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大学物理自适应生态教学研究

作者:2016-07-19 09:50文章来源:未知

  2010年6月23日教育部召开卓越工程师教育培养计划启动大会,批准了61所高等学校实施卓越工程师教育培养计划。2011年3月14日通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》指出:扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模,突出培养造就创新型科技人才。2014年为推进高等农林教育综合改革,教育部、农业部、国家林业局首次共同组织实施包括拔尖创新型、复合应用型、实用技能型三类人才培养模式改革,推出了“卓越农林人才教育培养计划”。

  随着社会对人才需求的变化,高等院校改革不同专业人才的培养计划,对课程结构和学时学分进行了不同程度的调整,有些学校出现了为保证自身专业课而减少公共基础课学时的情况。由于一些院校大学物理教育仍然釆用传统的教学模式,教学内容与专业未能紧密结合,许多学生认为“大学物理难学无用”因而导致大学物理课学时被大幅削减。面对当前形势在现有条件下如何深化大学物理教学改革,推进卓越农林人才的教育培养,是现实而又紧迫的重要问题。

  大学物理的自适应生态教学研究就是在新形势下深化大学物理教学改革,将导师制下教师的生态教育与学生的自适应学习相结合,推进卓越农林人才的教育培养

  一、导师制下的生态教学生态

  生物在一定的自然环境下生存和发展的状态,也指生物的生理特性和生活习性。生态教学就是“把教学看作个整体,用生态的眼光来审视课堂教学,在课堂教学情景中坚持以学生为中心和主体,满足人对精神、情感、交往的需要,调动学生的积极性,培养学生的学习能力和突出自主学习,使师生产生互相激发、共同参与、质疑探究、和谐发展的教学活动。

  卓越人才教育培养背景下的生态教学需要在教学中注意学生的个性特点,根据学生的基础知识结构和学习能力,量身定制教学计划,因材施教,动态调整教学内容、方法和手段。由于卓越人才的规模通常不可能很大(班级人数不可能太多),被培养者将更有机会获得特别的教育方式、占有特殊的教育资源和享有不同的教育待遇,因而在卓越人才教育培养背景下更有利于开展生态教学。卓越人才教育培养需要精选师资队伍以优秀的博导、硕导负责制下实现_对_甚至多对一的针对性指导,实行仿照本硕博连读形式的长期性跟踪教育而不仅仅局限于大学本科教育。因此,对卓越农林人才采用导师制下的大学物理生态教学,不能急功近利竭泽而渔,需要精选物理师资力量或教学团队配合导师进行长期性跟踪指导,根据卓越农林人才的班级甚至是个人的专业特点量身定制物理教学计划,采用生动的教学形式、现代的教学方法手段、与生产生活实践活动密切相关的教学内容,而且相应的计划内容和方法手段等还可随着科学技术的最新发展和物理前沿的研究状况进行动态调整。

  (一)教学计划与内容的适应性调整

  根据《“十二五”规划纲要》精神,推进高校物理教育大众化进程,努力开展文科物理和社会学习,“农科物理中大学生创新思维能力的培养”构建了三阶式小型化阶梯课程体系。为适应卓越人才教育培养需要,在课时削减的形势下必须做相应的调整。

  文科物理和社会学习等修1个学分学习第一阶课程,共16学时1个学分(理论课8学时,实验课8学时)。文科物理和社会学习等应简单掌握物理理论突出实践应用,以开设与生产生活密切相关的物理实验为主。例如,万用表和示波器的简单原理及使用,电冰箱等家用电器的工作原理与注意事项。

  理科(农科)物理等修2个学分学完第二阶课程,共48学时3个学分(可分为理论课24学时1.5个学分,实验课24学时1.5个学分)。在农科物理教学中,针对动科动医等专业多讲一些血液血浆的粘滞系数作为疾病诊断参数的问题、气体栓塞影响血液流动的原因等,针对农学林学等专业多讲一些毛细现象对植物生长的作用、光谱分析对稻谷水果的无损检测等,这样在一定程度上能够激发学生的学习兴趣,纠正学生们的错误观念。实验方面,选择性地开设长度测量、液体粘滞系数的测定、液体表面张力系数的测定、旋光仪测旋光性溶液的浓度、万用电表的使用、电子示波器原理与应用、分光计的调节使用、光电效应及普朗克常数测量等。

  工科物理等修6个学分学完第三阶课程,共96学时6个学分(理论课64学时4个学分,实验课32学时2个学分)。理论课方面,注重理论推导能力的培养,突出理工科各专业的特色,了解掌握近现代物理中的创新思维和先进技术。实验课方面,选择性地开设长度测量、刚体转动惯量的测量、分光计的调节与使用、用牛顿环测量凸透镜的曲率半径、液体粘滞系数的测定、液体表面张力系数的测定、万用电表的使用、电子束实验、电子示波器原理与应用、旋光仪测旋光性溶液的浓度、霍尔效应及霍尔系数的测定、光电效应及普朗克常数测量、模拟法测绘静电场等。

  大学物理实验不能因为学时的削减而简单地减少实验次数,而应该在保证基本教学内容的前提下采取以下方式改革:(1)进行相关实验的合并。例如,液体粘滞系数的测定与液体表面张力系数的测定可合并成一次实验,长度测量可与旋光仪测旋光溶液浓度合并,电子束实验可与电子示波器原理及应用实验合并等。(2)开设模拟仿真实验和辅修选修实验。将那些并非卓越人才专业培养必需掌握的不易实现的物理实验或比较抽象的物理概念,利用计算机进行三维动画模拟,设计成模拟仿真实验,变抽象为形象,帮助学生建立正确合理的物理表象,学生能更好的在头脑中形成认知结构;鉴于生源基础知识结构的差异,有些地方中学物理实验开设不多甚至根本未能开设,要对这些实验涉及的部分基础实验开设辅修选修课。

  (二)以实验为重心的模块化教学

  现代的大学物理教育必须树立新型的教学观念,需要突破狭隘的课堂教学范畴,实施可以发挥个性创新和开展换位思考多维拓展的广义教学。导师制下的大学物理生态教学是在卓越人才教育培养背景下注重发挥个性创新和开展换位思考多维拓展的广义教学的发展和延伸,提倡以实验为重心开展模块化教学。

  为在学时削减的形势下更好地激发学生学习大学物理的兴趣,自适应生态教学以农科物理教育为例提出了以实验为重心的多媒体模块化教学思想。

  首先,本科院校的大学物理教研室对本校非物理专业的各专业进行调研综合,精选出与各专业相关较高的实验,大部分实验从以前的验证性实验改进为探索性实验,并且尽量使物理实验和学生所学的专业联系起来,使学生认识到物理的重要性,从而提高学生学习物理的主动性。将这些实验以力、热、光、电等或更细地划分成相应的模块。

  其次,根据划分的模块,收集整理相应的理论知识,以4或8学时为单位打造成讲座单元,并可由不同教师负责不同单元的授课讲解。对于各个讲座单元的教学具体实施采用以下三步:(1)以实验室为教学场所,利用2个学时左右,让学生自行展开包括总体设计、基本理论以及该实验在专业领域应用问题在内的实验教学。(2)利用大约1个学时,在教师指导下利用包括大型开放式网络课程(MOOC)在内的多媒体教学为中继辅导,完善相关的知识理论,介绍该单元研究的思路历程及讲解相关的理论,对实验原理、实验内容进行预讲,让学生明白实验目的和内容,并且自行设计实验方法和步骤,带着问题有针对性地去做实验,采用发现式、探究式等方式多元化建构,启发学生思考,以此促进学生把握物理研究的思路脉络,培养学生的物理创新思维能力。(3)最后利用大约1个学时,组织学生对实验结论和效果自评自议,进行相应的讨论,完成单元教学。此外,课后动态跟踪网络答疑充分运用网络资源,在学校论坛上对学生留下的问题进行解答,同时通过QQ、微信和邮箱等方式与学生交流,进一步激发学生的学习热情,既促进教学又增进师生感情,从而提高教学效果。

  简言之,以实验为重心的多媒体模块化教学就是以综合专业共性的实验为基准,在多媒体教学支持下以实验室为主要教学场所,以实验内容为主要讲座单元,辅以理论指导的模块化教学。

  当前大学物理教学基本上都是由一位教师负责一个班整个学期的课程,不仅容易使学生产生感官疲惫,而且使教学质量受限于该教师的教学水平。采用以实验为重心的多媒体模块化教学由精选出的配合导师的物理师资力量或教学团队中不同教师负责不同单元的授课讲解,既能克服这些弊端,又能集中优势资源,发挥教师优势特长,提供更优质的教学。

  (三)现代的MobiSPOL教育技术手段

  现代教学突破了传统的课堂教学形式,开设网络课堂和虚拟课堂等多种形式,开展实践学习、网络学习和社会学习的互动教学。互联网给人类带来全新的生活方式,也给人类的教育事业(特别是教育方式)带来了深刻的变革。在大学物理课堂教学中运用计算机、网络和通信等现代信息技术手段,充分享用网上丰富的课程资源,开展丰富多彩的教学活动,现在这些手段形式已经比较普遍了。

  2012年“MOOC浪潮”(大规模在线开放课程,MassiveOpenOnlineCourse)的到来,可将世界上最优质的教育资源传播到地球最偏远的角落,使全球各地的人可以感受顶尖高校明星教师的课堂教学甚至取得学位,引发了全球的关注。采用“MOOC模式”不仅可以解放教师,而且可以使学生按照个人意愿,自主选择学习时间、学习地点、学习方式。伴随着“MOOCs”的快速发展,还涌现了“后MOOC”时期的新型样式,基于“无线网络+手持终端学校”的移动教学方法已开始实践“MobiMOOC”样式已出现。此外,还有如“SPOC”“Meta-MOOC”“DLMOOC”“MOOL”“DOCC”“PMOOC”和“MOOR”等新型样式[4_3。现代的高等教育院校大学物理教学需要找到适合自身特点的“MOOC”模式及“后MOOC”时期的新型样式。

  鉴于卓越计划背景下人才教育培养的结构、规模和特点,引入“MobiSPOL”样式与“以实验为重心的多媒体模块化教学配合,非常适合于导师制下的生态教学的需要。SPOL(Small,PrivateOnlineLabs)表示小型的私有的在线实验室“MobiSPOL”就是通过移动设备学习的小型的私有的在线实验室“MobileSPOL”。具体步骤方案如下:(1)高等院校根据卓越人才专业培养需要,规划整理教学大纲和教学内容,在确定了学生需要开设的物理实验之后,搜索或制作相应的适于手机等移动设备运行的实验课网络学习软件。(2)任课教师组织教学对象通过密码口令等方式进入,使学生随时随地通过手机等移动设备与教师互动,进行在线物理实验,教师实时指导给出评价。(3)对评价较高操作较好的学习者,选择适当时间安排其进入真实的实验室进行实验。

  二、学生的自适应学习

  自适应生态教学必需改变传统教学模式,突破狭隘的课堂教学范畴,加强学生的课外实践学习,培养学生自主学习、自强自立和适应社会的能力。学生课外的自主学习主要采取自适应学习训练和互教互学的形式,其自适应学习原理如图2所示。

  (一)自适应学习训练

  自适应学习训练可采用模块化分阶段渐进的学习训练方式,也可按课程内容的难度分阶段渐进的方式,其中每一个模块化(或难度)阶段的学习主要分以下几个步骤。

  首先,通过自学教程掌握物理学的基本知识。自学教程实际上就是一个包含物理学基本概念、定律等知识内容的软件包,学生打开软件包,了解掌握大学其次,学生利用训练系统练习自学教程中学习过的主要内容,加深对定律、概念的理解和掌握,并提高解题能力和分析问题的能力。学生训练系统包含有大量有针对性的练习题,习题是培养学生运用基本规律的方法之一,对不同类型的学生,习题应有所选择。

  再次,学生通过自测系统组合出课程考试试卷以检验学习效果和摸清自身对知识的掌握程度,进一步督促自己对物理课程的自觉学习。自测系统包含了填空题、选择题、简答题、计算题等各种类型的典型试题。

  最后,根据自测系统成绩,通过自适应算法判定学生是否进入下一阶段学习或返回该阶段重新学习。

  (二)学生的互教互学

  现代的广义教学提倡师生互动,发扬民主,改变“老师台上讲学生台下听”的课堂教学简单模式。一方面,利用学生课外自主学习,通过在自适应学习训练中自学和互助掌握了一些基本的概念、定律,可以很好地提高教学效率;另_方面,课堂教学采用发现式、探究式等方式多元化建构,条件允许时尽可能让有不同见解的学生上讲台阐述自己的思想观点,通过同学间的探讨思辨、互教互学,学生能够更完整更透彻地掌握所学知识,有利于培养逻辑思维能力和科学创新意识。

  模块化教学中的实验教学,其组织形式应该是灵活多样的,有的实验要让学生在没有教师指导的情况下独立完成,以便培养学生的独立操作能力,有的实

  验需要让学生在教师指导下通过同学间的合作完成,以便在老师的启发引导下培养创新思维能力和相互协作的实践技能。实验教学中提倡民主,发扬能者先行、学优为师的作风互教互学,可以更好地保证教学质量提高教学效率。以分光计实验为例,若采用传统的方式,教师上实验课非常辛苦却又不能保证所有同学在两个学时内真正完成实验。因此采取以下措施:“

  首先,教师将主要步骤归纳为“自准远准台平”三大步六个字,要求同学掌握“各半调节法”的重要意义和具体做法,并操作演示一遍。其次,学生开始独自操作完成实验,对班上一些先完成的学生于报告册上标注完成时间;再次,将这些学生的仪器旋钮调乱让他们重新操作一遍,对再次完成实验的学生打出成绩“优”或“A”最后,安排这些得到“优”或“A”的学生去指导其他未能完成的学生,如果指导成功,经检测这些被指导的学生也完成并掌握了实验方法,那么这些得到“优”或“A”学生的成绩升至“优+”或“A+”。以此类推,班上学生基本能够完成实验。能者先行学优为师,犹如教师学到了孙悟空的分身法,不仅有利于保证教学质量、提高教学效率,而且使得考核成绩更加客观准确。

  三、结束语

  大学物理的自适应生态教学是在作为基础课的大学物理理论课和实验课的学时数被大幅削减的形势下针对卓越人才的培养问题提出的,在导师的指导下和各门课程师资团队的配合教育下动态制定特殊的教学计划和大纲,在注重发挥个性创新和开展换位思考多维拓展的现代广义教学的基础上提倡以实验为重心开展模块化教学,充分利用现代教育手段,培育学生的物理创新思维能力和实际应用技能,并随着科学技术的最新发展和物理前沿的研究状况对学生进行长期跟踪教育。在此项教学改革研究过程中,不仅初步设计了教学计划内容,改进和完善了三阶式小型化阶梯课程体系,而且大力倡导支持了长期教育和终身学习的思想,树立了新的教学理念,促进了新型师生关系和生生关系的建立,体现了与时俱进、勇于创新的教育精神。

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