王小蘭,戴亞文
(1.湖北省黃岡師范學(xué)院,湖北 黃岡 438000;2.武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430070)
通過信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合,建立各學(xué)科課程的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺,創(chuàng)新教學(xué)模式,已成為21世紀(jì)教育研究的熱點。大學(xué)物理實驗是理工科涉及面最廣的重要的實踐性課程,是培養(yǎng)高素質(zhì)人才重要環(huán)節(jié)。隨著國家、省兩級實驗教學(xué)示范體系的逐步形成,大學(xué)物理實驗教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量的提高就顯得十分必要。建立物理實驗示范中心數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺、創(chuàng)新實驗教學(xué)模式,以逐步實現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動方式的變革,為學(xué)生創(chuàng)造一個適合信息時代學(xué)習(xí)特點的學(xué)習(xí)環(huán)境和教學(xué)模式,是當(dāng)前信息技術(shù)與物理實驗課程整合中迫切需要解決的問題。
近幾年各高校在這方面進行了有益的探索,但還只是一種傳統(tǒng)的“老師講解-操作演示-學(xué)生操作實驗-提交實驗報告”教學(xué)模式的變種,在“課前預(yù)習(xí)-課堂操作-課后完成實驗報告”實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)上沒有把信息技術(shù)與學(xué)科課程真正融合起來,不能實現(xiàn)根本意義上的教育信息化教學(xué)模式改革。一般“課前預(yù)習(xí)”只觸及到教學(xué)內(nèi)容及形式的變化,如實驗教材的電子化網(wǎng)上呈現(xiàn)等;“課堂操作”也只是老師講,學(xué)生被動的聽,再操作實驗;“課后完成實驗報告”質(zhì)量不高,印象不深,做一次實驗來也匆匆,去也匆匆,根本談不上科學(xué)素養(yǎng)和能力培養(yǎng)。
因此,針對理工科基礎(chǔ)物理實驗課程,如何將信息技術(shù)與之“深層次”有機地整合,實現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新,我院和武漢理工大學(xué)的大學(xué)物理實驗中心密切配合積極開展本課題的研究,擬對物理實驗教學(xué)模式從理論和實踐層面上進行新的探索。
我們研究的理論基礎(chǔ)主要建立在人本主義理論與建構(gòu)主義理論之上,這些理論的核心觀點概括起來有:
建構(gòu)主義理論。對于學(xué)習(xí)者來說,建構(gòu)主義認(rèn)為,學(xué)習(xí)不是知識由教師向?qū)W生的傳遞,而是學(xué)生建構(gòu)自己的知識的過程。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)是主動的,不是被動的信息接收者,而是通過對外部信息的選擇和加工主動建構(gòu)信息,這種建構(gòu)不可能由他人替代完成。根據(jù)建構(gòu)主義的理論,要創(chuàng)設(shè)一個有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的信息環(huán)境和發(fā)展平臺,變封閉的、被動的、接受式的學(xué)習(xí)方式為開放的、主動的、探究式的學(xué)習(xí)方式,使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不僅獲得知識,更能獲得繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力和解決問題的策略,培養(yǎng)學(xué)生良好的信息素養(yǎng),為學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
人本主義理論。人本主義認(rèn)為人的成長源于個體“自我實現(xiàn)”的需要,“自我實現(xiàn)”是人發(fā)展的根本動力追求目標(biāo)。當(dāng)個體達到“自我實現(xiàn)”需要的高峰,也就進入了自由創(chuàng)造的境地,出現(xiàn)“高峰體驗”——創(chuàng)造潛能的發(fā)揮或自我實現(xiàn)給人以最高的喜悅,這種主觀上的感受是最高的獎賞和獎勵。教育的作用在于提供一個安全、自由、充滿人性味的心理環(huán)境,使學(xué)生固有的優(yōu)異潛能自動地得以實現(xiàn)。人本主義體現(xiàn)了學(xué)生的主動發(fā)展思想和主體發(fā)展地位,體現(xiàn)了以人為本的現(xiàn)代教育理念?!稗D(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式”就是要變“以教師為中心”為“以學(xué)生為中心”,明確教學(xué)的目標(biāo)在于促進個體的可持續(xù)發(fā)展。教師的任務(wù)不是教學(xué)生學(xué)習(xí)知識,而是為學(xué)生提供各種學(xué)習(xí)資源——信息技術(shù)將為教師在有限的時間內(nèi)展示多角度、多層面、全方位的信息資源提供可能,創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的信息平臺,讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體[1]。
遵照中共中央國務(wù)院關(guān)于“深化教育改革全面推進素質(zhì)教育,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力”的指示,將“堅持和落實科學(xué)發(fā)展觀,以學(xué)生為本,以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為核心,實施開放式實驗教學(xué),促進學(xué)生知識、能力、思維和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展”作為實驗教學(xué)改革的指導(dǎo)思想。且基于建構(gòu)主義理論和人本主義理論,我們改革的思路是:通過建立以真實物理實驗為基礎(chǔ)的“物理實驗教學(xué)網(wǎng)站+物理實驗輔助學(xué)習(xí)機”嶄新的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺,實現(xiàn)物理實驗課前、課堂、課后三位一體的“自主學(xué)習(xí)和面向個性化教育的”的全程數(shù)字化教學(xué)指導(dǎo)新模式,實現(xiàn)以“教”為中心的教學(xué)模式向以突出教師主導(dǎo)作用和學(xué)生主體作用的“雙主”教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變,從而達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力的目標(biāo),使物理實驗教學(xué)質(zhì)量大幅提高,為學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。
即信息化環(huán)境下大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式是以數(shù)字化物理實驗學(xué)習(xí)平臺為基礎(chǔ),以信息化、網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)管理平臺為保障,自主開發(fā)的物理實驗輔助學(xué)習(xí)機為依托,實現(xiàn)課前、課堂、課后三位一體的自主學(xué)習(xí)和個性化相結(jié)合的物理實驗教學(xué)模式[2-5]。
從學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)出發(fā),根據(jù)實驗對象的不同、難易程度的不同及各實驗內(nèi)容和層次的不同,將中心開設(shè)的實驗項目構(gòu)建“9個模塊、4個層次、4個開放”的實驗教學(xué)體系。
“模塊化”是指根據(jù)不同的實驗對象、不同的實驗方法、不同的實驗背景和不同的實驗?zāi)康?,以類似物理量的測量,相關(guān)聯(lián)的實驗內(nèi)容,拓展式組合方式為特征而構(gòu)成有利于學(xué)生自主選擇的多個實驗?zāi)K?!胺謱哟巍笔菍⒎謱儆诟髂K的實驗項目,根據(jù)其實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型和研究型四個層次。實驗教學(xué)的層次化,有利于實現(xiàn)分階段、分層次教學(xué)和因材施教,使學(xué)生基礎(chǔ)能力培養(yǎng)和個性化教學(xué)有機結(jié)合,相得益彰。“開放式”是指在實驗內(nèi)容、時間、空間、對象等多角度、全方位的開放,讓學(xué)生結(jié)合個人興趣、專業(yè)特點自主選學(xué),使學(xué)生主動性增強,有效實現(xiàn)基本技能的訓(xùn)練、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高的目的。
將“模塊化、分層次”的 物理實驗教學(xué)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)化,它包括大量豐富的數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、多媒體課件、實驗室資源網(wǎng)站、虛擬實驗、BBS等資源,為學(xué)生提供實驗預(yù)習(xí)、實驗交流、總結(jié)分析的自主學(xué)習(xí)平臺。
它包括物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)、物理實驗教學(xué)管理信息系統(tǒng)和實驗設(shè)備管理系統(tǒng)。通過這個平臺,實現(xiàn)學(xué)生實驗預(yù)約、開放、自主學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)管理已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在實驗課程的要求。根據(jù)課程要求,學(xué)生可以在網(wǎng)上提前自主預(yù)約實驗時間、實驗內(nèi)容。通過預(yù)約方式,通過管理系統(tǒng)實驗中心匯總,在實驗教師、設(shè)備儀器條件允許的前提下,根據(jù)學(xué)生預(yù)約的情況,不分專業(yè)班級安排實驗項目、內(nèi)容。這樣不同專業(yè)和班級的學(xué)生可以在同一時間段,同一實驗室做實驗,打破了多年來統(tǒng)一按專業(yè)和班級安排實驗的慣例,讓學(xué)生能真正按自己的意愿,在實驗時間與內(nèi)容上自主選擇。利用物理實驗教學(xué)管理信息系統(tǒng)安排教學(xué)任務(wù),查詢教學(xué)任務(wù)、內(nèi)容和學(xué)生實驗項目的成績、所選實驗上課時間、地點。教師利用該系統(tǒng)對學(xué)生實驗過程進行全程管理,包括實驗記錄、學(xué)生考勤、成績評定、學(xué)生實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析等。由此,他有利于優(yōu)化實驗項目的設(shè)置和改進教學(xué)方法,為實現(xiàn)課前、課堂、課后三位一體的自主學(xué)習(xí)和個性化相結(jié)合的物理實驗教學(xué)模式創(chuàng)造了條件,實現(xiàn)實驗學(xué)習(xí)的開放式、自主型、個性化。同時,也擴大了學(xué)生的視野和交流,也有益于師生廣泛的交流。
為適應(yīng)物理實驗教學(xué)改革的需要,自主研發(fā)物理實驗輔助學(xué)習(xí)機。它是我們在研究實踐數(shù)字化物理實驗教學(xué)新模式的過程中,第一次引入一種類似英語學(xué)習(xí)機的便攜式掌上電子系統(tǒng)于物理實驗的實驗教學(xué)過程。它可播放視頻、音頻多媒體實驗教學(xué)課件,支持人機交互功能。學(xué)習(xí)機用于物理實驗教學(xué)是現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)用于物理實驗教學(xué)的一個創(chuàng)舉,是實驗教學(xué)有益的嘗試,它開物理實驗教學(xué)的先河。是物理實驗教學(xué)改革的一個新的起點,是實驗教學(xué)模式的積極探索和創(chuàng)新,開辟了物理實驗教學(xué)改革的新途徑。物理實驗輔助學(xué)習(xí)機與真實物理實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)指導(dǎo)模式,實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)形式、學(xué)生實驗的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動方式的變革,實現(xiàn)以“教”為中心向教師主導(dǎo)作用和學(xué)生主體作用的“雙主”教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。
物理實驗輔助學(xué)習(xí)機使實驗內(nèi)容數(shù)字化,為物理實驗學(xué)習(xí)開辟新的途徑。物理實驗輔助學(xué)習(xí)機將物理實驗的相關(guān)的內(nèi)容置于其內(nèi),包括實驗項目、實驗步驟、實驗方法、實驗儀器、典型實驗結(jié)果分析、歷史重要實驗和重要物理事件。學(xué)生利用物理實驗輔助學(xué)習(xí)機,結(jié)合應(yīng)用軟件學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況有選擇地即時學(xué)習(xí)、思考、討論教學(xué)內(nèi)容,查閱瀏覽,邊學(xué)邊做,實現(xiàn)自主學(xué)習(xí),完成實驗。
實驗輔助學(xué)習(xí)機改變了物理實驗的教學(xué)方式。憑借實驗輔助學(xué)習(xí)機學(xué)生可在課前預(yù)習(xí)階段、上課實驗階段等各個教學(xué)環(huán)節(jié)得到全程實驗指導(dǎo)。該學(xué)習(xí)機還可將實驗數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上供老師批改,該學(xué)習(xí)機實驗數(shù)據(jù)上傳時,學(xué)習(xí)機可智能識別實驗結(jié)果的對錯、誤差和精度,并提醒學(xué)生是否重做實驗。除此以外,學(xué)生還可以通過學(xué)習(xí)機呼叫老師、請求答疑。物理實驗輔助學(xué)習(xí)機應(yīng)用于實驗教學(xué)增加了教師與學(xué)生的交流,強化了教師教學(xué)過程中對學(xué)生的個性化的指導(dǎo),充分發(fā)揮實驗教學(xué)中的教師主導(dǎo)作用和學(xué)生主體作用,使數(shù)字化物理實驗教學(xué)新模式得以實現(xiàn)。
借助信息化實驗教學(xué)平臺,教師開發(fā)了大量的多媒體課件,有虛擬實驗系列、模擬實驗系列、實時講課錄像等。教師可不斷積累、更新、優(yōu)化和創(chuàng)新自己的電子課件,形成具有自己的獨特教學(xué)風(fēng)格。推動實驗教師和技術(shù)人員不斷更新知識,掌握現(xiàn)代教育技術(shù),保證物理實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。
表1 06級部分學(xué)生物理實驗情況對比
根據(jù)表1,06級實驗班和對比班的學(xué)生實驗教學(xué)情況進行分析對比,發(fā)現(xiàn)存在著較大的差異,其主要表現(xiàn)在以下幾方面:①在實驗學(xué)習(xí)態(tài)度上,實驗班學(xué)生要比對比班學(xué)生更為積極、主動、認(rèn)真。②在創(chuàng)新性方面上,實驗班學(xué)生要比對比班學(xué)生做得更好,許多學(xué)生實驗設(shè)計富于想像,具有較好的創(chuàng)新。而對比班學(xué)生顯得很普通,大部分照本宣科。③在實驗基本技能上,實驗班學(xué)生普遍都比對比班學(xué)生掌握得更好。④從實驗的基本知識上,實驗班學(xué)生更能主動地的吸收、存儲各種渠道的信息,能對信息進行初步的分析、組織和利用。對比班學(xué)生主動獲取信息的意識不強,信息渠道相對較窄,大部分僅停留在一本實驗教科書上。
在實施新型教學(xué)模式的過程中,教師、學(xué)生的角色關(guān)系在逐漸地發(fā)生改變。課堂上,教師不再是權(quán)威和知識的化身,成了學(xué)生學(xué)習(xí)的促進者;學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。表2映了新型教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式的師生角色差別:
表2 兩種模式實驗環(huán)節(jié)實施對象對比
表3則是傳統(tǒng)教學(xué)模式與信息化環(huán)境下實驗教學(xué)模式的教學(xué)功能的對比。
表3 兩種模式下的教學(xué)功能對比
建設(shè)了支持課前、課堂、課后的三位一體數(shù)字化實驗學(xué)習(xí)平臺,由課前學(xué)習(xí)系統(tǒng)、課堂實時指導(dǎo)系統(tǒng)、課后學(xué)習(xí)系統(tǒng)三個子系統(tǒng)構(gòu)成,該學(xué)習(xí)平臺已由武漢理工大學(xué)出版社出版,有專用軟件版本號。課前學(xué)習(xí)系統(tǒng),為學(xué)生實驗預(yù)習(xí)提供豐富的教學(xué)資源,設(shè)有實驗儀器網(wǎng)上瀏覽、多媒體課件、模擬實驗、虛擬實驗等教學(xué)資源。為學(xué)生營造一個良好的多元化、開放的學(xué)習(xí)環(huán)境,并組織、引導(dǎo)、幫助、督促學(xué)生在其中學(xué)習(xí),使學(xué)生學(xué)會如何自主地獲取信息和處理信息,主動而有效地安排學(xué)習(xí)過程。
利用實驗輔助學(xué)習(xí)機應(yīng)用軟件學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況有選擇地、隨時地對實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器、實驗要點、實驗步驟、實驗操作演示過程、思考與討論等教學(xué)內(nèi)容進行查閱和反復(fù)瀏覽,邊學(xué)邊做、對照操作,實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、完成實驗。憑借實驗輔助學(xué)習(xí)機學(xué)生可在課前預(yù)習(xí)階段、上課時做實驗階段等各個教學(xué)環(huán)節(jié)得到全程實驗指導(dǎo)。該學(xué)習(xí)機還可將實驗數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上供老師批改,該學(xué)習(xí)機實驗數(shù)據(jù)上傳時,學(xué)習(xí)機可智能識別實驗結(jié)果的對錯、誤差和精度,并提醒學(xué)生是否重做實驗,如此既可為避免學(xué)生課后偽造實驗數(shù)據(jù),又可方便老師及時給每個學(xué)生打分、記錄實驗成績。該學(xué)習(xí)機還具有呼叫老師、請求答疑等功能。
教師則可把精力用在課件設(shè)計、學(xué)生個別指導(dǎo)、參與學(xué)生實驗討論等工作上。教師和學(xué)習(xí)機一起參與教學(xué)過程,增加教師與學(xué)生的深層次交流,強化教師在教學(xué)過程中對學(xué)生的個性化的指導(dǎo)和科學(xué)實驗基本能力和素質(zhì)的培養(yǎng),真正實現(xiàn)教師主導(dǎo)作用和學(xué)生主體作用的充分發(fā)揮。
實驗教學(xué)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)管理平臺包括物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)、物理實驗教學(xué)管理信息系統(tǒng)和實驗設(shè)備管理系統(tǒng)。通過物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng),學(xué)生根據(jù)興趣和需要,在老師的指導(dǎo)下,在網(wǎng)上選課,網(wǎng)上選實驗項目、預(yù)約實驗時間、自主調(diào)課等。利用物理實驗教學(xué)管理信息系統(tǒng)進行排課安排教學(xué)任務(wù),老師可查詢教學(xué)任務(wù),學(xué)生可查詢每個實驗項目的成績和每個實驗項目上課的時間、地點。老師可利用該系統(tǒng)給學(xué)生實驗打分,記錄考勤,統(tǒng)計分析實驗的成績,分析實驗項目的難易程度,分析學(xué)生實驗的情況,優(yōu)化實驗項目的設(shè)置和改進教學(xué)方法。
實驗設(shè)備管理系統(tǒng)可對設(shè)備的保管、維護、老化淘汰、設(shè)備的利用率、實驗耗材管理等提供方便科學(xué)的信息化管理手段。實驗設(shè)備管理系統(tǒng)構(gòu)成:賬卡管理、維修管理、實驗耗材管理、借用管理、效益統(tǒng)計等。
該學(xué)習(xí)平臺已由武漢理工大學(xué)出版社出版,《課前、課堂、課后數(shù)字化實驗學(xué)習(xí)平臺V1-1》,《物理實驗中心信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)管理系統(tǒng)V1-1》,《物理實驗中心選課系統(tǒng)V1-1》,于2008年09月在武漢理工大學(xué)出版社發(fā)行。
其中,實驗學(xué)習(xí)機在“第五屆全國高校物理實驗教學(xué)研討會”上榮獲全國教學(xué)儀器評比三等獎。
(1)信息化環(huán)境下大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式,即課前、課堂、課后三位一體的數(shù)字化實驗教學(xué)新模式,通過“試點——總結(jié)——擴大試點——總結(jié)——全面推廣”的階段,已積極穩(wěn)妥的在3屆理工科各專業(yè)等21000本科生中實施,使學(xué)校每年近7千名本科生直接受益。實踐效果表明:學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣濃收獲大,實驗訓(xùn)練全面,綜合能力得到鍛煉和提高。2008-2010年,本科生參與發(fā)表實驗小論文176篇,涉及人數(shù)200余人。獲湖北省優(yōu)秀學(xué)士論文獎37項,其中一等獎9項,二等獎13項,三等獎15項。
(2)2009年10月該項目成果已應(yīng)用到黃岡師范學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)等學(xué)校,對國內(nèi)高校實驗教學(xué)改革具有很好的輻射和借鑒作用,使周邊兄弟學(xué)院數(shù)萬名本專業(yè)學(xué)生逐步間接受益。
(3)項目成果不僅滿足了本校實驗教學(xué)的需要,而且還滿足了全國其他兄弟院校實驗教學(xué)的需要。建成的省級物理實驗教學(xué)示范中心,已起到很好的示范作用,已有武漢科技大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)、華中科技大學(xué)等8所學(xué)校教師到實驗中心參觀學(xué)習(xí)。
實驗教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和能力的高素質(zhì)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。信息化環(huán)境下大學(xué)物理實驗教學(xué)新模式,在數(shù)字化實驗教學(xué)平臺建設(shè),實現(xiàn)實驗教學(xué)開放式、自主型、個性化過程中積累了經(jīng)驗,實現(xiàn)實驗教學(xué)模式的突破,促進了物理實驗教學(xué)改革,有益于提高實驗教學(xué)水平,有益于提高學(xué)生實驗實踐能力,有益于促進學(xué)生知識、素質(zhì)、能力協(xié)調(diào)發(fā)展。第一次將學(xué)習(xí)機用于物理實驗教學(xué)過程,它打開物理實驗教學(xué)改革的先河,是現(xiàn)信息技術(shù)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)的一個新的實踐。
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