工作室课堂及高校物理教学研究

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在世纪之交的前夕,美国高等教育界对如何在21世纪培养高质量的人才进行了高密度的探索.而在大学新生中如何进行大学物理的教学改革,有一支研究力量异军突起,这就是美国伦塞勒工学院(RensselaerPolytechnicInstitute,简称RPI).他们首创的“工作室物理”(StudioPhysics)是一种集成了理论和实验的教学模式,不再区分大学物理理论课和实验课.该模式最先于1993年在教学中实践.如今,不仅有StudioPhysics,还有StudioChenmistry,StudioClassforEngineeringAnalysis等[1].这种行之有效的教学模式在美国和中国的台湾地区已经实施并有明显效果,在国内却鲜有介绍和应用.本文作者之一在RPI物理系访问一年,亲自参加了StudioPhysics的教学活动,觉得有必要向国内物理教学界介绍这一先进的教学模式.

1什么是StudioPhysics

RPI将其特点归纳为[2]:集成化的理论讲授和实验课,精简的讲授,高技术强化的学习环境,合作性的学习小组,以及师生间的高度互动.麻省理工学院(MIT)可能是使用StudioPhysics最具影响的学校,它对StudioPhysics的定义是[3]:一种对大学新生进行大学物理教学的新模式(For-mat),其目的在于帮助学生对物理现象发展出好的直觉和概念模型.这一教学模式的中心是学生的主动学习.也就是利用网络连接的电脑和桌面实验装置,在高度合作和亲自动手的环境中学习.

2StudioPhysics的具体实现

StudioPhysics的最大特点是将传统授课和课堂活动(In-classactivities)融为一体.下面,我们就教室、课堂讲授和课堂活动三方面分别介绍.标准的StudioPhysics需要在一个专门的StudioPhysics教室中进行(参见图1).这一教室除了具备我们一般多媒体教室的功能之外,在每一张课桌上都有网口和与LabProDevice相连接的USB接口.通过LoggerPro数据采集软件,可以将桌上实验的数据进行采集处理,从而方便学生对数据进行分析.课堂规模为48人(实际上可以为60~90人,主要受教室限制).每个班级配备一名主讲教师,一名研究生助教,一名本科生助教.助教的作用是在课堂活动期间巡视课堂,及时解决学生的问题.StudioPhysics仍然分为StudioPhysics1和StudioPhysics2(相当于我们的大学物理1和2).总学时为120左右,每周两次课,每次2学时.StudioPhysics中包含的授课形式是:主讲教师首先在课堂的第一部分内,以传统授课形式介绍本次课的主要内容和概念,并随机解答课堂提问.然后学生在教师、助教的协助下开始本次课的课堂活动(In-classactivities).要求当堂完成实验操作及数据采集处理.这种授课形式不仅要求教师在课前充分准备,设计好课堂实验和活动的问题,同时由于教师只作重点和总结性的讲课(一般每次课不超过40min),因此学生的课前阅读成了StudioPhysics的一部分.课堂活动(In-classactivities)是StudioPhysics的关键组成部分,也是StudioPhysics区别于传统物理教学的根本所在.课堂活动的设计是与同一课堂内容紧密配合的.课堂活动一般由两部分构成,桌上实验与数据采集及其分析;根据实验和课堂内容设计的练习,目的在于进一步让学生澄清概念及其应用.要求学生在课内通过小组成员的协作完成第一部分.而第二部分则可以课下完成.

3StudioPhysics标准化进程

目前,RPI的StudioPhysics的课堂活动涵盖了近50个实验.其中力学18个,电磁学24个,波动(机械波和电磁波)9个,近代物理部分有5个.这些课堂活动是与他们的教学内容相配套的.RPI在实行StudioPhysics教学形式的同时,他们的教材采用了Halliday,Resnick和Walker编写的《FundamentalsofPhysics》(第8版).该套教材采用了基于网络的课程管理系统eGradePlus.出版该教材的JohnWiley出版公司,同时出版了和该教材配套的eGradePlus:WileyPlus.该系统使得指导教师能够为学生提供一个动态的、交互式的学习环境,并通过网络布置、提交、批改作业.值得一提的是,Resnick是PRI的荣退教授.由于StudioPhysics是公共基础课,面向全校大学一年级的学生.从1993年RPI实行StudioPhysics教学的同时也使这一教学形式标准化.对于StudioPhysics1和StudioPhysics2分别由两名课程主管教师负责课程设计、考试安排、教案准备.所有的教师遵守标准的教学大纲,统一的电子教案,所有的学生完成相同的课堂活动,相同的作业,标准化的考试.但这并不影响主讲教师在讲课过程中的个性发挥.

4StudioPhysics教学实例:磁场

学生在上课前必须预习教材第28章“磁场”第1—第3节.上课时,老师先讲授30min.课堂活动:(In-classactivity):磁棒的磁场.课堂活动设计的目标:从实验和理论两方面研究磁棒的磁场.利用HallProbe测量磁棒轴线上的磁场,与根据由假设的正负“磁荷”产生的磁场公式(该公式由点电荷的电场公式类比得出)计算的结果作比较分析.实验器材及软件:磁棒,米尺,指南针,HallProbe;LoggerPro磁场数据采集软件和Excell磁场数据处理电子表,电脑.具体的过程:1)测量磁棒的长,宽(L,W),见图2(a).2)不考虑内部磁场,将磁棒设想为两个极性相反的“磁荷”,令D=L2-W2[图2(b)].利用测得的W、L,可以计算出D.假定“磁荷”产生的磁场类似于点电荷的电场,Qm代表“磁荷”量,这样x方向的磁场可以表示为Bx=Qm4π1x-D2-1x+D2.这是一个武断推测的公式,为此需要测量一些实际位置的磁场.3)测量Bx与x的关系.利用HallProbe测量轴线x上的磁场,由LoggerPro收集记录并给出B-x线.将测量的L、W及第一个磁场测量值,输入事先设计好的电子表格,从而计算出Qm4π.然后利用由此计算出的Qm4π,计算出所有对应点的Bx,画出Bx-x线与测量的B-x线作对比,讨论它们的误差.

5StudioPhysics的特色

从上面的教学实例不难看出,本次课的内容是大学物理的基本教学内容,在传统的教学中,很容易一笔带过.而在StudioPhysics的课堂活动中,却给学生提供了一个全面探究物理的机会,让学生亲自动手,相互切磋,共同提高.真正实现了以学生为主体,研究性的主动学习,使研究性主动学习成为有的放矢.综上所述,我们可以把StudioPhysics的特点总结如下:1)主动学习.StudioPhysics成功地将教学主体从教师转换为学生,不但要求课前预习,课中自己动手、自己发现问题有针对性地请教教师,还必须在限定的时间内达到学习目的.2)学习科学探索的全过程.在StudioPhysics课堂里,学生自己安排实验,优化过程,采集数据,分析原理直到得出科学结论,其实就是通过物理课程的学习达到科学探索的目的.3)在集体中学习成长.3人小组中,每个人必须积极思考、密切合作、相互砥砺、共同提高.通过具体问题在同一环境下的集体学习,不需要教师的指点,同学也会自觉取长补短.这对于人的成长是很有益的.

6评述与总结

RPI是1993年开始StudioPhysics教学的,1995年对此进行了科学评估[4].结果表明,StudioPhysics在减少了约1.5~5.5课时的前提下反而提高了学习效果.一个最明显的效果就是StudioPhysics提高了学生参与学习的主动性,很少有缺课现象.在学校方面,由于不要继续在大学物理实验的一些基本实验设施上投资,总的财政支出反而减少了.目前RPI开发了成本更低,更加易于操作的MobileStudio,使得这一教学模式在国内的实现成为可能.从更宽的角度上看,StudioPhysics教学模式非常好地实现了现代的全人教育理念.在这个理念下,大学教育的目的必须达到“learntobe”,“learntodo”,“learntobewithothers”和“learntohowtolearn”这4个目的[5].致谢:作者非常感谢RPI物理系主任Gwo-ChingWang教授给笔者提供了学习了解StudioPhysics的机会,使笔者有可能参与到StudioPhysics这一最新的教学活动中.