嚴(yán)家斌

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

長期以來專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)方法主要采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?其特點(diǎn)：(1)以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主,通過實(shí)驗(yàn)把理論知識事物化、數(shù)據(jù)化,并以圖或表的方式展現(xiàn)抽象的公式等理論知識；(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少,通常實(shí)驗(yàn)課時(shí)只占總課時(shí)1/6左右，任課教師往往僅安排經(jīng)典或重要的內(nèi)容供學(xué)生實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致學(xué)生難以全面、深入掌握課程內(nèi)容；(3)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室不像通識課程實(shí)驗(yàn)室有大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備供學(xué)生使用,實(shí)驗(yàn)空間和器材相對較少,在實(shí)驗(yàn)中通常需要分組進(jìn)行,導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)期間動(dòng)手少、觀摩多；按固定步驟的實(shí)驗(yàn)多、自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)少；對實(shí)驗(yàn)的總結(jié)分析套用理論的多、自己主動(dòng)思考的少。

以上情況與培養(yǎng)學(xué)生的觀察、動(dòng)手、創(chuàng)新能力的初衷相去甚遠(yuǎn)。對此國內(nèi)許多學(xué)者開展多種模式的實(shí)踐與探索,如自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒1-3]、開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒4-5]、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒6-7]等。自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵ǔＪ窃谠诮o定的實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)條件下,讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。主要通過構(gòu)建層次性主題式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式,把實(shí)驗(yàn)課程按內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和課外研究性實(shí)驗(yàn)4類,每類又由若干個(gè)主題式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以詳細(xì)指導(dǎo)為主,對設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)則只講明方法與要求,具體實(shí)施由學(xué)生據(jù)實(shí)驗(yàn)條件自己獨(dú)立完成[1-3]。 可以使不同層次的學(xué)生在課余時(shí)間充分地利用實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn),自主思考,不僅獲得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,而且使實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的利用率也大大地提高。開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞峭ㄟ^對實(shí)驗(yàn)的空間、時(shí)間、管理和部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放,在完成正常教學(xué)任務(wù)的前提下,利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管理技術(shù)、指導(dǎo)教師、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等資源,面向在校學(xué)生開放使用的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。目的是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識和基本實(shí)驗(yàn)技能解決工程實(shí)際問題的能力,并在此過程中加深對基礎(chǔ)知識的理解、掌握新的實(shí)驗(yàn)技能,充分發(fā)揮學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的積極性與主動(dòng)性[6-7],是在學(xué)生專業(yè)必修學(xué)習(xí)之外,在學(xué)有余力的條件下利用課余時(shí)間對自身創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的自我訓(xùn)練。

事實(shí)上，在課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,核心問題是如何激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動(dòng)力。對理工科學(xué)生而言,專業(yè)課程的課堂學(xué)習(xí)往往涉及大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo),既枯燥又抽象。任課教師如果處理不好,學(xué)生往往是前幾節(jié)課學(xué)習(xí)興趣昂然,之后逐漸學(xué)得索然無味,甚至在課堂上堂而皇之地做課程不相關(guān)的事情。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣除了學(xué)生本身對本課程的愛好外,另一種方法就是遵循基本認(rèn)識規(guī)律,進(jìn)行外部促動(dòng)：先從感性認(rèn)識開始,以實(shí)驗(yàn)過程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)、圖表等了解將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容、現(xiàn)象及存在的問題,繼而引發(fā)繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力,然后在課堂的理論學(xué)習(xí)上提高學(xué)習(xí)效率。本文結(jié)合我校地球物理學(xué)專業(yè)的“電法勘探原理”課程特點(diǎn),闡述了近幾年來利用先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的探索與實(shí)踐過程與效果。

1 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的背景

近幾年來,國內(nèi)外學(xué)者就如何結(jié)合學(xué)科發(fā)展、課程特點(diǎn),開發(fā)出學(xué)生易于接受、樂于接受的授課方式,以提高學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)探索精神、挖掘創(chuàng)新的潛質(zhì)進(jìn)行了多方面的探索。如研究型教學(xué)、開放式教學(xué)、研討式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂[8-11]。主要從教學(xué)方式、教學(xué)手段等層面進(jìn)行探討,而很少涉及課程特點(diǎn)。地球物理專業(yè)課程有2大特點(diǎn),一是直白無味的描述性教學(xué)內(nèi)容,如地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、地震學(xué)、地電學(xué)等；二是邏輯推理性強(qiáng)，但又令學(xué)習(xí)者感到枯燥的理論公式,如地球物理場論、電法勘探、地震勘探、重力勘探、磁法勘探等。在這些課程中大篇幅的理論公式雖然是建立在看得見摸得著的地球本體上,但對初學(xué)者而言很疑惑,因?yàn)榭吹靡姟⒚弥牡厍蚴敲總€(gè)地方都不一樣,如何能用統(tǒng)一的公式表達(dá)？這是初學(xué)者的困惑,也是授課的難點(diǎn)。地球物理課程的優(yōu)點(diǎn)是可以通過看得見摸得著的地球表面或斷面建立多種模型,以數(shù)值模擬或物理模擬的方式直觀地表現(xiàn)各種物理現(xiàn)象,因此設(shè)計(jì)了通過先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)在課前了解學(xué)習(xí)內(nèi)容的教學(xué)方式,與翻轉(zhuǎn)課堂模式差別在于：翻轉(zhuǎn)課堂模式基本上由學(xué)生主導(dǎo)課堂教學(xué)過程,學(xué)生是課堂的中心,教師在課程中只起引導(dǎo)作用,而在先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教師是教學(xué)的核心,教師可利用學(xué)生先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作為教學(xué)內(nèi)容的素材,并解答學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的疑惑。先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程如下：

(1) 課程開始前1個(gè)月左右教師把教學(xué)教案下發(fā)給學(xué)生,同時(shí)列出相應(yīng)章節(jié)的實(shí)驗(yàn),為了實(shí)驗(yàn)室管理的方便,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按模塊化分類[12]。

(2) 實(shí)驗(yàn)室課程開始前半個(gè)月做好實(shí)驗(yàn)安排與準(zhǔn)備,同時(shí)學(xué)生根據(jù)各自的時(shí)間申請感興趣的實(shí)驗(yàn)或自已設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并填寫實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、器材等。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,把實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖表或數(shù)據(jù)或報(bào)告及實(shí)驗(yàn)中遇到或發(fā)現(xiàn)的問題,提供給教師審查或作為課堂理論教學(xué)素材。

(4) 課程教學(xué)中,教授相應(yīng)章節(jié)時(shí)教師讓學(xué)生報(bào)告相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(為了鼓勵(lì)學(xué)生對報(bào)告的興趣,可采取對課程平時(shí)成績加分的形式),分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題,針對典型問題予以討論。

(5) 結(jié)合理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生重做相關(guān)實(shí)驗(yàn),安排好后續(xù)章節(jié)的單一實(shí)驗(yàn)或綜合實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)平臺的完善。

實(shí)施專業(yè)主干課程“電法勘探原理”的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件與平臺是關(guān)鍵因素,由于我校自2008年以來對應(yīng)用地球物理系的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境建設(shè)方面投入較少,實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅少而且老化比較嚴(yán)重,本科生在實(shí)施傳統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)往往要按10～15人一組開展,每組1臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2012年,對地科09級本科生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较逻M(jìn)行的問卷調(diào)查,“你對電法自主實(shí)驗(yàn)的環(huán)境滿意嗎？”的調(diào)查中(見圖1),收回問卷69份,滿意50份、一般18份、不滿意1份。盡管滿意的比例達(dá)到73%,但考慮到學(xué)生的顧慮,這個(gè)比例并不高?！澳銓﹄姺ㄗ灾鲗?shí)驗(yàn)的儀器滿意嗎？”的調(diào)查中,不滿意的達(dá)14%(見圖2)；“你對電法自主實(shí)驗(yàn)的儀器性能滿意嗎？”的調(diào)查中,不滿意的高達(dá)55%(見圖3)。

在課程實(shí)施的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中,采用申請制,要求學(xué)生1人1臺設(shè)備獨(dú)立實(shí)驗(yàn)(最多不能超過3人1組),1周7天，全天開放實(shí)驗(yàn)室,因此現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件難以滿足要求。為此課題組開展了實(shí)驗(yàn)平臺的整合[12]與建設(shè)工作。2013年,自制了全空間電法實(shí)驗(yàn)觀測平臺,該平臺可以進(jìn)行地表觀測,也可進(jìn)行地下觀測；可開展直流電法實(shí)驗(yàn),也可開展激發(fā)極化實(shí)驗(yàn),還可進(jìn)行自然電場、充電法等實(shí)驗(yàn),有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題。2014年,利用本科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)購置2臺設(shè)備、自制了電極。2015年,購置和自制了8套水槽觀測模型，自制了一套簡易的物性觀測裝置,進(jìn)一步完善了含浦大尺寸物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在多方努力下?shí)驗(yàn)環(huán)境與條件得到了提升,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣也大大提高。在后續(xù)的“你對開放性的實(shí)驗(yàn)感興趣嗎？”調(diào)查中,選擇“有興趣”的58人,“沒興趣”的3人。在對先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)實(shí)施的滿意度調(diào)查中,70%的學(xué)生表示滿意(見圖4)。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境滿意度調(diào)查

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿意度調(diào)查

圖3 實(shí)驗(yàn)室儀器性能滿意度調(diào)查

圖4 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)滿意度調(diào)查

3 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新熱情和團(tuán)隊(duì)合作意識

教學(xué)的目的不僅是書本知識的教授,更重要的是要促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生潛在的探索能力、強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神?！半姺碧皆怼闭n程先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用“學(xué)生先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)—理論講授/學(xué)生報(bào)告—課堂分析”對這些能力的培養(yǎng)進(jìn)行了訓(xùn)練。先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的方法,課堂報(bào)告掌握了對問題的合理表達(dá)方式和圖表、語言邏輯的靈活運(yùn)用,課外研學(xué)擴(kuò)展了理論知識的應(yīng)用。因此,在課程的學(xué)習(xí)過程中及課程結(jié)束后常常會引發(fā)一系列思考與創(chuàng)新活動(dòng)。在課程中學(xué)生也會自主設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證心中的疑問。2012級某位學(xué)生提出在電法實(shí)驗(yàn)中為何供電電極要與測量電極平行,采用不平行觀測有影響嗎？因此設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)及課堂分析,得到滿意的結(jié)論。在問卷調(diào)查中“開放實(shí)驗(yàn)中你嘗試過設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)嗎？”(見圖5),可以看到有近50%的學(xué)生有設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)的愿望。在另一項(xiàng)調(diào)查“如果在課程的學(xué)習(xí)過程你有新的想法/思考需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證,你會立刻申請實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎？”,可以看到相當(dāng)高的比例有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)習(xí)中的問題(見圖6),而這類實(shí)驗(yàn)對本科生而言是一種創(chuàng)新思維上的產(chǎn)物。學(xué)生不僅在課程學(xué)習(xí)中主動(dòng)性比較高,在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中也表現(xiàn)出較好的創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,積極地參與學(xué)校的本科生科技創(chuàng)新、自由探索項(xiàng)目的申報(bào),有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的訓(xùn)練和科研實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在學(xué)科競賽中也取得優(yōu)異的成績,如2015年由11級本科生組成的代表隊(duì)在全國地球物理知識競賽實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中相互協(xié)作、操作有序、觀測仔細(xì),獲得第一,總成績獲全國第二的好成績。

圖5 設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)意愿調(diào)查表

圖6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證調(diào)查表

3 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐效果

專業(yè)課程先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的目的不僅僅是為了使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法與過程,更重要的是為了使學(xué)生深入地體會教材中理論知識背后的物理含義和進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)或探索的熱情。 “電法勘探原理”課程共48學(xué)時(shí),其中8個(gè)學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)課,由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多,儀器、實(shí)驗(yàn)空間有限,8學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,因此以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示性成份更多些,這就造成學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方法步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)識不足,導(dǎo)致對地球物理現(xiàn)象的理解困難,形成“電法勘探原理”這門課程難學(xué)、甚至厭學(xué)。而在先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式中,實(shí)驗(yàn)室24 h對學(xué)生開放,學(xué)生自主安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容。為了使學(xué)生能充分地實(shí)驗(yàn),避免實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)器材上的沖突,實(shí)驗(yàn)采用申請制,申請后由實(shí)驗(yàn)室管理人員安排設(shè)備。從實(shí)施效果看,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性增加、主動(dòng)性增強(qiáng),主動(dòng)申請實(shí)驗(yàn)的次數(shù)逐年增加,學(xué)生主動(dòng)申請實(shí)驗(yàn)平均每人達(dá)10次(每次1～3 h)以上,在2016年的統(tǒng)計(jì)中最少申請了7次,最多申請實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)15次。同時(shí)課堂出勤率增加、遲到減少,并有占座位現(xiàn)象；由于有先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)作基礎(chǔ),課堂氣氛活躍、互動(dòng)增多。從問卷調(diào)查中也可看到(見圖7),學(xué)生對先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)有興趣的占絕大多數(shù),認(rèn)為對課程學(xué)習(xí)有很大幫助占91%(見圖8)。

圖7 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)興趣調(diào)查

圖8 先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)對課程學(xué)習(xí)影響調(diào)查

4 結(jié)語

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)課程教學(xué)的重要組成部分,是深入理解和應(yīng)用課程理論知識進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)的重要途徑,也是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不可缺少的環(huán)節(jié),然而就課程教學(xué)本身來說,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率是任課教師的首要問題,在對學(xué)生課堂學(xué)習(xí)品質(zhì)的調(diào)查中(見圖9)發(fā)現(xiàn),學(xué)生上課注意力不集中的原因主要有：一是教師講得快占58%,二是對課程的興趣占14%。對前一點(diǎn)仔細(xì)分析與了解得知,教師的講課速度并不快,主要是開課初期學(xué)生沒有認(rèn)真學(xué)習(xí),造成對課程內(nèi)容半生不熟,那么在后續(xù)的課程講授中如果教師不回顧前面的基礎(chǔ),學(xué)生就會弄不明白原理而感覺教師講課快。因此在課程教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中,讓學(xué)生適當(dāng)參與到教學(xué)過程中,提高學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)節(jié)課堂氣氛,依據(jù)課程特點(diǎn)嘗試讓學(xué)生先做實(shí)驗(yàn),事先主要了解課程內(nèi)容,對課程中描繪的現(xiàn)象在總體上有一個(gè)感情認(rèn)識,進(jìn)而引發(fā)探索,通過近5年的實(shí)踐與探索,這種教學(xué)方法達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 課堂上注意力不集中原因調(diào)查