摘要:本文旨在阐述物理教学实验课程存在的必要性,对比国内外物理实验课程存在的差异,结合现阶段我国物理实验课课程开展的现状,分析课程中存在的一些不足和短板,并根据研究给出相关建议。提高物理师范生物理实验课程的水平,分析学习背后的重难点,对现有教育机制的不足提出建议,从多角度优化教学模式,提高学生实践热情与积极性。并且对于物理实验学习的“多”与“精”逐个分析优劣,表明我国物理实验课程更应该走向哪个方向。为我国物理师范生的未来和教育理念提供参考。
关键词:物理师范生 物理实验课程 多与精
1 绪论
1.1国内物理学实验发展历程
从中学开始物理课程的学习就提上了日程,但物理教学的现状是以理论考试为主。学校与教师为了学生可以考高分进名校,不得不更重视理论传授而非实验教育,因此学生大部分更偏向对于理论知识的记忆和公式的运算。但是学生面对枯燥的书本知识,以及对实验现象及原理掌握不牢,导致在学习中不能提高兴趣,缺乏探索精神。这也导致选择物理专业的师范生在大学的学习中进行探索的方式方法存在不足,更多重视书本知识以及理论原理,学习的根本上就出现了偏差,物理师范生的现状进一步引起教学中的困难。随着社会的不断发展,国家和教育部门对于素质教育越发重视,国家越来越重视实践与实验,希望在社会中可以出现创新型人才,为此国家相关机构也相应地提高了要求,在中学阶段开始增添多媒体等设备,向学校拨款建立实验室以及对实验室进行维修保护,中学阶段主要培养学生的兴趣为主,使学生学会思考,开拓思维,发展创新能力。而在高等教育中,实验是与理论同样重要的环节,甚至在一些专业中,更加重实验轻理论,实验课程成为理工科高等教育中的核心课程,以此为社会国家培养定向高端人才。国家为此投入大量人力物力以此来支持高校培养尖端人才,使得我国物理这门学科在国际上产生深远的影响。
上个世纪七十年代,改革开放带来经济腾飞的同时也让我国教育与文化思潮有了翻天覆地的变化。陈娴[1]表示,1978年时教师在教材使用的过程中遇到了不少困难,很难吃透和把握新教材。所以这个时期教师的教研活动主要以掌握新教材为主,教师教研的主要任务就是吃透教材,在这个时期教师的教研活动也特别活跃。一九八二年,有学者总结当时中学物理教学的特点:重视基本概念和规律的教学,加强演示和学生实验,强调理论联系实际,重视培养学生的能力[2]。物理是一门以实践为主的实践课程,如果不进行实践,那么宛如纸上谈兵,空口白话,学生听起来就像天书一般难懂。如果在中学课堂中只进行实践而忽视了理论知识,不足以加深学生的印象,并且不能与实验内容进行完美的总结。如今我们是站在巨人的肩膀上学习科学,正是由于前者总结的知识经验,我们才进行了创新研究,如果在教学中仅仅关注实践,那么巨人们的肩膀就形同虚设,所以理论和实践同等重要,不可以只重视实践也更不可以只重视理论,只有二者相结合才可以达到最好的教学效果。在如今,中学开展的实验课程远达不到和理论课程相匹配的程度,在当下教学中要求实验课程与理论课程相匹配,是十分不切实际而且难以实现的。但是这并不意味着我们应该放弃理论与实验相结合,相反我们国家为了达到这一标准,正在不断更新政策,不断完善物理教学体系。对比国外,目前我国物理教学存在以下三个优点:①选取最常用的、基础的、学生能接受的物理知识.②重视物理知识与实际的联系,③难易适度,负担合理[3]。
如今,中国教育部已经下达相关文件,其中《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》指出:“大学物理的考核要求是要避免应试教育的倾向,积极探索以素质教育为核心的课程考核模式。”这就是我国政府正在完善的教育体系,试图建立终生学习系统。高等教学中的物理教学其意义是在于为社会培养精英,为国家培养栋梁,在和平年代为社会造福,在战争危难时代保护国家。就如同此次疫情,多少科研工作者日不眠夜不休,只为了为国家早日研发出抗击病毒的药物。有言论说,此次疫情是不良国家恶意传播是次生物战役。也有国家借此次机会,恶意攻击中国。但是我国外交部发言人耿爽却可以扬我大国风范说出:“中国既不惹事也不怕事。”其底气中就包含物理领域的长足进步,国家实力的进一步提升足以捍卫我国国民,驱除心怀不轨之人。由此可见,物理学的研究对于一个国家而言是多么重要的,本文将针对物理师范生开展实验课程应该“多”而“精”进行探讨。
1.2国内外物理学实验课存在的异同
现在国内大学使用的物理教材约几百套,但是框架大多出自上世纪四十年代福里斯和季莫列娃编写的“普通物理学”。其优点是逻辑很性强、简明扼要、叙述准确且清晰,但是忽视学生作为学习体的兴趣和感受。而国外对物理教材配有许多精美的彩色图片,内容偏重引导和情节假设,吸引学生探寻。斯宾塞认为“科学知识最有价值”。他即提出反对强制性教学的思想,认为教学方法应该注重从“实验”到“推理”,让学生在观察、探索中发现学习[4]为了符合现阶段要求,只能通过刻板的方式为国家选择进入高端领域的人才,这是我国当下物理教学的弊端,一味的发挥老师在教学中的主导性,而忽视了学生才是学习的主体,需要激发学生的兴趣和探索欲望才能使得学生投入到学习中去。教育学家杜威反对一味地灌输和外部的纪律,认为教师的作用是“建议”、“指导”,而不是发号施令[5]。
物理教材的选择也是一个关键,教材的排版设计可以确定一门课程的风格,如果课程风格死板压抑,太过于恪守陈规,在学习的过程中,学生不会自主的探索和发掘,是十分不利于学习的。除此之外,书本的内容也十分关键,如果只是将公式以及定义作为书本主要内容,不在章节中设置本章节原理如何产生,在发现这一原理过程中遇到了哪些问题如何解决这一问题等板块,那么学生对于定义的理解还是不够深入,空洞的定义公式只能如同一层浮萍附着在他们的脑海中。而如果在选择物理教材时,选择较为新颖较为前卫的教材时,可能会与学生碰撞出不一样的火花,当专家在编辑教材时,配有一定的故事情节,一定的实验过程以及情节碰撞时,学生会充分发挥其自主性,主动对物理知识进行探索。这是我国现阶段物理教学应该去创新改变的。
段家忯[6]等人在前往美国高校进行物理实验课程考察后得出结论,首先美国的物理实验课程设置大致分为四个部分:1)课堂演示实验,2)LowerDivision物理实验(相当于我们的普通物理实验),3)Upper Division物理实验(相当于我们的近代物理实验),4)科研性课题实验。他同时还发现,美国的物理课程还有以下特点:因材施教、及时将科研成果转化为新实验等等。与国内不同的是,美国高校有高水准专职的实验课程教导人员。这就避免了执教人员的不专业性。新的教育观肯定学生具有特殊性,所以不论在任何教学中,都应该做到因材施教,发挥学生的自主能动性,设计实验内容去激发学生的潜能。由浅入深的进行教学,在老师认识学生的过程中,使得学生也可以正确的评估自身。美国的物理实验课程设置十分合理,这是我们需要借鉴的,在教学中要充分发挥学生学习的自主性。在教授时,老师要做到细致全面的示范,在学习时,要学生自己进行研发进行探究。除此之外,要提高教师全体的职业素质,对教师进行定期培训,更新教师团队的知识储备以此可以使教师教授的内容更加与时俱进和专业。同时美国物理实验教育开展的时间较我国更长。由于美国科学教育界有较强的“做中学”(Hands On)传统,数字化实验亦被广泛应用于探究式教学和学生自主实验,包括野外观察和项目研究等[7]。
唐克维在对比中外物理实验课程后表示:国外与我国的中学物理实验室大多数在课上对学生开放,在加拿大与我国台湾地区有部分学校的实验室会在周末对本校中学生开放[8]。笔者认为加拿大的做法在我国的学校在注意安全性的前提下可以进行试点尝试。开放物理实验室的原因在于可以提高学生自身的学习能力和探究能力,多数情况下,普通中学生的家庭并不可能拥有家庭实验室。但是当学生对书本知识产生疑问时或者当学生产生新的科学想法时,由于物质条件的匮乏不能及时得到解决,这就需要学校来提供这样的场所和条件。当然,加拿大与我国台湾地区在周末开放实验室这样的方式,会产生一些安全方面的问题。由于独生子女政策,许多家庭只有一个孩子,当出现安全事故时,学校是没有能力承担这个责任的。所以需要健全这个完整的体系后才可以借鉴,当然随着制度的进一步完善,实验类等课程会发展的越来越通畅,学生的求知欲望也会得到进一步的满足。
在当下看来,国内外的物理实验课程设置的异同中,中国在某些方面还是较为落后的,针对这些现象我们应该做到取其精华、弃其糟粕。在吸收学习他国优秀做法后,根据我国具体国情,设置符合我国国情的物理实验课程设置体系。
本文将从国内师范生开设实验课程为切入点分析其必要性,同时探讨国内物理实验课程开展的具体情况与困境。在这种情况下,实验课程开展的两种主张方式“多”和“精”,该如何取舍?是否能够结合?笔者希望借此文能给相关研究提供些许帮助。
2 针对物理师范生开设实验课的必要性
2.1物理师范生理论和实验经验的不统一
黄冬霞表示:物理师范生探究能力培养,即在合适的探究学习环境中,在老师的指导下,能自主地提出问题,通过设计实验方案,独自探究书上的知识,展开科研调查等,在此过程中获取知识和技能,进而提高科学探究能力[9]。那么这就意味着咋们物理师范生不能只去掌握课本和理论,还应该有独自开展调研和实验的能力。但是笔者在黄冈师范学院了解到,不少学生在理论和实验经验上很难达到统一,即在实验过程种常出现失误、得不到预期效果等等。针对这一现象,老师应该发挥其主导作用,在理论课堂中将原理的由来阐述清楚,与学生构建双向的传播系统,当学生产生疑问时,及时解决。在理论课堂中,要求学生提出创新型实验,并且根据自己提出的实验,写出具体实验步骤,填写在实验报告中。当进行实验课程时,在把握完成基础实验后,进行创新型实验,如果发生问题产生联想等,及时与任课老师进行沟通解决,最后由老师对本次实验内容进行打分并计入平时成绩。物理师范生理论和实验经验不能做到完全的统一相适宜,当学生在实验过程中常常出现失误,得不到预期效果时,老师需要介入,发挥其主导性,对学生的困难疑惑进行解决。就是由于物理师范生理论与实验经验的不统一,所以需要多次开展“多”而“精”的实验课程,并且进行一系列的管理措施,才可以减少学生失误、在实验中难以得到预期效果等问题。
2.2 对于物理师范生未来发展前景的必要性
在高校教育期间,学校应加大教育实践的力度,开设专门培养物理师范生教学技能的实践课程,提供更多的平台供学生使用[10]。另一方面,物理师范生应该抓住为期两个月的实习期努力锻炼自己,不断提高自己的授课与交流水平。当然,这两者的前提都有一个前提,那就是专业性达标。开设物理实验课程对于物理师范生来说是提高专业水平、开创就业前景的良机。在大家对于理论知识都掌握清楚的情况下,物理实验水平的高低就成为检验物理师范生水平的标杆。
师范生是孕育下一代社会各个领域专家的主力,物理师范生也是科技技术的基石。如果在大学课堂中不再开设物理实验课程,那么物理师范生将很难在未来的工作中培养出人才,因为他们自身也不具备足够的能力。在开设物理实验课程的基础下,再为学生提供教学技能培养的平台,将校园内的学生向技术职业性人才培养。那么,当黄冈师范学院的物理师范生走出校门时,就有能力直接站上三尺讲台,教书育人了。实验课程的开设十分重要,这对于物理师范生未来的就业发展十分重要。
2.3增强物理师范生的动手能力、实践能力
李潮锐和吴深尚[11]在论文《物理实验创新教育的探索与实践》中提出,在实验课程中,应该要求学生通过充分的实验学习和理解,懂得主动操作、测量控制及数据采集,达到掌握现代实验技术技能、培养科技创新的综合能力的学习目的。物理师范生的专业方向为人民教师,但是在大学中应该向综合型人才方向培养,在进行考核时,应该考核学生的操作、测量控制及数据采集等能力,需要物理师范生能够拥有卓越的动手能力和实践能力。综合型人才是为社会所培养,因为物理师范生的就业不一定是老师,也有可能会成为一名专业型对口人才,为社会在物理领域做出贡献。如果未来的就业方向是人民教师,那么卓越的动手能力和实践能力更会使得教师在课堂中得心应手、游刃有余。可以在课堂中向学生拓展更多的物理学知识。
合格出色的物理实验课程还能打开学生的思维模式。曹显莹和曲阳[12]提出:还能为其(学生)后续各个专业实验课的学习提供实验技能训练和处理方式方法的思想,甚至会对学生今后的工作思维和作风起到重要的影响。知识的学习是具有互通性的,通过物理实验课程的学习,学生的思维模式得到改善,可以克服刻板印象,打破固定思维,在进行其他学科的学习中时,可以做到融会贯通,举一反三,进行快速的学习吸收。另外,优秀的学习态度也可以带来优秀的人生态度,在实验课程中,实验技的训练和处理方式方法的思想都会对学生的生活产生影响。
3 现阶段开展实验课程的状况
3.1实验课课程时间的有限性
通常来说一场完整的实验需要2-3个小时来设计、制作、观察和记载,但是传统大学课程时间一般为1.5个小时左右,即使学校有意安排出时间,但因为学生个体差异,部分人不一定能在规定时间内完成实验。
解决这一问题的方法,笔者认为还应该从学生方面入手,要求学生拿出主动性、积极性。
同时针对学生的不同表现设计合理的考核方式。拥有正确的考核方式,将会对学生学习产生非常大的引领作用,多元化的考核方式可以使得学习者的学习中心得以改变,从被动地接受到主动地探寻,发挥自身的主观能动性,运用学习到的知识发现和解决问题。并且还可以让学生搭档组队,互相监督。通过合作与组队的学习管理模式,让学生通过相互交流比较,认清自我,提升自我的动手能力和综合能力等。
3.2实验教师教学内容陈旧和繁杂
高校物理第一课便是绪论,目的是充分引起学生对于实验课程的重视与理解。崔秀花在论文《民族地区大学物理实验教学的探索和研究》中建议教师:深入浅出地讲解测量误差,收集及处理数据,评定不确定度,最好能通过一份实验报告能将这些内容都串讲起来,能让学生对枯燥的生涩的有效数字、误差理论和不确定度的评定能有个直观的认识,并在其后的课程中不断强化和深化这方面的知识[13]。笔者对她的观点表示赞同,因为教师是教学活动中的一个基本要素,教师自身的素质直接影响着教学质量。
虽然有部分院校更新了教学内容,但是张占新认为很大程度上存在这样的问题:往往只注重单个实验的改革与创新,缺乏对课程体系进行创新思考,忽视了对课程教学全过程的创新[14]。针对这一点,笔者认为应该从整体出发而非局部,如果单个实验更新,理论知识却没有跟上革新的节奏,将会导致内容差异、模糊,混淆学生的理解。
3.3学生自己缺乏兴趣与热情
为什么学生对于实验课程不热衷,笔者认为一方面是因为前十几年的学习模式都是偏向理论,进入大学一时改变难以适应,另一方面则是因为评价方式过于片面,没有做到因材施教、因人而异。
王铁云建议:由于学生的基础理论知识与实验基本技能存在个体差异,因此,大学物理实验课程的教学评价不能仅仅采用一锤定音式的绝对标准,而应与反映学生自身实验技能的递进式相对性标准相结合[15]。
该怎么去解决学生对于实验课程缺乏热情的情况,笔者尝试着从以下几个方面提出建议:①多元化考核:教师不仅课上监督学生完成实验,课后也可以要求学生拍摄完成实验的视频。②加大实验成绩在期末成绩中的占比。③高校间增设物理实验竞赛,给予竞赛中表现出色的学生加学分或是其他奖励。
3.4院校课程和最新研究内容存在差异
涂亚芳与吴铁山[16]调查后发现高校内物理课程实验的设置存在不合理:传统的经典的实验较多,而与当代科技热点前沿相关的实验内容太少。
就如笔者在前文提到的那样,如今的物理教材多半取材、衍生于几十年前的苏联课本,许多新的物理前沿内容没有被添加,学生在学习最新的实验课程时无法和课本知识相结合,也无法将院校课程和最新研究内容相结合,造成了知识的错位,不便于记忆的同时还可能造成错误的认知。
对此笔者建议,高校可以邀请物理学专家进行讲座或者访谈,为学生讲解最新的物理知识,帮助理解吸收,让学生从课本以外了解更多的内容。
4 实验课程开展的两种主张方式“多”和“精”
4.1实验课程“多”的背景
笔者认为,物理实验课程存在内容多却相互独立封闭的特点。梅孝安在《大学物理实验教学创新改革研究》中表示:传统的物理实验课程体系是按力学实验、热学实验、电磁学实验、光学实验和近代物理实验等分别安排的封闭体系,这种封闭体系强调了学科的系统性,忽视了学科之间的兼容互补性,各学科相互独立,限制了学生跨学科思维能力和创新能力的培养[17]。
同时这也对应了部分人对于物理实验认识的一个方向:多做实验广泛认识,但是不需要精通,如果后期产生疑问或者有其他需要,可以向互联网学习。对此笔者认为,这种方式要求学生拿出大量的时间,需要学校方面提供丰富的实验资源,因素是否稳定还有待考证。
4.2实验课程“精”的背景
与前文提到的实验方向不同的是,也有部分人认为物理实验贵在精通,实验数量可以少,但是每一步都需要透彻,让学生在掌握实验基本功的基础上进一步提高实验技巧。潘正权表示:目前“大学物理”课程体系、知识框架与现行的中学物理十分相似,课程教材内容叙述注重知识的逻辑性,比较强调解题技巧,对学生缺乏吸引力[18]。该如何提高吸引力?答案显而易见,那就是教授与初中内容截然不同的知识,而这些知识需要学生自身从实验中获取。
同时提高吸引力的另一个方法就是学校方面加大创建创新实验室的投入,结合最新的物理实验项目,为学习者提供尽可能多的资源。利用创新实验室建设让师生共同参与寻找突破学科知识和规律的重点、难点,让学生从实验探究、活动探究、媒体呈现、互动体验中构建物理概念、物理规律,激活学生学习内驱力,提高学习效率,提升学生实验能力、探究能力和创新能力[19]。
4.3当代实验课“多”与“精”是否能结合
其实上文提到的两种看法都各自有道理,对于传统大学物理教学的困境都能起到一定的缓解作用。但是“多”带来的问题需要花费大量的时间,大学生课程安排相对来说是比较紧凑,在时间上是不太允许的,而且“多”也需要我们花费大量的精力,学生是否有这个精力去钻研还有待考证,那这二者能否结合?笔者给出的答案是不能。面对物理实验应该抱有钻研的精神,以网络数据解决实际问题,其价值与收获将会大打折扣。
4.4主张实验课“多”与“精”的调查
对于物理师范生和未来的物理教师来说,实验课程必须嚼透。笔者了解到,很多学校也将实验课程的偏重放在了“精”上,也就是更加注重基础。为了提高物理教师的专业水平和教学水准,二零一九年我国举办了全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛,该比赛于二零一九年五月十五日到十七日在安徽举办,承办方为中国科技大学。有十五所一本院校派遣二十二位物理学科专业教师参赛。同年四月,上海高等学校物理基础课程(实验课程)青年教师讲课比赛选拔赛在上海举行,十一所高校参赛。可见针对我国物理学科实验课程虽然有两种声音与意见,但是教育部和国家在行为上更倾向基础教育。
笔者也就“多”与“精”的意见电话采访了黄冈师范学院物理专业的48位同学,询问他们对于物理实验课程发展方向的看法。提出问题如下:
1、作为学生,你支持实验课程偏向“多”还是“精”?
2、如果未来成为一名物理教师,你支持实验课程偏向“多”还是“精”?
3、你认为“多”或“精”将如何影响物理课程的发展?
5 结论及自己的观点
5.1主张开展实验课“多”和“精”调查结果分析
经过采访笔者了解到,48位同学中有39位同学对于问题1 的回答是支持“精”。而对于问题2则有15位同学认同“多”,24位同学认同“精”还有9位同学认为应该将“多”与“精”结合。对于问题3,有同学认为,只追求数量上的多是没有意义的,不深入挖掘只浮于表面,对于自身的专业课程没有帮助,依赖手机和互联网等外在设施,并不能使物理原理和发明有进一步的拓展。更何况对于一名物理师范生来说,对自身应该有更高的要求。
如果过度追求实验课程的“多”,将会导致物理师范生对于自身学业降低要求,在未来的授课中依赖网络,无法准确向学生传授知识,同时也会对学生关于物理实验的理念造成不正确的影响。
5.2自己观点、结束语
现在互联网的发展的确便捷了人类的生活,但是对于知识掌握还是应该依靠自身。物理课程当然可以与现代科技结合,比如慕课、微课等app,也可以借助高科技实验器械为学生演示实验过程,但是这并不能取代学生自身动手实验的理解。笔者也衷心提出建议,高校与教师在培养学生实验能力的同时,切实把握学生基础知识的专精程度,征求学生意见尊重他们的学习主体地位,将学生的建议纳为实验课程“多”与“精”抉择的考虑范围。在确定实验课程的偏重之后,将实验课程的成绩占比权重扩大,引起他们的重视。同时物理师范生应该看重自己教学技能水平的培养和提升,教学技能水平的提升,将有效促进咋们师范生的专业发展。那么该如何去认识自己的专业水平和教育技能是否有待提高呢?针对这个问题我们应该多方面求证,在校期间寻求老师与同学的客观看法,也可以实习期间从学生的口中直接获得。
总之对于实验课程成绩更好的学生,用人单位应该优先录取。在学校重视对物理师范生理论知识和实验课程的同时,学生本身也应该重视自身的不足,投入精力弥补专业缺陷和技能短板。
我们人类追求真理和探索未知的这一过程里,物理是我们认识世界、改造世界的重要武器,它塑造了人类正确的世界观,作为一种科学的方法论,在历史和未来都将占据重要的地位,为人类的科学素质培养和人才输送打下坚实的基础。大学基础物理课程在欧洲同样常见,它被设置为一门重要的通识性必修基础课,而且和我国一样,通常也不以专业来划分,很多专业的基础物理课程与物理专业的相差并不大。我国相对西方而言,引进物理学科的时间不占据优势,就更应该迎头赶上,发扬刻苦钻研的精神,把握实验课程中的重点,攻破其中的难点,为自己的学业和未来努力奋斗。
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