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在世紀之交的前夕,美國高等教育界對如何在21世紀培養高質量的人才進行了高密度的探索.而在大學新生中如何進行大學物理的教學改革,有一支研究力量異軍突起,這就是美國倫塞勒工學院(RensselaerPolytechnicInstitute,簡稱RPI).他們首創的“工作室物理”(StudioPhysics)是一種集成了理論和實驗的教學模式,不再區分大學物理理論課和實驗課.該模式最先于1993年在教學中實踐.如今,不僅有StudioPhysics,還有StudioChenmistry,StudioClassforEngineeringAnalysis等[1].這種行之有效的教學模式在美國和中國的臺灣地區已經實施并有明顯效果,在國內卻鮮有介紹和應用.本文作者之一在RPI物理系訪問一年,親自參加了StudioPhysics的教學活動,覺得有必要向國內物理教學界介紹這一先進的教學模式.

1什么是StudioPhysics

RPI將其特點歸納為[2]:集成化的理論講授和實驗課,精簡的講授,高技術強化的學習環境,合作性的學習小組,以及師生間的高度互動.麻省理工學院(MIT)可能是使用StudioPhysics最具影響的學校,它對StudioPhysics的定義是[3]:一種對大學新生進行大學物理教學的新模式(For-mat),其目的在于幫助學生對物理現象發展出好的直覺和概念模型.這一教學模式的中心是學生的主動學習.也就是利用網絡連接的電腦和桌面實驗裝置,在高度合作和親自動手的環境中學習.

2StudioPhysics的具體實現

StudioPhysics的最大特點是將傳統授課和課堂活動(In-classactivities)融為一體.下面,我們就教室、課堂講授和課堂活動三方面分別介紹.標準的StudioPhysics需要在一個專門的StudioPhysics教室中進行(參見圖1).這一教室除了具備我們一般多媒體教室的功能之外,在每一張課桌上都有網口和與LabProDevice相連接的USB接口.通過LoggerPro數據采集軟件,可以將桌上實驗的數據進行采集處理,從而方便學生對數據進行分析.課堂規模為48人(實際上可以為60~90人,主要受教室限制).每個班級配備一名主講教師,一名研究生助教,一名本科生助教.助教的作用是在課堂活動期間巡視課堂,及時解決學生的問題.StudioPhysics仍然分為StudioPhysics1和StudioPhysics2(相當于我們的大學物理1和2).總學時為120左右,每周兩次課,每次2學時.StudioPhysics中包含的授課形式是:主講教師首先在課堂的第一部分內,以傳統授課形式介紹本次課的主要內容和概念,并隨機解答課堂提問.然后學生在教師、助教的協助下開始本次課的課堂活動(In-classactivities).要求當堂完成實驗操作及數據采集處理.這種授課形式不僅要求教師在課前充分準備,設計好課堂實驗和活動的問題,同時由于教師只作重點和總結性的講課(一般每次課不超過40min),因此學生的課前閱讀成了StudioPhysics的一部分.課堂活動(In-classactivities)是StudioPhysics的關鍵組成部分,也是StudioPhysics區別于傳統物理教學的根本所在.課堂活動的設計是與同一課堂內容緊密配合的.課堂活動一般由兩部分構成,桌上實驗與數據采集及其分析;根據實驗和課堂內容設計的練習,目的在于進一步讓學生澄清概念及其應用.要求學生在課內通過小組成員的協作完成第一部分.而第二部分則可以課下完成.

3StudioPhysics標準化進程

目前,RPI的StudioPhysics的課堂活動涵蓋了近50個實驗.其中力學18個,電磁學24個,波動(機械波和電磁波)9個,近代物理部分有5個.這些課堂活動是與他們的教學內容相配套的.RPI在實行StudioPhysics教學形式的同時,他們的教材采用了Halliday,Resnick和Walker編寫的《FundamentalsofPhysics》(第8版).該套教材采用了基于網絡的課程管理系統eGradePlus.出版該教材的JohnWiley出版公司,同時出版了和該教材配套的eGradePlus:WileyPlus.該系統使得指導教師能夠為學生提供一個動態的、交互式的學習環境,并通過網絡布置、提交、批改作業.值得一提的是,Resnick是PRI的榮退教授.由于StudioPhysics是公共基礎課,面向全校大學一年級的學生.從1993年RPI實行StudioPhysics教學的同時也使這一教學形式標準化.對于StudioPhysics1和StudioPhysics2分別由兩名課程主管教師負責課程設計、考試安排、教案準備.所有的教師遵守標準的教學大綱,統一的電子教案,所有的學生完成相同的課堂活動,相同的作業,標準化的考試.但這并不影響主講教師在講課過程中的個性發揮.

4StudioPhysics教學實例:磁場

學生在上課前必須預習教材第28章“磁場”第1—第3節.上課時,老師先講授30min.課堂活動:(In-classactivity):磁棒的磁場.課堂活動設計的目標:從實驗和理論兩方面研究磁棒的磁場.利用HallProbe測量磁棒軸線上的磁場,與根據由假設的正負“磁荷”產生的磁場公式(該公式由點電荷的電場公式類比得出)計算的結果作比較分析.實驗器材及軟件:磁棒,米尺,指南針,HallProbe;LoggerPro磁場數據采集軟件和Excell磁場數據處理電子表,電腦.具體的過程:1)測量磁棒的長,寬(L,W),見圖2(a).2)不考慮內部磁場,將磁棒設想為兩個極性相反的“磁荷”,令D=L2-W2[圖2(b)].利用測得的W、L,可以計算出D.假定“磁荷”產生的磁場類似于點電荷的電場,Qm代表“磁荷”量,這樣x方向的磁場可以表示為Bx=Qm4π1x-D2-1x+D2.這是一個武斷推測的公式,為此需要測量一些實際位置的磁場.3)測量Bx與x的關系.利用HallProbe測量軸線x上的磁場,由LoggerPro收集記錄并給出B-x線.將測量的L、W及第一個磁場測量值,輸入事先設計好的電子表格,從而計算出Qm4π.然后利用由此計算出的Qm4π,計算出所有對應點的Bx,畫出Bx-x線與測量的B-x線作對比,討論它們的誤差.

5StudioPhysics的特色

從上面的教學實例不難看出,本次課的內容是大學物理的基本教學內容,在傳統的教學中,很容易一筆帶過.而在StudioPhysics的課堂活動中,卻給學生提供了一個全面探究物理的機會,讓學生親自動手,相互切磋,共同提高.真正實現了以學生為主體,研究性的主動學習,使研究性主動學習成為有的放矢.綜上所述,我們可以把StudioPhysics的特點總結如下:1)主動學習.StudioPhysics成功地將教學主體從教師轉換為學生,不但要求課前預習,課中自己動手、自己發現問題有針對性地請教教師,還必須在限定的時間內達到學習目的.2)學習科學探索的全過程.在StudioPhysics課堂里,學生自己安排實驗,優化過程,采集數據,分析原理直到得出科學結論,其實就是通過物理課程的學習達到科學探索的目的.3)在集體中學習成長.3人小組中,每個人必須積極思考、密切合作、相互砥礪、共同提高.通過具體問題在同一環境下的集體學習,不需要教師的指點,同學也會自覺取長補短.這對于人的成長是很有益的.

6評述與總結

RPI是1993年開始StudioPhysics教學的,1995年對此進行了科學評估[4].結果表明,StudioPhysics在減少了約1.5~5.5課時的前提下反而提高了學習效果.一個最明顯的效果就是StudioPhysics提高了學生參與學習的主動性,很少有缺課現象.在學校方面,由于不要繼續在大學物理實驗的一些基本實驗設施上投資,總的財政支出反而減少了.目前RPI開發了成本更低,更加易于操作的MobileStudio,使得這一教學模式在國內的實現成為可能.從更寬的角度上看,StudioPhysics教學模式非常好地實現了現代的全人教育理念.在這個理念下,大學教育的目的必須達到“learntobe”,“learntodo”,“learntobewithothers”和“learntohowtolearn”這4個目的[5].致謝:作者非常感謝RPI物理系主任Gwo-ChingWang教授給筆者提供了學習了解StudioPhysics的機會,使筆者有可能參與到StudioPhysics這一最新的教學活動中.