邊紅霞，屠 鵬，胡 冰，肖 雯

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指根據(jù)一定目的，運(yùn)用一定的儀器、設(shè)備等物質(zhì)手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現(xiàn)象及其規(guī)律的教學(xué)實(shí)踐形式，是學(xué)習(xí)知識(shí)，獲取經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和檢驗(yàn)科學(xué)假說(shuō)、理論真理性的重要途徑。它不僅包括儀器、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)對(duì)象，還包括實(shí)驗(yàn)者之間的協(xié)商、交流和資金的獲取等相關(guān)社會(huì)因素。[1]在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過(guò)程中，以小組學(xué)習(xí)為主要組織形式，與同學(xué)協(xié)同合作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，解決問(wèn)題，自主探究性地進(jìn)行知識(shí)的整合與建構(gòu)過(guò)程，對(duì)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)起著重要的作用。[2]傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通常是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師先進(jìn)行大約四五十分鐘的理論講授，然后學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備臺(tái)套數(shù)充足的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，實(shí)施起來(lái)相對(duì)較容易。在教師講授完原理和實(shí)驗(yàn)器材的使用后，學(xué)生即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生能夠保持對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證的強(qiáng)烈興趣，所以實(shí)驗(yàn)者專(zhuān)注力較高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程也可得心應(yīng)手。但是，在很多理工科高校的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在著由于一些大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格較高，學(xué)校很難同時(shí)配備足夠設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求的問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率不高。而使用大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，恰恰是培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的一個(gè)重要手段。有時(shí)在實(shí)驗(yàn)中為了驗(yàn)證結(jié)果，往往需要測(cè)試各種不同情況下的多組數(shù)據(jù)，并且每組測(cè)試都需要較長(zhǎng)時(shí)間。在這種情況下，如果每個(gè)小組都進(jìn)行各種情況的測(cè)試，必然會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程較長(zhǎng)，且實(shí)驗(yàn)效率不高，教師和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)過(guò)重。[3]針對(duì)此問(wèn)題，筆者在教學(xué)實(shí)踐中探索實(shí)施實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是一個(gè)比較好的解決辦法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式是指在大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生分組進(jìn)行各種不同情況的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，待實(shí)驗(yàn)全部完成后各小組進(jìn)行數(shù)據(jù)“共享”，學(xué)生通過(guò)對(duì)“共享”的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該模式的特點(diǎn)是不同組別的實(shí)驗(yàn)者通過(guò)與他人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享，自主探究性地進(jìn)行知識(shí)的整合與建構(gòu)，對(duì)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)有著極大的促進(jìn)作用。但是，“共享”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的教學(xué)模式怎樣既保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，又能培養(yǎng)和提高學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，是擺在部分專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教師面前的一個(gè)難題，同時(shí)對(duì)教師的教學(xué)組織和管控能力提出了新的要求。下面，筆者以《材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)》教學(xué)實(shí)踐為例，探討“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)‘共享’模式”在教學(xué)過(guò)程的組織和管理中如何促進(jìn)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的提升，希望能為面對(duì)同類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題的高校實(shí)驗(yàn)教師及實(shí)驗(yàn)管理人員提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”模式下的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程組織

筆者所在的材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室配有2kN的電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)一臺(tái)，要為60人的班級(jí)開(kāi)設(shè)材料的拉伸、壓縮和彎曲等三個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)量大幅超出設(shè)備日荷載量。以拉伸實(shí)驗(yàn)為例，為了讓所有學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)，兩人一組，全班被分成30個(gè)小組，上下午各15組。按每組拉伸實(shí)驗(yàn)約需15～20分鐘計(jì)算，排在第15組的同學(xué)大約要等待4～5小時(shí)，除去測(cè)量試樣基本參數(shù)及理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所用時(shí)間，大部分時(shí)間都處于觀察前面小組實(shí)驗(yàn)過(guò)程或等待中。同樣，排在前面已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，除去測(cè)量試樣基本參數(shù)、理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，也會(huì)消耗大部分時(shí)間以等待實(shí)驗(yàn)結(jié)束。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，一方面使實(shí)驗(yàn)課堂紀(jì)律難以約束，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足。另一方面，15～20分鐘時(shí)間學(xué)生只能進(jìn)行一種拉伸變形速率的測(cè)試，不能獲得全面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不認(rèn)可，大型設(shè)備使用過(guò)程中學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)更是無(wú)從談起。

1.1 預(yù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)前一周下發(fā)參考資料，告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)材料、電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)型號(hào)、處理數(shù)據(jù)用軟件等基本信息。要求學(xué)生查閱資料，掌握實(shí)驗(yàn)材料的基本特征，著重關(guān)注材料的力學(xué)性能指標(biāo)，查閱“拉伸變形速率對(duì)材料性能影響”的相關(guān)文獻(xiàn)資料；了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的用途、測(cè)力范圍及精度；下載相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，并熟悉其基本使用方法。

1.2 各小組實(shí)驗(yàn)任務(wù)分配

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)前通知學(xué)生兩人一組自由組合成30組，抽簽決定實(shí)驗(yàn)次序。然后，按表1所示的六個(gè)拉伸變形速率給各組分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)。前24組中每一個(gè)拉伸變形速率下有四個(gè)重復(fù)組，如果重復(fù)組中個(gè)別實(shí)驗(yàn)不成功或誤差較大，剩余25～30組的同學(xué)可以進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，保證各拉伸變形速率下重復(fù)組數(shù)目足夠且相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后由學(xué)習(xí)委員將各組數(shù)據(jù)統(tǒng)一拷貝并負(fù)責(zé)傳遞給各小組。

表1 拉伸實(shí)驗(yàn)組別及任務(wù)分配

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生任務(wù)安排

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前講授材料拉伸性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)定方法，并介紹萬(wàn)能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)的使用方法及注意事項(xiàng)。在一組學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師要求其他組同學(xué)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，不能處于空閑等待狀態(tài)。首先安排學(xué)生對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量標(biāo)注，學(xué)習(xí)對(duì)單組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理方法。同時(shí)要求學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)“拉伸變形速率對(duì)材料性能影響”的相關(guān)文獻(xiàn)資料，讓學(xué)生形成材料力學(xué)性能受變形速率影響的概念，互相討論不同拉伸變形速率下材料的特征參量及表征方法，形成如何展示材料性能隨變形速率變化的共識(shí)。最后，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師簡(jiǎn)單向?qū)W生介紹數(shù)據(jù)處理軟件，給出作圖標(biāo)準(zhǔn)，要求學(xué)生利用不同拉伸變形速率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究材料的力學(xué)性能隨拉伸變形速率的變化規(guī)律。

1.4 學(xué)生“共享”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成報(bào)告

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每組學(xué)生都獲得了一種拉伸變形速率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等基本的材料拉伸性能指標(biāo)，并將各自獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他組同學(xué)進(jìn)行共享。全體學(xué)生即可獲得不同拉伸變形速率下的豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)不同拉伸速率下材料的性能進(jìn)行比較分析。

圖1不同變形速率下某高分子材料拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 為某組學(xué)生通過(guò)對(duì)共享的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到的各變形速率下某高分子材料拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖中顯示材料的拉伸性能隨變形速率而發(fā)生變化，讓學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)得到直觀和全面的印象。

表2 各變形速率下某高分子材料的屈服強(qiáng)度和延伸率

同時(shí)，學(xué)生通過(guò)對(duì)各重復(fù)組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步整理分析，還可獲得材料在不同變形速率下的屈服強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。通過(guò)表中數(shù)據(jù)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)材料的屈服強(qiáng)度隨變形速率增大而增大；延伸率在變形速率為100mm/min和50mm/min時(shí)，明顯比高變形速率和低變形速率時(shí)要小，從而理解和掌握延伸率的不確定特性。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式能夠培養(yǎng)學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力

與上面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程相比較，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中每組學(xué)生在完成自己的實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，只是按照教師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)處理數(shù)據(jù)，書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。這種看似完整的教學(xué)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上還是按照一定的“老套路”進(jìn)行的。學(xué)生難以發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，學(xué)習(xí)需要得不到滿(mǎn)足。教師安排的預(yù)習(xí)、查閱資料等任務(wù)，對(duì)學(xué)生而言沒(méi)有動(dòng)力，不被學(xué)生所重視。學(xué)生既不用投入大量的智力，也不用查閱資料，完全將學(xué)習(xí)變?yōu)椤爸恍枰冻鲇邢拗橇Φ捏w力勞動(dòng)”，而沒(méi)有激發(fā)出學(xué)生的“學(xué)習(xí)需要”。

圖2 研究性學(xué)習(xí)的需要驅(qū)動(dòng)階段圖

“學(xué)習(xí)需要”即求知欲，是人類(lèi)最基本的需要之一。[4]馬斯洛的需要層次理論認(rèn)為，人的需要是分層次的，低級(jí)需要獲得滿(mǎn)足后，高一級(jí)需要才會(huì)出現(xiàn)。[5]在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式下，學(xué)生在完成自己的實(shí)驗(yàn)測(cè)試任務(wù)后，教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程都還沒(méi)有結(jié)束，研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容才剛剛拉開(kāi)序幕：為了滿(mǎn)足學(xué)生的“學(xué)習(xí)需要”，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師會(huì)將學(xué)習(xí)過(guò)程分為圖2所示的兩個(gè)主要階段，即正確性需求下心理滿(mǎn)足研究性學(xué)習(xí)與未知問(wèn)題解決需要的研究性學(xué)習(xí)階段。首先，學(xué)生都有知道其結(jié)果正確性的需求，為了滿(mǎn)足學(xué)生的需求，教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)資料查閱，對(duì)比了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。如果正確，學(xué)生心理獲得滿(mǎn)足；如果不正確，學(xué)生從實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行、數(shù)據(jù)記錄與處理各個(gè)環(huán)節(jié)尋找問(wèn)題的原因，最后問(wèn)題獲得解答，學(xué)習(xí)心理獲得滿(mǎn)足，研究性學(xué)習(xí)能力提升。在數(shù)據(jù)正確性需求的層次得到滿(mǎn)足后，學(xué)生對(duì)材料性能研究的更深層次需要才顯現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生會(huì)思考材料為什么會(huì)具備這樣的特征?例如，針對(duì)“為什么實(shí)驗(yàn)材料的延伸率在拉伸變形速率為100mm/min和50mm/min時(shí)變小”的問(wèn)題，教師可以指出判斷材料延性的另一指標(biāo)是斷面收縮率，引導(dǎo)學(xué)生測(cè)量并收集各拉伸變形速率下所有試樣的斷面收縮率，以便進(jìn)一步證明其是由材料本身的性能引起的，還是由材料中的夾雜物引起的？如果斷面收縮率能夠證明材料的延性變化，那么學(xué)生就會(huì)形成該材料在上述兩種變形速率下延性降低的認(rèn)知結(jié)果。如果斷面收縮率不能佐證材料的延性變化，那么學(xué)生就要進(jìn)一步思考查找材料內(nèi)部存在的問(wèn)題。對(duì)于這些問(wèn)題的逐步解決，使學(xué)生不斷陷入需要升級(jí)的狀態(tài)，將學(xué)習(xí)引入更深層次，讓其進(jìn)入真正的研究性學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)心理會(huì)獲得極大滿(mǎn)足。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完成后，學(xué)生和教師都會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”教學(xué)模式不僅解決了大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，又培養(yǎng)和提高了學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)普通高校中普遍存在的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，以材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，通過(guò)實(shí)施各小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”模式下的研究性教學(xué)方法，改革了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生經(jīng)歷了獲取信息、篩選信息、研究信息的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”過(guò)程，將獲取到的信息與理論知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過(guò)一系列的思維加工，最終獲得了對(duì)材料力學(xué)性能的綜合認(rèn)識(shí)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注重學(xué)習(xí)的自主性、探究性和綜合實(shí)踐性，[6]為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了“研究性”學(xué)習(xí)氛圍，從學(xué)習(xí)需求的逐層滿(mǎn)足出發(fā)，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的根本性改變，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”模式下學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)過(guò)程中，教師做為實(shí)踐過(guò)程的主導(dǎo)者，組織和管控了教學(xué)過(guò)程。而學(xué)生做為參與主體，通過(guò)智力投入和創(chuàng)造性的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)，理解并內(nèi)化了知識(shí)，提升了研究性學(xué)習(xí)能力。[7]這種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“共享”模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，不但有效解決了一些高校大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，同時(shí)又培養(yǎng)和提高了學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。