问题解决教学设计应用于大学物理创新实验的探索与实践

1、问题解决教学设计应用于大学物理创新实验的探索与实践杨玉梅作者简介：杨玉梅，中国人民解放军后勤工程学院讲师，硕士，主要从事大学物理教学及高等教育研究。本研究属于后勤工程学院青年基金项目成果。朱霞，中国人民解放军后勤工程学院教授，硕士生导师。，朱霞，王凯俊，武小琴，谭德宏（中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401311）摘要：问题解决教学设计与大学物理创新实验课程共同关注复杂劣构问题。此类问题解决没有现成的算法可以遵循，要求学习者面对较高的认知负荷表现出较高级的思维能力。立足创新实验教学实践，开发教学设计案例，具体分析在复杂劣构问题解决进程中教学设计呈现出的目标生成性、过程创造性、评价多样化特征。

2、关键词：问题解决；教学设计；创新实验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、导言问题解决作为一种教学方式，是当前教学改革的重要组成部

5、分，与传统的仅仅以传授知识为目标的教学方式有着很大的区别。美国全国数学管理者大会将问题解决界定为“将先前已获得的知识用于新的、不熟悉的情境的过程”。问题解决的教学设计,即教学依问题而存在，问题依教学而有效解决（朱德全，基于问题解决的处方教学设计，高等教育研究，2006（5）,83-88）。加涅曾指出：“教育的核心问题就是教会学习者思考，学会运用理性的力量，成为一个更好的问题解决者。”在培养学生问题解决能力方面，传统的实验教学越来越不能令人满意。传统实验的教学任务不外乎测量基本物理量和验证定律。教科书从目的要求、原理、仪器，到操作步骤都写得十分详尽，没有多少观察、分析和独立思考的余地，很难引发学

6、生的高级思维活动，也便谈不上培养学生独立探索、创新创造能力。我校开设大学物理创新实验课程在一定程度上可以弥补传统实验的不足。课程从选题到问题解决都给学生足够的空间，强调以学生为中心。从知识建构的角度来讲，就是要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者。创新实验课程安排十周，每周两课时，共二十课时，与两个课时的传统实验相比，充足的学习时间保障复杂问题解决的可行性。本人将问题解决教学设计基本思想应用于教学实践，开发了“刚体转动惯量测量仪轴承摩擦引起的实验误差研究”教学设计案例，从实验选题、目标设置、教学过程、教学评价四个方面进行阐述，具体分析在问题解决

7、过程中学生面对不断产生的认知冲突所能表现出来的独到见解和发展创造思路以及问题解决进程中教学设计的特征。二、问题解决教学选题的障碍性与探究性成功进行“问题-解决”教学设计，提出适当的问题至关重要。纽威尔和西蒙（Newell & Simon）认为：“问题是这样一种情境，个体想做某件事，但不能马上知道对这件事所需采取的一系列行动，就构成问题。”首先，问题依托于一种情境，“情境不仅包括学习发生的具体的物理空间，还包括作为学习过程本身一部分的社会环境”1。创新实验教学在大学物理实验室进行，事实证明，完备的实验设备并不能构成问题解决所有的情景，问题解决过程中学生需要获得组内组外成员的帮助，辅导教师以及其他

8、教师的帮助，必要时与仪器生产厂家取得联系等等，这构成了学习过程中一部分的社会环境，需要学生具备一定的社会交往技能以保证学习过程的顺利进行。其次，“不能马上知道对想做的事所采取的行动”，便使得问题有了“障碍性与探究性”。本次创新实验选题是从传统实验的教学过程中生成的。“恒力矩法测量刚体的转动惯量”实验验证平行轴定理时，不是用一个待测圆柱直接测量，而是用对称操作法，即需要“将两圆柱体对称插入载物台上与中心距离为d的圆孔中”进行测量，由此引发思考，提出问题“ZKY-ZS转动惯量实验仪轴承摩擦力矩对实验误差的影响研究”。显然本问题没有现成的算法可以遵循，是学生尚不完全明确甚至是未知的，不能很快地、直接

9、地做出回答，属于探究性问题。活动过程中，合作小组几次遇到难题，引起认识上的矛盾、心理上的紧张。又几次在讨论中产生新的想法思路，也就是格式塔派心理学所说的经过几次“顿悟”，最终成功改造了实验仪器，发现中轴摩擦影响实验误差的规律。真正体会到了“穷则变，变则通”的含义。三、问题解决教学目标的开放性与生成性 创新实验选题的障碍性和探究性，问题解决方法的非常规和不确定性，决定了教学目标不可能在实施教学之前就能够明确，而呈现出一定的开放性和生成性。目前教学设计理论界提倡“开放的教学目标”即指在教学过程中可以改变学习目标或生成新的学习目标。教学设计权威W舒尔茨说，“有选择性的教学准备具有很大意义允许在保证教

10、学目标实现的前提下，可以改变和保持驾驭教学目标的灵活性。”2“恒力矩法测量刚体的转动惯量”，在本校传统实验教学计划中属于大二本科两个课时基础实验项目，实验目标是：1) 测量规则形状物体例如圆环、圆柱的转动惯量；2）验证平行轴定理。显然这是一个用“可观察的术语”描述的非常明确的目标。本课程以培养学生问题-解决能力为出发点确定了如下表的开放目标体系。即目标体系不仅包括了教师根据教学需求和“问题-解决”教学设计特点预先制定的学习目标，还包括部分教学过程中生成的新目标（新目标表中用“”标出）。本案例新目标的生成过程将在第四部分“问题解决教学过程的主体性与创造性”中详细论述。表1刚体转动惯量测量仪轴承摩

11、擦引起的实验误差研究开放目标体系知识与技能知识维度 掌握物理概念定律：刚体转动惯量、刚体定轴转动定律、平行轴定理 了解实验误差与不确定度理论技能维度 数据记录处理技术。自制表格记录数据，逐差法，作图法处理实验数据。必要时借助matlab、excel等计算机通用软件处理实验数据 常用实验操作技术。对称操作法，水平铅直调整法 制作技能。制作被测圆柱体粘贴板等辅助实验器材问题解决能力 提出问题，筛选有研究价值的论题，有针对性的提出猜想与假设 能够制定合理可行的实验计划 根据需要选择所需的实验器材 必要时能够改进或自制实验器材 学会考虑影响问题的主要因素，会用控制变量法 根据已有知识，必要时学习新知识

12、，从实验现象和数据中发现规律，进行因果推理，解释实验现象 对结果进行描述和解释，写出规范的探究报告和科学论文情感态度 经过初步引导，大部份学员能够形成自觉的探索意识和强烈的研究兴趣，能对解决问题的思路和方案大胆进行假设与尝试 对于畏惧困难，兴趣低落的学员通过教员积极引导和同组学员的带动，态度变得积极 能够从自主发现问题，解决问题的过程中体验到成就感与喜悦感合作与交流 能准确表达自己观点 在合作中注意既坚持原则又尊重他人 能思考别人的意见，改进自己的探究方案 有团队精神 认识科学研究合作交流的重要性 必要时，寻求他人或社会（仪器生产厂家）帮助四、问题解决教学过程的主体性与创造性教学过程体现主体性

13、是指整个教学设计力图归还学生课堂话语权，使学生在学习过程中拥有足够思维和活动的时间和空间。教学过程体现创造性是指强调学习过程比学习结果更重要，希望看到一次次深层次的思维飞扬。实际教学过程中，创造性的体现需要主体性的充分发挥为前提，反过来，主体性的充分发挥也需要创造性的助推作用。这两者的充分发挥都依托于教学过程中新任务（或者新目标）的生成。新任务的出现与完成是学习动力的助推剂，具有明显的激励作用，可以开发潜能，激活高级思维，终使学生的主体性和创造性得到更好的发挥，同时也使教学更有广度和深度。本教学设计将教学过程分成选题、猜想与假设、 制定实验方案、实施实验方案、收集处理实验数据、解释实验现象，得

14、出实验结论六个阶段。创造性和主体性主要体现在，实施方案阶段对实验仪器的改进、处理数据阶段对计算机软件的学习应用，以及解释实验现象阶段自主学习新知识三个方面。1. 创造性改进实验仪器，实施实验方案对刚体转动惯量测量仪轴承摩擦引起的实验误差情况，合作小组提出了多个猜想与假设，通过查阅相关资料，小组讨论排除次要影响因素，得出如下一级假设：（1）摩擦力矩与实验台的旋转速度有关，速度越大，摩擦力矩越不稳定（2）摩擦力矩与实验台的旋转载荷有关，载荷越大，摩擦力矩越不稳定本实验采用ZKY-ZS转动惯量实验仪，速度改变范围有限，选择研究假设（2），针对载荷对摩擦力矩的影响小组讨论提出如下二级假设：（1）仪器本

15、身不对称或测量元件（本实验用刚性圆柱体）相对转轴的不对称放置，造成轴承摩擦力矩不恒定。（2）同等个数测量元件，误差大小与测量元件距质心轴的距离有关。（3）测量元件相对转轴对称放置的情况下，与分立的测量元件相比，连续体的测量误差较小。假设（3）在现有实验条件下无法进行，ZKY-ZS转动惯量实验仪只有四排孔，只能测量1、2、4个被测圆柱体的情况，数量有限，不能体现从分立元件到连续体的变化趋势，必须增加被测元件个数，矛盾、冲突由此产生。这就需要学生发挥其主观能动性，各抒己见，提出解决方案，这是最有创造性、挑战性的学习任务，也最能引发学生问题解决后胜利者的满足感。讨论过程中，一位组员提出在实验台上描绘

16、出被测圆柱体位置的设想，大家各抒己见最终确定了自制实验辅助器材的方案。具体操作方法如下：剪裁实验圆盘大小（半径为130mm）的三张轻薄塑胶纸，以45mm、60mm、75mm、90mm、105mm为半径画五个同心圆，将三张圆纸片分别进行16、12、10等分，等分线与同心圆的交点就是放置被测刚体的准确位置。考虑到测量元件是直径30mm的圆柱体，又以每一个交点为圆心以15mm为半径绘出了许多小圆。将塑胶纸固定在空实验台上，即可以满足距中轴45 mm、60 mm、75 mm、90 mm、105mm、对称放置2、3、4、5、6、8、10、12、16个圆柱，足以体现从分立元件到连续体的变化趋势。实验操作时

17、，在小圆圆心处粘贴少量双面胶，防止被测圆柱体旋转时发生移位。另外，如果塑胶纸比较厚或者其质量较空实验台不能忽略，在测量空实验台转动惯量时应将塑胶纸放在实验台上一起测量。（可放置5,10个）（可放置3,6,12个） （可放置2,4,8,16个） 图1自制辅助实验器材示意图2 自主学习新技能 处理实验数据问题解决学习是一种知识技能含量较大的学习，比如上文提到的自己动手制作辅助器材的技能，针对本课程学生还需在教师的提示下习得另外一种必不可少的技能，即利用计算机软件进行处理实验数据。根据实验原理，数据处理包含刚体转动半周期的三次多项式，再加上如此大量的实验数据，计算器已远远不能满足数据处理需求，而借助

18、matlab、excel等计算机通用软件，将大大减小工作量。这就生成了“知识与技能”维度“必要时借助matlab、excel等计算机通用软件处理实验数据”的新目标。合作小组利用excel软件对数据进行分析，发现A=10，d=45对应数据为异常数据，剔除该数据，相对误差与质量大小及质量分布的关系呈现如下规律：（1）相同个数被测圆柱，距离中心转轴越近，相对误差越低。（2）距离转轴相同距离，被测圆柱体数量越多，相对误差越低。显然，这两条规律从两个不同的角度验证了我们的猜想：“对称放置测量元件的情况下，与分立的测量元件相比，连续体的测量误差较小。”图2 相对误差与质量大小及质量分布的关系图注：（1）A

19、为被测圆柱体个数；（2）d表示被测圆柱体距离中心转轴的距离3. 自主获取新知识 解释实验现象“问题解决要求他们回忆一些较简单的、先前习得的规则和定义性概念。”3除此之外，更有挑战性的是学生还需通过自学，寻求第三方帮助等方式获取新的知识。解释实验现象，得出结论需要合作小组查阅大量的资料，特别是关于轴承构造，以及解释轴承摩擦规律的相关资料。这生成了新的目标，即“问题解决能力”维度下“必要时，学习新知识解释实验现象”的目标。关于轴承构造相关问题，合作小组与仪器厂家取得联系，得知所用轴承为GB276-64单列向心球轴承，获得了轴承实物图，轴承内径、外径大小等相关数据。这将对我们进行数据分析带来极大的方便。这同时也生成了新的目标，即“合作与交流”维度下“必要时，寻求社会帮助”的目标。实验现象验证了我们的猜想与假设，对实验仪器或操作方法的改进有一定的参考价值。但实验现象背后的深层成因应从轴承受力情况进行分析。针对以上问题，合作小组做出了较大的努力，查阅学习了的大量关于轴承结构及旋转受力方面的资料，但考虑到轴承摩擦受力的复杂性以及本课程有限的授课时间，学习任务似乎已经超出了学生的认知负荷，实验现象未能从物理力学方面得到满意的解释。这同时也生成了一个新的研究课题“刚体转动惯量实验仪轴承摩擦的力学分析”，可以作为学生课外自主选择的学习任务。五、问题解决教学评价的多样化问题解决教学