大学物理的课堂教学革新路径研究

40多年前，认知科学最重要的进展就是发展了强有力的工具去深入研究思考和学习过程以及能力的提高方法。其中跟物理教学紧密相关的是增强了人们对能力本质以及知识组织原则的认识，这些都是人们解决科学问题的关键。对学习和知识迁移的研究揭示了构建学习经验的重要法则，即积累的经验能将所学知识用于新的环境。这些基本认识构成了瑞士心理学家JeanPiaget结构主义[2]的重要基础。个体会主动的将所学的知识建构起来，建构过程需要学习者的精神参与但会受到已有知识的影响。如果已有知识与新知识相冲突，新构建的知识结构将不利于长期的记忆，同样很难应用于各种各样的环境。认知科学有三个最重要的发现，它们都跟物理教学密切相关：(1)进入新的教学环境中的学生都不是一张白纸，他们脑中的先前概念要么来自生活经验，要么来自先前的课堂教学，没有这些先前概念的参与过程，就不会掌握新的概念，抑或学习仅仅是为了应付考试，新的知识无法在脑海中打下深深的烙印，一旦走出课堂就又回到原先的知识结构；(2)具有深厚的事实性知识、在概念框架的背景下理解事实和思想以及以方便应用的原则组织知识才是提高能力的重要因素；(3)元认知，或者说对认知的认知可以帮助学生确立学习目标并监视实现目标的进程。

认知科学上的重要结论对大学物理的课堂教学有着重要的启示作用。先前的概念固然要参与新概念的形成过程，但是在传统的教学方法下，机械的传授往往会导致先前概念和新概念的冲突性。举个例子来说，中学物理教材上的物理光学明确指出光是一种电磁波，光的波动性可以用来预测和解释一切跟干涉、衍射以及偏振相关的光学现象。这种先入为主的观点将使得学生在后续的学习中拒绝对具体的问题进行更加深入的理解。对于像狭缝的宽度变窄，衍射的极小将远离图案的中央如此简单的问题，只有极少数学生能对此作出正确的推理。甚至有很多学生同时应用几何光学和物理光学去解释衍射，即用几何光学处理通过狭缝中心的光而用波动光学处理狭缝边缘的光。这些不正确推理的出现或多或少都与先前概念的顽固性有关。

仅仅先前概念的顽固性这一个因素就足以引导学生走上认识上的歧途，就更不用说像事实性知识缺乏、概念框架的不完整以及对元认知的无知等其它因素的影响。在传统的教学方法中，这些跟能力培养息息相关的因素往往无法伸张。学生能力和创造性的培养必须充分调动学生学习的主动性，这是一切教学方法改革的关键所在。物理学工作者提出了很多的教学方法并完成了相关的测试和评估，如交互式教学法、情景教学法等。对我们而言，重要的不是创建新的教学方法，而是选取已有的教学方法并根据特定的教学对象和环境进行调整、完善和深化，真正做到为我所用。结合认知科学上的重要发现以及目前工科学校的教学实践，大学物理的课堂教学改革可以从以下几个方面着手。

1细化教学目标

教学目标可以是一般性的，也可以是具体的。按照认知科学家Bloom[3]的分类方法，教学目标一般涵盖知识、理解、应用、分析、综合和评估六个方面。它们必须具体化并贯彻到大学物理的课堂教学中去：(1)正确使用物理概念和术语，对于相似的物理概念能够作出明确的区分，如质量和重量，磁场强度和磁感应强度，内能和机械能等。(2)解释主要组织原则和物理概念，特别是守恒定律，明确其应用场合。(3)能够辨认出物理系统中的各种相互作用、特征和信息，对于其中存在的可以忽略不计的相互作用能够作出判断，如静电库仑相互作用中不考虑两个带电体之间的万有引力。(4)识别和描述物理知识有用性范围，理解物理和技术之间的关联方式，如电磁波和微波炉。

2把交互式教学方法引入课堂

交互式教学最早由Palincsar提出，之后又得到进一步的研究和发展。这种教学方法又称功能-意念法。它强调课堂教学必须以学生为中心，学生的积极参与要贯穿在教学过程中。采用此种教学方法的教师在课堂上将一些类似多项选择的问题提供给学生。这些问题往往定位在定性的层面上，如若电路中的开关合上，灯泡L的亮度增加、减少还是不变？也可以是一些只需要在脑中进行一步计算就可以完成的问题。干扰项一般都是学生最容易犯的逻辑推理错误，必须要求所有学生以一种匿名或者半匿名的方式对问题作出反应，然后教师才能估计出学生对概念的掌握程度。如果某个概念能够被很好的理解，则可以进入下一个主题，但如果有不少学生选择了错误的答案，教师则要求所有学生提供所选择答案的原因。大多数情况下，那些选择了正确答案的学生会设法说服他的邻居，这种高效率的运作方式会让大多数学生很快掌握相关概念。如果做不到这一点，教师需要作进一步的解释，尤其要注意先前概念导致的理解上的误区。此时教师可以修改问题或者提供一个类似的问题要求学生作出第二轮反应并展开讨论。只有当教师意识到所有的学生都渐渐理解了当前概念并乐意接受正确的答案，才能进入新的主题。当然，交互式教学的具体执行方式也是多样化的，问题的回答可以以小组为单位，要求回答之前小组内部必须达成共识；也可以将其中的一些问题作为课堂的小测验，测验结果以分数的形式给出并就可能出现的错误答案随堂展开讨论。交互式教学有很多优点。教师可以随时评估学生对概念的理解，及时纠正理解上的偏差，这样学生在后续概念的学习中就不会受到先前概念顽固性的影响。教学过程中学生积极主动的参与而不是被动的记笔记，他们会不断的应用所学概念并进行检验。不仅教师和学生之间存在互动，这种课堂互动也存在于学生之间，因为处在同一个年龄段上，他们彼此之间的说服能力比教师对事物的语言描述更为有效。最为重要的是，已有众多的教学实践证明这种教学方法确实比传统的课堂说教要好得多，它能把大学物理的教学目标真正落实到课堂教学中，而不是停留在文字的层面上。既强调概念的定性理解，同时又重视物理概念和定律的实际应用；既重视不同概念的逻辑联系以建立物理概念的框架体系，又重视相似概念之间的区分及各自的实用范围；既关注学生知识面的扩大，更强调能力和创造性的培养。所有这些都是传统的教学方法很难做到的。

3建立合理的评估体系

任何一个成功的教学改革，最终都需要对教学实践的效果作出合理的评估以测试教学目标的完成情况。有几种评估方法可供选择。一种是总结性评估，即在课程结束时考察具体目标的完成程度。我们最为熟悉的方式就是考试，通过考试我们了解学生对大学物理内容的掌握情况。除了总结性评估外，形成性评估更为重要。这是一种动态的评估过程，它要求教师及时评估计划在达成目标过程中的进展情况，一旦进展不令人满意，就需要对计划作出相应的修改。这种评估方法最容易在课堂教学中实现，其执行结果是双重的。一方面，我们希望参与大学物理课程学习的学生能够对物理概念取得更为深入和连贯性的理解，并能把这些概念应用到众多的场合。另一方面，形成性评估的执行过程本身就是现有交互式教学方法的修正和深化的过程，世界上没有一成不变的教学方法，既然交互式教学以学生为主体，其教学方法就应该因人而异。学生本身也应该参与评估过程，他们要及时对课堂教学给出反馈意见。学生一旦对物理概念的本质有了更加深入的理解，他们就会对物理课程的学习产生更加积极的态度。在这种前提下，当要求对教师的课堂教学作出评价时，他们才会可能作出更加积极的反应。

总之，交互式课堂教学是一种以学生为主体的创新式教学方法，它可以贯彻到工科大学大学物理的课堂教学中。以教学目标为中心开展交互式课堂教学，把学生的主动性和创造性最大程度的发挥出来，可以成为当前大学物理教学改革的一个新的方向。（本文作者：陈昌兆 单位：安徽理工大学理学院）