还原科学研究的过程
——基于一次大学物理探究课的实践

刘柏云 王珊珊 张妙静

(广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

恢复高考40年来，从不足5%到超过70%的录取率显示了我国高等教育“从精英教育到大众教育”的转变。我国高等教育实现了“高等教育覆盖更多人群”的目标，但也出现了诸多引发关注的问题。如，在当前社会环境下，由于家长、学校多以高校录取率来衡量中学教师的执教水平，因此使最容易显效的应试教育模式成为众多中学教师的无奈选择。这最终导致以题海战术为主的教学方法在我国基础教育领域不仅没有逐步消亡，在某些地区甚至有愈演愈烈之势。这一趋势不但使各高等院校难以独善其身，而且还因为其所接收的大多是接受了长期应试训练的学生，而不得不深陷应试教育的泥潭。

以大学物理课程为例，虽然它是理工科专业的基础课，但学生往往认为它不属于本专业而单纯以通过课程考试为学习目的。他们在多年的应试训练下，课堂上以听和看为主，课后不以抄袭作业为耻，养成了平时不认真学、考前突击背作业、重点分析历年试题的不良学习习惯。这无疑给注重培养学生科学探究能力和创新能力的高等院校提出了现实的问题——如何纠正学生的不良习惯？如何培养学生正确的科学态度和勇于质疑的科学精神？

科学研究一般要经历观察、提出假设、推理演绎、实验论证、修正假设等过程，因此经历科学研究的全过程是培养研究者科学态度和科学精神的重要途径。然而在目前高等院校的大学物理理论课上，教师往往通过讲解或演示实验向学生展示科学研究的过程，极少有机会让学生亲身体验。缺乏体验使不少学生觉得大学物理枯燥乏味，理论艰深难懂。那么教师改变教学方法，让学生获得应有的体验，应该是改善大学物理课堂教学效果的有效策略。

实验探究法[1]作为强调学习过程的一种教学方法，它充分体现了建构主义理论中“由学习者建构自己的知识经验”来激发推理、分析、鉴别等高级思维活动的核心思想。实验探究可以使学生摆脱对知识不加理解、机械记忆的学习方法，使他们将符号所代表的新知识与已有的概念和知识进行实质的联系，从而实现有意义的学习[2]。为此，我们以磁铁为对象进行了大学物理课堂的探究式教学实践。

1 精选教学内容确定研究对象

在大学物理的教学内容中，电磁学部分占比最高[3]。有关铁磁质的知识在其中属于B类内容，但其涵盖了物质的磁性、磁畴、居里点、磁化等重要物理概念。另外，铁磁质在工程等方面有广泛的应用，具有很高的实用价值，它在生产生活中容易被学生接触到，所以很适合作为研究的对象。

2 巧设教学环节还原科研过程

1) 以自主学习奠定研究基础

自主学习一直是高等教育倡导的学习方式。同伴教学法(Peer Instruction，简称PI)被认为是以学生自主学习为基础，通过师生互动、生生互动解决物理概念教学难点的有效方法[4]。笔者在4年多的PI实践教学中，针对广西师范大学400多名不同专业的理工科本科生进行了问卷调查。我们发现：超过65%的学生都是按部就班地上课，课后没有进行必要的复习和预习，只有不到25%的学生能坚持课外自学[5,6]。基于此，为了保证探究教学的有效进行，我们将学生的部分自学任务调到了课堂上。这保证了学生在探究前有一定的知识储备，有利于后续高质量的探究。

2) 以情境教学引出科研问题

以生活中的真实情境构建物理图像一直是物理教师常用的教学手段之一。情境教学将来源于生活的真实场景展现给学生，通过教师的引导，使学生实现从真实情境到物理图像的迁移，有助于学生思维从形象到抽象的转化。为此，在本案例中，教师首先通过一张“冰箱吸铁石断裂成两段”的图片帮助学生在头脑中构建真实的情境。以问题：“一块磁铁断裂成两块后，当这两块磁铁以断裂面相互靠近时会出现什么现象？”直接给出研究的问题。

3) 以测试题揭示错误思维

学习的过程是学习者不断抛弃或修正错误的旧知识、建构新知识的过程。而错误的思维方式和固有经验会妨碍学生构建新知识。因此了解学生错误的固有经验和思维方式，并就此进行针对性的教学是帮助教师突破教学难点的有效途径。基于笔者多年的PI教学经验，我们将2)中的研究问题设计为以下测试题，以便了解学生头脑中的前概念或错误思维：

题目： 一块磁铁断裂成两块后，当这两块磁铁以断裂面相互靠近时会出现什么现象？ ( )

A. 吸引； B. 排斥；

C. 既不吸引也不排斥； D. 以上答案都不对。

学生通过回忆以往的生活经验和所学知识并稍加思考后，可以就此给出自己的答案。由于他们往往只考虑磁铁断裂的一种情况，因此实践中发现选择A和B的人数相当，比例较高。答案的不统一将引发学生的思维冲突，激起他们的求知欲。此时，教师在不公布答案的前提下，组织学生进行分组实验将有助于他们带着问题进行有目的的探究。

4) 以分组实验进行实证探究

合作学习近年来备受关注，来自不同研究小组的实践研究证实：3～4人的合作小组是提高小组成员学习质量最适合的人数配额。因此，我们将学生分为了多个3～4人的学习小组，并通过发放白板吸铁石、小磁针、小刀、剪刀、磁性门帘吸条等常见物品组织学生在课堂上进行分组探究。学生可以利用小刀、剪刀对白板吸铁石和门帘吸条实施撬取、剪断等操作；利用小磁针可以探测磁铁的磁极方向。

5) 以实验报告呈现科学猜想

在实验探究的过程中，我们要求学生以统一格式记录每个实验操作以及相应观察到的实验现象，并通过小组讨论给出相关原理的猜想。在本次实践教学中，不少学生是将白板吸铁石摔断的。这些学生发现：由于磁铁断裂的方向不可控制，因此会观察到不同的实验现象——测试题A、B、C选项的对应现象都可能出现。此时学生结合之前自学的知识并经过小组讨论，给出了自己的科学猜想。

6) 以讨论+视频验证科学假设

学生分组实验后，教师就回收的实验报告邀请具有代表性的小组走上讲堂分享看法。这可以使学生了解不同小组的探究过程以及科学猜想。此外，考虑到现场实验的有限性以及科学研究的严谨性和逻辑性要求，教师在学生讲述后，展示了事先拍摄的实验视频——利用切割机切割不同形状强磁铁的视频。这些视频既补充了部分不宜在课堂中操作的实验过程，同时也使前面的探究活动自然上升到科学研究的水平。

7) 以分析总结修正科学推理

通过以上环节，学生自然得出了本次探究实验较完整的步骤：

① 利用小磁针测量磁铁的磁极方向；

② 沿磁铁原磁感线方向截断磁铁，并观察断裂面靠近时的现象；

③ 沿垂直于磁铁原磁感线方向截断磁铁，并观察断裂面靠近时的现象；

④ 对不同形状的磁铁重复以上步骤；

⑤ 观察磁铁长时间被切割机切割后的现象；

⑥ 总结实验现象并提出猜想。

这时，教师和学生对所有实验现象进行分析总结，可以归纳出以下结论：

① 沿平行磁铁原磁感线方向截断磁铁并使断裂面靠近时，磁铁因断裂面的磁性相同而相互排斥；

② 沿垂直于磁铁原磁感线方向截断磁铁并使断裂面靠近时，磁铁因断裂面的磁性相反而相互吸引；

③ 切割机长时间切割磁铁可能导致磁铁温度超过居里点，此时磁铁因磁畴被破坏而失去磁性；

④ 严重的摔打可能导致磁铁因磁畴被破坏而失去磁性；

⑤ 磁铁断裂后，以断裂面靠近时出现的现象与磁铁原来的形状无关。

8) 以始问终答实现完整教学

本案例的实践探究以一个问题开始，此后的多个环节基本呈现了科学研究的必经流程。学生在课堂中体验了“建立图像、独立思考、动手探究、提出猜想、讨论推理、分析总结”的过程，并最终发现前文题目的正确答案是D。也就是说，本次教学实践始于问，终于答，实现了课堂教学的首尾呼应。

3 通过课后反思促进教学相长

教学的基本要素中除了教学目的、教学方法和教学过程外，教学反思也极其重要。本案例的实践教学时间约为80分钟，其中学生实验探究的时间约占一半。在实验探究的过程中，我们注意到一些在教师主讲的传统课堂中往往不会被发现的问题：不少学生，尤其是女生，虽然知道小磁针可以测量磁极，但却不敢确定在没有其他磁铁存在的情况下，磁针所指的哪个是地球磁场的北极或南极；又如，当教师提到小磁针可能由于课前保存不当被磁化时，一些学生对“如何校正可能被磁化的小磁针？”的问题束手无策，而另一些学生则想到可以利用手机的指南针，或者用已知的地理南北方向进行校正。这些发现令笔者感叹：虽然学生都知道“同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引”的简单原理，但他们实际运用原理的能力却差异甚大。

本次教学实践达到了让学生经历科研过程的目的，实现了“以学生为主体，以教师为引导”的“翻转课堂”的教学理念。在学生方面，很多学生认为这样的课堂气氛活跃，动手探究和分组讨论能够让他们知道自己是否真正掌握了知识，希望以后能多上这样的课。但是，也有部分学生认为知识点不多，用80分钟来学习太浪费，应该多讲习题提高解题能力。在教师方面，教学过程仍有不少值得改进的地方——因为白板吸铁石不容易撬取、分割，未来可以选用更容易在课堂上切割的磁铁；教师应提前规定实验报告的格式，否则很可能无法在学生的实验报告中获取有用的信息；不少实验报告体现出学生的文字表达水平不高，未来可以鼓励学生结合图形图表提高书面表达能力。对于部分学生因应试教育导致的过度重视做题的习惯，笔者以为利用当前的互联网+技术，将例题讲解以微课的形式呈现，让学生在课后学习不失为一个很好的补偿方案。

虽然本次实践教学有助于纠正学生的不良习惯，有利于培养学生正确的科学态度和勇于质疑的科学精神，但“极少学生能提出有价值的问题。”的现实仍让笔者深感遗憾。创新首先源于问题的发现，要培养创新型人才就要提供更多机会让学生提出有价值的问题。因此，如何提升大学生提出高质量问题的能力，值得我们思考。

[1] 许云凤.探究式教学与传授式教学辨析[J]. 教育探索，2006(7)：22-24.

Xu Yunfeng. Analysis on inquiry teaching and traditional teaching[J]. Education Exploration, 2006(7)： 22-24. (in Chinese)

[2] 陈琦,刘儒道.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2007:163-165.

[3] 理工科类大学物理课程教学基本要求(2010年版)[M].教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会.北京：高等教育出版社，2011:1-15.

[4] Mazur E.同伴教学法——大学物理教学指南[M]. 张萍，译.北京：机械工业出版社，2011:1-213.

[5] 张妙静，赖仿，杨醒.同伴教学遭遇的困难与应对方案——以广西师范大学为例[J]. 高教论坛，2015,(8):50-53.

Zhang Miaojing, Lai Fang, Yang Xing.The difficulties and solutions in carrying out peer instruction——taking Guangxi Normal University as an example[J]. Higher Education Forum, 2015(8): 50-53. (in Chinese)

[6] 张妙静，程蕾.同伴教学法应用效果分析//2014年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集[J].物理与工程, 2014(S1):154-156.

Zhang Miaojing, Cheng Lei. Analysis on application effect of peer instruction//The memoir about national education seminar on university physics course in 2014[J], Physics and Engineering, 2014(S1): 154-156. (in Chinese)