苗永平，孫二平，李忠麗，劉維慧

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等理工科院校對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、提高科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的，是通過(guò)創(chuàng)造一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以達(dá)到獨(dú)立獲取知識(shí)的能力[1,2]。

目前仍有相當(dāng)一部分大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用傳統(tǒng)模式，學(xué)生按照指定的教材、預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟做實(shí)驗(yàn)并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定成績(jī)。把課程變成了具有“低階、灌輸、封閉、重學(xué)輕思”等典型特征的“水課”，大大抑制了學(xué)生的思維活動(dòng)，降低了課堂質(zhì)量[3,4]。

為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)人才的需求，十多年來(lái)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)理念、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)方法等方面發(fā)生了很大的變革，并由北京師范大學(xué)的韓思思等做了詳細(xì)的研究分析[5,6]。尤其值得注意的是，基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力方面具有傳統(tǒng)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。眾多高教工作者做了較多研究和實(shí)踐，但因各種原因未被廣泛采用[7-10]。

本文深入研究了基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法，吸收其精髓，并結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，因地制宜提出基于問(wèn)題的2W2H教學(xué)方法，開(kāi)展了一系列教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。

1 PBL方法及應(yīng)用

PBL(Problem based learning)是基于建構(gòu)主義教育理念而發(fā)展起來(lái)的一種新型的教學(xué)模式。它不同于傳統(tǒng)以知識(shí)灌輸為主的教學(xué)方式，而是以真實(shí)且較為復(fù)雜的問(wèn)題為核心來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，在創(chuàng)造性解決問(wèn)題的過(guò)程中通過(guò)互動(dòng)討論及概念辯證等方式培養(yǎng)學(xué)生觀察研判、探究思考、解決問(wèn)題、歸納整合及溝通表達(dá)等實(shí)際應(yīng)用能力。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，知識(shí)不是對(duì)外部客觀世界的被動(dòng)反映，而是學(xué)習(xí)者通過(guò)同化和順應(yīng)進(jìn)行積極建構(gòu)，并在一定情境下借助其他人的幫助或利用相應(yīng)的學(xué)習(xí)資料通過(guò)意義建構(gòu)的方式而獲得的。因?yàn)橹挥挟?dāng)學(xué)習(xí)者完全參與了學(xué)習(xí)活動(dòng)，經(jīng)過(guò)了問(wèn)題解決的每一個(gè)步驟和知識(shí)建構(gòu)的每一個(gè)過(guò)程，才能在學(xué)習(xí)新的知識(shí)時(shí)將先前獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)很好地整合起來(lái)，從而達(dá)到對(duì)新知識(shí)的理解與掌握，并進(jìn)一步完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)[11]。

PBL應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)類課程教學(xué)時(shí)，其具體實(shí)施過(guò)程一般分為四個(gè)步驟。第一步，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，界定問(wèn)題；第二步，分組討論，制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案；第三步，成員根據(jù)分工和計(jì)劃開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)；第四步，總結(jié)所創(chuàng)設(shè)問(wèn)題的解決過(guò)程及經(jīng)驗(yàn)。

大量研究結(jié)果證明了PBL學(xué)習(xí)模式在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力、能力培養(yǎng)和知識(shí)鞏固等方面有顯著成效[12]。但因?yàn)閷W(xué)情復(fù)雜、教學(xué)資源有限、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等實(shí)際問(wèn)題，PBL的“問(wèn)題”設(shè)置難度很高，對(duì)教師的專業(yè)素養(yǎng)要求更高。因此，PBL更適用于小班制、綜合設(shè)計(jì)等課時(shí)較多的課程[13]。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)和現(xiàn)狀

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程覆蓋面廣，具有豐富的實(shí)驗(yàn)思想、方法、手段，同時(shí)能提供綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑻岣呖茖W(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)。課程一般由緒論及若干個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量因各高校學(xué)時(shí)的不同而有差異，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目約2～3個(gè)學(xué)時(shí)。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等多個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間相對(duì)獨(dú)立。

針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的研究和探索從未停止，但大多數(shù)高校教學(xué)仍普遍存在較多問(wèn)題。最突出的是教學(xué)模式守舊，即和尚念經(jīng)式的程序化教學(xué)。主要表現(xiàn)在：第一，課程研究少，實(shí)驗(yàn)教材中寫(xiě)明了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但?shí)驗(yàn)內(nèi)容如何支撐實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒅瘟硕嗌?，如何把教材變得鮮活，教師缺乏深入研究；第二，教學(xué)過(guò)程乏味，教師機(jī)械地講，學(xué)生被動(dòng)地做，被動(dòng)接受多、思考少；第三，學(xué)生不清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，不知道第一個(gè)實(shí)驗(yàn)和最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上有什么不同，不能把握每個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)涵，只關(guān)心數(shù)量上是否湊夠了；第四，結(jié)果不清楚，僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分，而且很容易通過(guò)，實(shí)際收獲幾何？教師不關(guān)心，學(xué)生不明白。在這種教學(xué)環(huán)境下，因?yàn)闆](méi)有持久穩(wěn)定的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)支撐，在課程初期學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣比較濃厚，上課積極主動(dòng)，中期則隨著興趣逐漸消退而例行公事地上課，至后期則敷衍了事，這已是普遍現(xiàn)象。

3 2W2H學(xué)習(xí)法

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在課程設(shè)置上具有應(yīng)用PBL教學(xué)模式的條件，實(shí)際教學(xué)中存在的問(wèn)題又以缺乏主動(dòng)性為主，而PBL的特點(diǎn)就在于以“問(wèn)題”驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，將大量碎片化的知識(shí)串聯(lián)成學(xué)科專業(yè)知識(shí)鏈，在解決問(wèn)題過(guò)程中培養(yǎng)各種能力。因此，基于PBL核心理念提出2W2H教學(xué)方法，應(yīng)用在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其框圖如圖1所示。

圖1 2W2H教學(xué)法框架

2W2H教學(xué)方法給出四個(gè)問(wèn)題，分別是：為什么做實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是什么？怎么做實(shí)驗(yàn)？做得怎么樣？

第一個(gè)問(wèn)題，為什么要做實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考或者主動(dòng)查閱學(xué)習(xí)材料，了解每一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程或者每一堂實(shí)驗(yàn)課的目的。在解答這一問(wèn)題時(shí)，教師可以依據(jù)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論從知識(shí)價(jià)值觀、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效能感、成敗歸因等方面合理激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促成最佳績(jī)效。

第二個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是什么，則是引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱或者歸納學(xué)習(xí)材料聚焦課程的核心內(nèi)容，明確課程主題，培養(yǎng)歸納概括能力。

第三個(gè)問(wèn)題，怎么做實(shí)驗(yàn)，是驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，以理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)操作中理解、反思理論，有助于培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決問(wèn)題的能力。

第四個(gè)問(wèn)題，做得怎么樣，一是學(xué)生要總結(jié)實(shí)驗(yàn)并思考個(gè)人在實(shí)驗(yàn)中的收獲，衡量個(gè)人成長(zhǎng)；二是教師要評(píng)價(jià)課程目標(biāo)達(dá)成情況，以便有針對(duì)性地改進(jìn)，二者缺一不可。

這四個(gè)問(wèn)題適用于一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程，也適用于一堂實(shí)驗(yàn)課，甚至某一項(xiàng)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

這四個(gè)問(wèn)題需要教師和學(xué)生共同思考，教師思考如何通過(guò)課程設(shè)計(jì)改進(jìn)而提升課程質(zhì)量，學(xué)生則思考如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程達(dá)成個(gè)人成長(zhǎng)。

2W2H教學(xué)法以PBL理論精髓為核心，以四個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考學(xué)習(xí)目的，為解決實(shí)際問(wèn)題調(diào)動(dòng)個(gè)人主觀能動(dòng)性，充分利用各種學(xué)習(xí)資源，把零碎分散的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)為有機(jī)整合的知識(shí)鏈，在學(xué)習(xí)過(guò)程中提升個(gè)人能力。最重要的是，2W2H教學(xué)法可以應(yīng)用于一個(gè)實(shí)驗(yàn)課程，一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，甚至一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的某一項(xiàng)內(nèi)容；可以是一個(gè)小組，也可以是個(gè)人。因此，2W2H教學(xué)法既吸收了PBL的精髓，又具有高度的靈活性，具有普遍的實(shí)用性。

4 教學(xué)實(shí)踐

為了驗(yàn)證2W2H教學(xué)法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際作用，以數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)為案例開(kāi)展了教學(xué)實(shí)踐。

第一個(gè)問(wèn)題，為什么要做數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)？對(duì)于電子電氣類專業(yè)的學(xué)生，數(shù)字示波器是在?；蛘咦呦蚬ぷ鲘徫粫r(shí)從事電類相關(guān)工作應(yīng)知應(yīng)會(huì)的工具，對(duì)其職業(yè)發(fā)展有直接的影響，因此從知識(shí)價(jià)值觀角度幫助學(xué)生建立穩(wěn)定的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；而對(duì)于一般專業(yè)的學(xué)生，則從數(shù)字示波器可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的可視化以及可量可測(cè)角度激發(fā)學(xué)生興趣。凡此種種，需要教師依據(jù)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論，深入分析學(xué)情并以靈活恰當(dāng)?shù)姆绞教嵘鋵W(xué)習(xí)主動(dòng)性。

第二個(gè)問(wèn)題，根據(jù)數(shù)字示波器在電子線路相關(guān)職業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)要求，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩項(xiàng)：一是電信號(hào)的觀察、測(cè)量和分析，二是未知信號(hào)的調(diào)試與顯示。普通高校的數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)大多集中于第一項(xiàng)內(nèi)容，側(cè)重于數(shù)字示波器常規(guī)功能學(xué)習(xí)，所用信號(hào)為常規(guī)的周期性信號(hào)，來(lái)自于示波器本身的方波或者外部信號(hào)發(fā)生器提供的各種波形，只要按一下“AUTO”按鍵便由示波器自動(dòng)運(yùn)算并將信號(hào)完美地顯示在屏幕上。而在真實(shí)職業(yè)場(chǎng)景的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)或者試驗(yàn)工作中，卻要面對(duì)未知的、信息不夠完整的電信號(hào)，如何靈活運(yùn)用示波器的各個(gè)按鈕和功能將這種波形顯示在屏幕上就成了一個(gè)難題。也就是說(shuō)，第一項(xiàng)內(nèi)容是常規(guī)性的、低階的，沒(méi)有挑戰(zhàn)性，只要知道就會(huì)操作，只能達(dá)到比較低層次的自我效能感；第二項(xiàng)內(nèi)容則是高階性的、有挑戰(zhàn)度的，需要靈活運(yùn)用已有知識(shí)，通過(guò)分析和判斷才能達(dá)到，能夠有效激發(fā)一部分同學(xué)主動(dòng)研究探索的精神，產(chǎn)生更高層次的成就感。

第三個(gè)問(wèn)題，以如何測(cè)量信號(hào)的某個(gè)參數(shù)值為問(wèn)題，以工作流程為順序，以信號(hào)參數(shù)的測(cè)量為主線，將各項(xiàng)知識(shí)和功能串聯(lián)為有機(jī)的整體，其框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)信號(hào)測(cè)量流程圖

將全部工作分為信號(hào)輸入、信號(hào)顯示、條件設(shè)定、信號(hào)測(cè)量和結(jié)果呈現(xiàn)五個(gè)活動(dòng)。在信號(hào)輸入節(jié)點(diǎn)，問(wèn)題主要包括信號(hào)是什么、從哪里來(lái)、到哪里去、如何連接等，主要知識(shí)點(diǎn)是探頭連接和電信號(hào)，包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知、電氣性能、連接方法和電信號(hào)的來(lái)源等。在信號(hào)顯示節(jié)點(diǎn)，問(wèn)題主要是如何顯示信號(hào)；知識(shí)點(diǎn)包括觸發(fā)功能、自動(dòng)、運(yùn)行/停止、擋位設(shè)定、位置調(diào)整等。在條件設(shè)定節(jié)點(diǎn)，問(wèn)題主要是為什么要設(shè)定條件、如何設(shè)定條件、各條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有哪些影響；知識(shí)點(diǎn)包括衰減系數(shù)設(shè)定、通道選擇、待測(cè)參數(shù)設(shè)定、耦合方式設(shè)定和時(shí)基設(shè)定等。在測(cè)量分析環(huán)節(jié)，問(wèn)題是有哪些方法、如何操作；知識(shí)點(diǎn)包括參數(shù)measure、cursor等功能。在結(jié)果呈現(xiàn)環(huán)節(jié)，問(wèn)題是如何讀取和記錄測(cè)量結(jié)果、如何評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果；知識(shí)點(diǎn)是參數(shù)讀取和存儲(chǔ)。

(a)脈搏信號(hào)

(b)心電信號(hào)圖3 學(xué)生生理信號(hào)測(cè)試圖

第四個(gè)問(wèn)題，在學(xué)習(xí)完基本內(nèi)容后，布置課堂作業(yè)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，以檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，評(píng)估個(gè)人收獲，教師也可以此了解學(xué)生掌握情況，作為教學(xué)改進(jìn)的第一手資料。

具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)嘗試采用多種創(chuàng)新方法，擇其重點(diǎn)概要如下。第一，提煉核心知識(shí)點(diǎn)作為預(yù)習(xí)作業(yè)，讓學(xué)生帶著問(wèn)題閱讀教材、查閱資料、歸納總結(jié)，提高預(yù)習(xí)質(zhì)量，改變過(guò)去僅僅不加思考地抄寫(xiě)教材而無(wú)實(shí)效的弊端。比如，舉一個(gè)生活中的例子說(shuō)明觸發(fā)的原理和功能？信號(hào)進(jìn)入示波器后經(jīng)歷哪些處理才能顯示在屏幕上？測(cè)量一個(gè)信號(hào)的周期/峰值的方法有哪幾種？等等。這些問(wèn)題在資料中沒(méi)有現(xiàn)成答案，只有充分閱讀、思考并總結(jié)后才能回答，能夠有效提高學(xué)生主動(dòng)思考能力。第二，在學(xué)習(xí)未知信號(hào)調(diào)試和顯示時(shí)，實(shí)驗(yàn)中心自主研發(fā)了生理信號(hào)實(shí)驗(yàn)儀，讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)測(cè)量個(gè)人的心電信號(hào)和脈搏信號(hào)，一方面提高學(xué)生興趣、活躍課堂氣氛，這些信號(hào)還具有一定的不確定性，需要運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、觀察圖像、判斷調(diào)整方向，還需要學(xué)生根據(jù)個(gè)人身體狀況判斷測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有較高的挑戰(zhàn)度和較強(qiáng)的實(shí)用性，圖3是學(xué)生測(cè)得的心電和脈搏波形，可從圖中讀出信號(hào)的頻率，并與使用秒表測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比以判斷測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。第三，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)考核和加分制度，以教師隨機(jī)出題、學(xué)生申請(qǐng)演示、成功者加分的形式激勵(lì)學(xué)生強(qiáng)化學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，獲得更好的學(xué)習(xí)效果和更高的成績(jī)。

圖4和圖5是采用2W2H教學(xué)法的班級(jí)和采用傳統(tǒng)教學(xué)法班級(jí)的實(shí)驗(yàn)狀況對(duì)比。從圖4中可以看出，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、原始數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)討論以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告總成績(jī)等各方面，實(shí)驗(yàn)組的得分率都明顯高于對(duì)照組。

圖4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告狀況對(duì)比

圖5顯示，我中心自主開(kāi)發(fā)的生理信號(hào)實(shí)驗(yàn)儀投入教學(xué)后能夠有效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，實(shí)驗(yàn)組有更多比例的同學(xué)愿意參加現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，且成績(jī)也優(yōu)于對(duì)照組，說(shuō)明了新的教學(xué)方法在提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)力和實(shí)驗(yàn)效果方面有積極的作用。

圖5 主動(dòng)申請(qǐng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

有相當(dāng)數(shù)量的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程仍然采用傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)模式，極大地限制了學(xué)生思維活動(dòng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。本文吸收了PBL學(xué)習(xí)法的精髓，結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)創(chuàng)新性地提出2W2H教學(xué)法，并在數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中實(shí)踐運(yùn)用，取得了較好的效果，證明了該方法具有較高的推廣價(jià)值和實(shí)用性。