問題解決教學設計應用于大學物理創(chuàng)新實驗的探索與實踐

1、問題解決教學設計應用于大學物理創(chuàng)新實驗的探索與實踐楊玉梅作者簡介：楊玉梅，中國人民解放軍后勤工程學院講師，碩士，主要從事大學物理教學及高等教育研究。本研究屬于后勤工程學院青年基金項目成果。朱霞，中國人民解放軍后勤工程學院教授，碩士生導師。，朱霞，王凱俊，武小琴，譚德宏（中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401311）摘要：問題解決教學設計與大學物理創(chuàng)新實驗課程共同關注復雜劣構問題。此類問題解決沒有現成的算法可以遵循，要求學習者面對較高的認知負荷表現出較高級的思維能力。立足創(chuàng)新實驗教學實踐，開發(fā)教學設計案例，具體分析在復雜劣構問題解決進程中教學設計呈現出的目標生成性、過程創(chuàng)造性、評價多樣化特征。

2、關鍵詞：問題解決；教學設計；創(chuàng)新實驗The exploring and practice of the problem-solving instructional design used in university physics experimentYang Yumei, Zhu Xia, Wang Kaijun,Wu Xiaoqin, Tan Dehong(Logistical Engineering University ,Chongqing ,401311)Abstract: Complex ill-structure tasksare becoming a common theme

3、both in areas ofproblem-solvinginstructional design and physic innovativeexperiment.It demands learner a higher thinking ability at the front of rigorouscognitive load and there are no method can be followed at present. We developed an instructional design case based on innovativeexperimentteachingp

4、ractice. The character of instructional design in the process of complex ill-structureProblem-solving appear as generationoftarget,creative process and evaluation ofdiversity is also analyzed.Keywords:Problem-solving； Instructional Design；innovative experimental courses一、導言問題解決作為一種教學方式，是當前教學改革的重要組成部

5、分，與傳統(tǒng)的僅僅以傳授知識為目標的教學方式有著很大的區(qū)別。美國全國數學管理者大會將問題解決界定為“將先前已獲得的知識用于新的、不熟悉的情境的過程”。問題解決的教學設計,即教學依問題而存在，問題依教學而有效解決（朱德全，基于問題解決的處方教學設計，高等教育研究，2006（5）,83-88）。加涅曾指出：“教育的核心問題就是教會學習者思考，學會運用理性的力量，成為一個更好的問題解決者?！痹谂囵B(yǎng)學生問題解決能力方面，傳統(tǒng)的實驗教學越來越不能令人滿意。傳統(tǒng)實驗的教學任務不外乎測量基本物理量和驗證定律。教科書從目的要求、原理、儀器，到操作步驟都寫得十分詳盡，沒有多少觀察、分析和獨立思考的余地，很難引發(fā)學

6、生的高級思維活動，也便談不上培養(yǎng)學生獨立探索、創(chuàng)新創(chuàng)造能力。我校開設大學物理創(chuàng)新實驗課程在一定程度上可以彌補傳統(tǒng)實驗的不足。課程從選題到問題解決都給學生足夠的空間，強調以學生為中心。從知識建構的角度來講，就是要求學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構者。創(chuàng)新實驗課程安排十周，每周兩課時，共二十課時，與兩個課時的傳統(tǒng)實驗相比，充足的學習時間保障復雜問題解決的可行性。本人將問題解決教學設計基本思想應用于教學實踐，開發(fā)了“剛體轉動慣量測量儀軸承摩擦引起的實驗誤差研究”教學設計案例，從實驗選題、目標設置、教學過程、教學評價四個方面進行闡述，具體分析在問題解決

7、過程中學生面對不斷產生的認知沖突所能表現出來的獨到見解和發(fā)展創(chuàng)造思路以及問題解決進程中教學設計的特征。二、問題解決教學選題的障礙性與探究性成功進行“問題-解決”教學設計，提出適當的問題至關重要。紐威爾和西蒙（Newell & Simon）認為：“問題是這樣一種情境，個體想做某件事，但不能馬上知道對這件事所需采取的一系列行動，就構成問題?！笔紫?，問題依托于一種情境，“情境不僅包括學習發(fā)生的具體的物理空間，還包括作為學習過程本身一部分的社會環(huán)境”1。創(chuàng)新實驗教學在大學物理實驗室進行，事實證明，完備的實驗設備并不能構成問題解決所有的情景，問題解決過程中學生需要獲得組內組外成員的幫助，輔導教師以及其他

8、教師的幫助，必要時與儀器生產廠家取得聯系等等，這構成了學習過程中一部分的社會環(huán)境，需要學生具備一定的社會交往技能以保證學習過程的順利進行。其次，“不能馬上知道對想做的事所采取的行動”，便使得問題有了“障礙性與探究性”。本次創(chuàng)新實驗選題是從傳統(tǒng)實驗的教學過程中生成的。“恒力矩法測量剛體的轉動慣量”實驗驗證平行軸定理時，不是用一個待測圓柱直接測量，而是用對稱操作法，即需要“將兩圓柱體對稱插入載物臺上與中心距離為d的圓孔中”進行測量，由此引發(fā)思考，提出問題“ZKY-ZS轉動慣量實驗儀軸承摩擦力矩對實驗誤差的影響研究”。顯然本問題沒有現成的算法可以遵循，是學生尚不完全明確甚至是未知的，不能很快地、直接

9、地做出回答，屬于探究性問題?；顒舆^程中，合作小組幾次遇到難題，引起認識上的矛盾、心理上的緊張。又幾次在討論中產生新的想法思路，也就是格式塔派心理學所說的經過幾次“頓悟”，最終成功改造了實驗儀器，發(fā)現中軸摩擦影響實驗誤差的規(guī)律。真正體會到了“窮則變，變則通”的含義。三、問題解決教學目標的開放性與生成性 創(chuàng)新實驗選題的障礙性和探究性，問題解決方法的非常規(guī)和不確定性，決定了教學目標不可能在實施教學之前就能夠明確，而呈現出一定的開放性和生成性。目前教學設計理論界提倡“開放的教學目標”即指在教學過程中可以改變學習目標或生成新的學習目標。教學設計權威W舒爾茨說，“有選擇性的教學準備具有很大意義允許在保證教

10、學目標實現的前提下，可以改變和保持駕馭教學目標的靈活性?！?“恒力矩法測量剛體的轉動慣量”，在本校傳統(tǒng)實驗教學計劃中屬于大二本科兩個課時基礎實驗項目，實驗目標是：1) 測量規(guī)則形狀物體例如圓環(huán)、圓柱的轉動慣量；2）驗證平行軸定理。顯然這是一個用“可觀察的術語”描述的非常明確的目標。本課程以培養(yǎng)學生問題-解決能力為出發(fā)點確定了如下表的開放目標體系。即目標體系不僅包括了教師根據教學需求和“問題-解決”教學設計特點預先制定的學習目標，還包括部分教學過程中生成的新目標（新目標表中用“”標出）。本案例新目標的生成過程將在第四部分“問題解決教學過程的主體性與創(chuàng)造性”中詳細論述。表1剛體轉動慣量測量儀軸承摩

11、擦引起的實驗誤差研究開放目標體系知識與技能知識維度 掌握物理概念定律：剛體轉動慣量、剛體定軸轉動定律、平行軸定理 了解實驗誤差與不確定度理論技能維度 數據記錄處理技術。自制表格記錄數據，逐差法，作圖法處理實驗數據。必要時借助matlab、excel等計算機通用軟件處理實驗數據 常用實驗操作技術。對稱操作法，水平鉛直調整法 制作技能。制作被測圓柱體粘貼板等輔助實驗器材問題解決能力 提出問題，篩選有研究價值的論題，有針對性的提出猜想與假設 能夠制定合理可行的實驗計劃 根據需要選擇所需的實驗器材 必要時能夠改進或自制實驗器材 學會考慮影響問題的主要因素，會用控制變量法 根據已有知識，必要時學習新知識

12、，從實驗現象和數據中發(fā)現規(guī)律，進行因果推理，解釋實驗現象 對結果進行描述和解釋，寫出規(guī)范的探究報告和科學論文情感態(tài)度 經過初步引導，大部份學員能夠形成自覺的探索意識和強烈的研究興趣，能對解決問題的思路和方案大膽進行假設與嘗試 對于畏懼困難，興趣低落的學員通過教員積極引導和同組學員的帶動，態(tài)度變得積極 能夠從自主發(fā)現問題，解決問題的過程中體驗到成就感與喜悅感合作與交流 能準確表達自己觀點 在合作中注意既堅持原則又尊重他人 能思考別人的意見，改進自己的探究方案 有團隊精神 認識科學研究合作交流的重要性 必要時，尋求他人或社會（儀器生產廠家）幫助四、問題解決教學過程的主體性與創(chuàng)造性教學過程體現主體性

13、是指整個教學設計力圖歸還學生課堂話語權，使學生在學習過程中擁有足夠思維和活動的時間和空間。教學過程體現創(chuàng)造性是指強調學習過程比學習結果更重要，希望看到一次次深層次的思維飛揚。實際教學過程中，創(chuàng)造性的體現需要主體性的充分發(fā)揮為前提，反過來，主體性的充分發(fā)揮也需要創(chuàng)造性的助推作用。這兩者的充分發(fā)揮都依托于教學過程中新任務（或者新目標）的生成。新任務的出現與完成是學習動力的助推劑，具有明顯的激勵作用，可以開發(fā)潛能，激活高級思維，終使學生的主體性和創(chuàng)造性得到更好的發(fā)揮，同時也使教學更有廣度和深度。本教學設計將教學過程分成選題、猜想與假設、 制定實驗方案、實施實驗方案、收集處理實驗數據、解釋實驗現象，得

14、出實驗結論六個階段。創(chuàng)造性和主體性主要體現在，實施方案階段對實驗儀器的改進、處理數據階段對計算機軟件的學習應用，以及解釋實驗現象階段自主學習新知識三個方面。1. 創(chuàng)造性改進實驗儀器，實施實驗方案對剛體轉動慣量測量儀軸承摩擦引起的實驗誤差情況，合作小組提出了多個猜想與假設，通過查閱相關資料，小組討論排除次要影響因素，得出如下一級假設：（1）摩擦力矩與實驗臺的旋轉速度有關，速度越大，摩擦力矩越不穩(wěn)定（2）摩擦力矩與實驗臺的旋轉載荷有關，載荷越大，摩擦力矩越不穩(wěn)定本實驗采用ZKY-ZS轉動慣量實驗儀，速度改變范圍有限，選擇研究假設（2），針對載荷對摩擦力矩的影響小組討論提出如下二級假設：（1）儀器本

15、身不對稱或測量元件（本實驗用剛性圓柱體）相對轉軸的不對稱放置，造成軸承摩擦力矩不恒定。（2）同等個數測量元件，誤差大小與測量元件距質心軸的距離有關。（3）測量元件相對轉軸對稱放置的情況下，與分立的測量元件相比，連續(xù)體的測量誤差較小。假設（3）在現有實驗條件下無法進行，ZKY-ZS轉動慣量實驗儀只有四排孔，只能測量1、2、4個被測圓柱體的情況，數量有限，不能體現從分立元件到連續(xù)體的變化趨勢，必須增加被測元件個數，矛盾、沖突由此產生。這就需要學生發(fā)揮其主觀能動性，各抒己見，提出解決方案，這是最有創(chuàng)造性、挑戰(zhàn)性的學習任務，也最能引發(fā)學生問題解決后勝利者的滿足感。討論過程中，一位組員提出在實驗臺上描繪

16、出被測圓柱體位置的設想，大家各抒己見最終確定了自制實驗輔助器材的方案。具體操作方法如下：剪裁實驗圓盤大小（半徑為130mm）的三張輕薄塑膠紙，以45mm、60mm、75mm、90mm、105mm為半徑畫五個同心圓，將三張圓紙片分別進行16、12、10等分，等分線與同心圓的交點就是放置被測剛體的準確位置?？紤]到測量元件是直徑30mm的圓柱體，又以每一個交點為圓心以15mm為半徑繪出了許多小圓。將塑膠紙固定在空實驗臺上，即可以滿足距中軸45 mm、60 mm、75 mm、90 mm、105mm、對稱放置2、3、4、5、6、8、10、12、16個圓柱，足以體現從分立元件到連續(xù)體的變化趨勢。實驗操作時

17、，在小圓圓心處粘貼少量雙面膠，防止被測圓柱體旋轉時發(fā)生移位。另外，如果塑膠紙比較厚或者其質量較空實驗臺不能忽略，在測量空實驗臺轉動慣量時應將塑膠紙放在實驗臺上一起測量。（可放置5,10個）（可放置3,6,12個） （可放置2,4,8,16個） 圖1自制輔助實驗器材示意圖2 自主學習新技能 處理實驗數據問題解決學習是一種知識技能含量較大的學習，比如上文提到的自己動手制作輔助器材的技能，針對本課程學生還需在教師的提示下習得另外一種必不可少的技能，即利用計算機軟件進行處理實驗數據。根據實驗原理，數據處理包含剛體轉動半周期的三次多項式，再加上如此大量的實驗數據，計算器已遠遠不能滿足數據處理需求，而借助

18、matlab、excel等計算機通用軟件，將大大減小工作量。這就生成了“知識與技能”維度“必要時借助matlab、excel等計算機通用軟件處理實驗數據”的新目標。合作小組利用excel軟件對數據進行分析，發(fā)現A=10，d=45對應數據為異常數據，剔除該數據，相對誤差與質量大小及質量分布的關系呈現如下規(guī)律：（1）相同個數被測圓柱，距離中心轉軸越近，相對誤差越低。（2）距離轉軸相同距離，被測圓柱體數量越多，相對誤差越低。顯然，這兩條規(guī)律從兩個不同的角度驗證了我們的猜想：“對稱放置測量元件的情況下，與分立的測量元件相比，連續(xù)體的測量誤差較小。”圖2 相對誤差與質量大小及質量分布的關系圖注：（1）A

19、為被測圓柱體個數；（2）d表示被測圓柱體距離中心轉軸的距離3. 自主獲取新知識 解釋實驗現象“問題解決要求他們回憶一些較簡單的、先前習得的規(guī)則和定義性概念?！?除此之外，更有挑戰(zhàn)性的是學生還需通過自學，尋求第三方幫助等方式獲取新的知識。解釋實驗現象，得出結論需要合作小組查閱大量的資料，特別是關于軸承構造，以及解釋軸承摩擦規(guī)律的相關資料。這生成了新的目標，即“問題解決能力”維度下“必要時，學習新知識解釋實驗現象”的目標。關于軸承構造相關問題，合作小組與儀器廠家取得聯系，得知所用軸承為GB276-64單列向心球軸承，獲得了軸承實物圖，軸承內徑、外徑大小等相關數據。這將對我們進行數據分析帶來極大的方便。這同時也生成了新的目標，即“合作與交流”維度下“必要時，尋求社會幫助”的目標。實驗現象驗證了我們的猜想與假設，對實驗儀器或操作方法的改進有一定的參考價值。但實驗現象背后的深層成因應從軸承受力情況進行分析。針對以上問題，合作小組做出了較大的努力，查閱學習了的大量關于軸承結構及旋轉受力方面的資料，但考慮到軸承摩擦受力的復雜性以及本課程有限的授課時間，學習任務似乎已經超出了學生的認知負荷，實驗現象未能從物理力學方面得到滿意的解釋。這同時也生成了一個新的研究課題“剛體轉動慣量實驗儀軸承摩擦的力學分析”，可以作為學生課外自主選擇的學習任務。五、問題解決教學評價的多樣化問題解決教學