开展实验情境教学,提升高校理工科教学效果
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0178-02
实验与实践教学是理工科大学实现本科教学目标、培养创新性人才的必要手段之一。然而，目前我国高校的实验教学大多很难满足教学的要求，专业课教学的情况尤为严重。[1，2]一方面，实验教学需要搭建实验平台成本高昂，同时很多专业课的实验装置的研发滞后，所以实验覆盖面有限，而且有些实验根本不适合开展学生实验；另一方面，专业课教学过程中实验教学很难与理论教学步调一致，先讲理论、先做实验都存在弊端，不能很好促进知识的升华与迁移。如何弥补实验教学的不足，促进理论与实践教学的密切协同是理工科专业课教学面临的一大难题。我们课题组通过近年来的教学试验与实践，发现在课堂上采用半实践性的实验情境教学对解决这一难题有较大效果。实验情境教学与情境性学习理论一脉相承。情境性学习理论是1980 年代布朗（J. S. Brown）等人提出的，它突出了人类所处的物理情境和文化情境的重要性，是对知识和学习在理论和实践上的又一次发展。[3]通过学习情境的构筑，可引导学生自然的融入到知识的探究和学习中，从而事半功倍的完成知识迁移。
一、开展实验情境教学的意义
实验情境教学是指根据教学的需要，通过虚拟构筑实验情境，以一种半讲述半实践的形式展开教学。而实验情境是依据真实验条件与实验过程，以口头、板书或多媒体形式构筑的一种虚拟的实验情境。实验情境的合理创设对课堂教学质量的提升意义重大。
1.有利于学习兴趣提高，促进知识的升华与迁移
由于实验情境是以真实实验环境和过程为依据的，因此可使学生产生直观的感性认识，有利于学生融入问题情境，引发探究兴趣。例如，在“陶瓷工艺原理”课程中要讲解球磨机球磨效果的影响因素，非常枯燥，学生也难以掌握。如果虚拟出一个利用球磨机对陶瓷配合料进行破碎的实验，结合多媒体图片，预先介绍清楚球磨机的类型及工作方式、配合料的构成及其破碎特性、实验目的等，然后虚拟开展球磨破碎实验，就可降低知识的理论性，便于学生进入问题情境。实验情境紧密围绕核心知识展开，有利于学生攻克重难点，实现知识的有效迁移。还以球磨破碎实验为例，通过“变换”实验条件，以揭示球磨效果的各个影响因素。由于有具体的实验“过程”与实验“结果”为支撑，学生对这些规律很容易理解与内化。
实验情境进程是可控的，因此可根据知识的结构层次逐步展开，有利于由浅及深的探究问题，符合知识的迁移规律；同时便于教师根据学生的掌握情况，合理管控教学节奏。
2.有利于改善课堂结构
在课堂上引入实验情境后，学生处于环环相扣的虚拟问题情境中，而课堂本身的结构也会发生明显的变化。最突出的是，老师的铺陈与讲授时间减少，代之以实验条件的介绍、学生讨论、实验结果分析、理论升华等。而节奏变化丰富、形式多样的课堂，更容易引发积极的思考，使知识迁移更加容易。表1为再生资源专业一节专业课典型的时间分配情况，从中不难看出，实验情境教学法中学生主动思考、讨论及“实验”的时间可占到课堂时间的一半左右，同时由“实验”结果总结、升华得到的理论结果，也更易理解、更为深刻。
3.有利于培养学生创造性思维
创造性思维的展开需要有良好的问题情境，同时需要有恰当的题设与启发。由于实验情境是一种情境预设，因此可方便的建立各种难度、各种视角的问题，在这样的问题情境中学生主动探究和尝试创新愿望油然而生。根据学生实际情况，通过控制实验情境的程序及进度或设计开放性问题，还可以满足不同水平学生创造性思维的要求。
4.有利于解决实验教学容量不足、难以与理论教学相协同的问题
与真实实验操作不同，模拟实验情境不需要构筑实验平台、准备实验器械，不受获得某种实验结果的限制，也不需要特别的过程管理，因此其经济成本和时间成本都很低。这样，在专业课课堂上可以为更多的重难点内容配置课堂“实验”。与真实实验课又专门实验老师组织不同，虚拟课堂实验的开设由理论课老师掌控，因此可根据课堂教学的需要灵活开展。不但可以选择合适的开展时机，而且可伴随理论教学进度逐步展开，从而实现理论教学与“实践”的无缝对接。
5.有利于学生动手能力提高
模拟实验绝不能替代真实实验与实践，但通过“详实”的实验情境体验，可使学生对真实实验的实验目的、原理、主要步骤、操作难点获得全面认识，从而为开展真实的实验实践打下良好基础。实验情境教学如果运用得当，可改善本科生在做专业课实验时，由于对实验理解不足、准备仓促，而造成实验效果不佳的情况问题。
二、构筑实验情境的基本原则
1.围绕课堂重难点问题展开，并注重知识的系统性
实验情境教学主要目的之一，是消除理论知识的抽象性，以降低其学习难度，因此，在时间容量有限的课堂上，应尽量围绕内容较抽象的重难点知识展开。而且重点的“实验过程”及讨论重点应聚焦在核心理论的探究上。
在实验情境教学过程中，为提高教学效率，同时保证知识学习的系统性和完整性，应注意把握从宏观上把握知识体系，尽量将一个完整的知识体系通过一个实验情境全部体现。例如在上述球磨破碎教学中，创设的模拟实验应能涵盖典型的球磨机分类、结构、工作机理及影响因素等，这样既可以减少实验情境的创设数量，又可保证学生探究知识的连续性。 2.控制“实验”的推进节奏
合理安排实验情境的内容和程序，有利于最大效力的发挥实验情境教学的效益。“实验”层次与节奏的设计对于引发学生的学习兴趣、获取探究线索与启发、总结和内化知识，以及培养创新性思维能力都至关重要。一个好的实验情境能使学生在津津有味的“做实验”的同时，逐步深入的思考实验方案，解决实验中的难题，从而了解实验的本质所在；通过分析实验数据，获得规律，逐步升华为普遍理论；再通过适当的概括总结，逻辑化整理分类、内化为自己的知识。
3.实验情境应与学生实际紧密联系
大学生无论从生理还是心理方面都趋于成熟，从而逐渐成为自主发展、自我建构的主体。创设贴近生产实际、与学生生活经验紧密相连的实验情境，使学生半自主的开展“实验”正是推动学生树立学习主体地位，促进其全面成长的一把利器。实验情境的创设，在考虑学科特点的基础上，应尽量的具体化，如果能辅以适当的实物教具和课堂实验效果更佳。而紧扣时代特征的实验情境更容易激发学习的主动性，有利于拓展学生视野，为其打开创造性思维的窗口。
4.注重实验情境教学与理论教学的协同
在实验情境教学中，如果做到实验情境教学应与理论教学、课堂演示实验的密切协同，则可使课堂教学事半功倍，效果提升。
实验情境的创设应把握合适的教学时机。理论教学与实验情境教学是相辅相成的，基本的理论和概念是实验情境构筑的基础，而恰当的实验情境可以更好的促进理论教学，有助于理论升华与知识迁移。二者能否紧密结合，关键一点在于实验情境创设的时机是否恰当。例如引言部分讲授完成后，可以创设整体性的实验情境，这时学生已经了解学习的主体和基本概念，容易实现对实验情境的准确理解。同时，逐步深入的“实验”推进也有利于对知识内容的系统探究和掌握；而在整体章节内容学习完成后，可以创设较复杂的或应用性的实验情境，以利于深化对知识的理解，培养创造性思维，学以致用。
实验情境用于知识复习与培养创新性思维。恰当的实验情境，不但有助于探究和内化理论知识，而且可用于知识复习与总结提高，因为实验情境可以随时再现，按需提取实验片段。而这些片段与知识体系之间已建立了紧密的联系，通过联想与回忆，很容易再现知识要点，实现知识的逻辑内化与提升。当学生掌握较多理论知识时，又为其回过头来反思实验过程提供了条件，还可为其点燃创新性思维的火花。
加强课堂演示实验。由于实验情境是虚拟情境，因此需要学生具有一定的想象力和思维逻辑学、连贯性，特别对那些远离学生生活经验的实验情境，较难引发直观认识，由此建立的实验情境不够准确。如果在实验情境创设之前或某些“实验研究”推进的关键环节，辅以实物教具和课堂演示实验，则可减少学生的想象与猜测，有利于学生在思维中建立直观的实验情境和准确的问题情境。[4]
近期，学院通过在资源循环科学与技术专业开展的教学专题实例，从实验上证明理论教学与实验情境教学之间是相辅相成的。合理组织教学过程与实施方法，使两种教法紧密协同，可以获得较理想的教学效果。不但使学生学习到系统理论知识，还可使学生的逻辑性思维能力、动手能力及创造性思维能力获得提升。
三、结语
在理工科本科教学中，实验情境教学是一种极具价值的教学方法。如果能在课堂教学中合理运用，不但可部分弥补实验教学的不足，而且有利于优化课堂结构、引发学生的探究欲望、促进知识迁移，对于提升学生的实验实践能力与创新性思维能力亦具有重要意义。
