时来实验室做实验”，“互动教学模式带来的是一种比较学术的讨论氛围，不过预习任务还是要靠自觉，我觉得更重要的是让我感受到实验的魅力，小小的实验蕴含的实验原理和我国现代高新科技发展都有密切联系这深深吸引了我”，“感谢老师的悉心指导，老师对待数据处理的严格程度让我体会到一种责任心，实验数据是严肃的、客观的，实验过程中也需要用辩证思维方式去分析实验中的问题和错误”，“互动教学虽然让我动手做实验的时间减少了一点，但觉得通过对问题的讨论能很透彻理解实验比原来那种略懂好多了，要效果，并不是一味效率”.

4 结束语

基础物理实验课程是大学生进入大学之后的第一门必修实验课程，具有非常重要的意义.基础实验课程非常强调基本的实验方法和实验技能培养，科学思维素养、团队合作的精神、正确的人生观、价值观、成才观和对社会责任感等思政相关内容显得尤为重要，传统实验教学法中融入思政元素显得力不从心，大部分学生都处于被动灌输学习模式，学习效果和成绩都不能令人满意.而本文所采用的思政教学结合PI教学模式具有得天独厚的优势，既能有效激发学生的学习热情，又能通过团队讨论学习的方式充分兼顾每位同学的自身特点，班级学生的整体学习效果都获得了大幅度提高.这种采用问题导向式的思政教学法，很自然的把社会主义核心价值观等思政教学内容贯穿于整个课堂之中，做到“润物细无声”，从而让思政教学在基础物理实验的教学中能够取得较好的教学效果.