2W2H教学法在大学物理实验中的教学实践

苗永平，孙二平，李忠丽，刘维慧

(山东科技大学 电子信息工程学院，山东 青岛 266590)

大学物理实验是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。大学物理实验教学的主要目的，是通过创造一个良好的实验环境，让学生掌握物理实验的基础知识、基本方法和基本技能，培养学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题以达到独立获取知识的能力[1,2]。

目前仍有相当一部分大学物理实验教学采用传统模式，学生按照指定的教材、预先设计的实验内容和步骤做实验并撰写实验报告，老师根据实验报告评定成绩。把课程变成了具有“低阶、灌输、封闭、重学轻思”等典型特征的“水课”，大大抑制了学生的思维活动，降低了课堂质量[3,4]。

为适应现代社会发展对人才的需求，十多年来物理实验教学在教学理念、实验教学体系、教学方法等方面发生了很大的变革，并由北京师范大学的韩思思等做了详细的研究分析[5,6]。尤其值得注意的是，基于问题的学习方法在培养学生自主学习能力和创新能力方面具有传统方法无可比拟的优势。众多高教工作者做了较多研究和实践，但因各种原因未被广泛采用[7-10]。

本文深入研究了基于问题的学习方法，吸收其精髓，并结合大学物理实验课程特点，因地制宜提出基于问题的2W2H教学方法，开展了一系列教学实践活动。

1 PBL方法及应用

PBL(Problem based learning)是基于建构主义教育理念而发展起来的一种新型的教学模式。它不同于传统以知识灌输为主的教学方式，而是以真实且较为复杂的问题为核心来引导学生学习，在创造性解决问题的过程中通过互动讨论及概念辩证等方式培养学生观察研判、探究思考、解决问题、归纳整合及沟通表达等实际应用能力。

建构主义理论认为，知识不是对外部客观世界的被动反映，而是学习者通过同化和顺应进行积极建构，并在一定情境下借助其他人的帮助或利用相应的学习资料通过意义建构的方式而获得的。因为只有当学习者完全参与了学习活动，经过了问题解决的每一个步骤和知识建构的每一个过程，才能在学习新的知识时将先前获得的知识和经验很好地整合起来，从而达到对新知识的理解与掌握，并进一步完善自己的知识结构[11]。

PBL应用在实验类课程教学时，其具体实施过程一般分为四个步骤。第一步，创设问题情境，界定问题；第二步，分组讨论，制定详细的实验方案；第三步，成员根据分工和计划开展实验活动；第四步，总结所创设问题的解决过程及经验。

大量研究结果证明了PBL学习模式在激发学生学习动力、能力培养和知识巩固等方面有显著成效[12]。但因为学情复杂、教学资源有限、活动时间长等实际问题，PBL的“问题”设置难度很高，对教师的专业素养要求更高。因此，PBL更适用于小班制、综合设计等课时较多的课程[13]。

2 大学物理实验课程特点和现状

大学物理实验课程覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。课程一般由绪论及若干个实验项目构成，实验项目数量因各高校学时的不同而有差异，每个实验项目约2～3个学时。各实验项目覆盖了力学、热学、光学、电学、声学等多个知识领域，实验项目之间相对独立。

针对大学物理实验课程教学改革的研究和探索从未停止，但大多数高校教学仍普遍存在较多问题。最突出的是教学模式守旧，即和尚念经式的程序化教学。主要表现在：第一，课程研究少，实验教材中写明了实验目的，但实验内容如何支撑实验目的、支撑了多少，如何把教材变得鲜活，教师缺乏深入研究；第二，教学过程乏味，教师机械地讲，学生被动地做，被动接受多、思考少；第三，学生不清楚实验目标，不知道第一个实验和最后一个实验本质上有什么不同，不能把握每个实验的核心内涵，只关心数量上是否凑够了；第四，结果不清楚，仅通过实验报告评分，而且很容易通过，实际收获几何？教师不关心，学生不明白。在这种教学环境下，因为没有持久稳定的学习动机支撑，在课程初期学生的实验兴趣比较浓厚，上课积极主动，中期则随着兴趣逐渐消退而例行公事地上课，至后期则敷衍了事，这已是普遍现象。

3 2W2H学习法

大学物理实验在课程设置上具有应用PBL教学模式的条件，实际教学中存在的问题又以缺乏主动性为主，而PBL的特点就在于以“问题”驱动学生自主开展学习活动，将大量碎片化的知识串联成学科专业知识链，在解决问题过程中培养各种能力。因此，基于PBL核心理念提出2W2H教学方法，应用在大学物理实验教学中，其框图如图1所示。

图1 2W2H教学法框架

2W2H教学方法给出四个问题，分别是：为什么做实验？实验内容是什么？怎么做实验？做得怎么样？

第一个问题，为什么要做实验，引导学生主动思考或者主动查阅学习材料，了解每一门实验课程或者每一堂实验课的目的。在解答这一问题时，教师可以依据学习动机理论从知识价值观、学习兴趣、学习效能感、成败归因等方面合理激发学生的学习动机，促成最佳绩效。

第二个问题，实验内容是什么，则是引导学生通过查阅或者归纳学习材料聚焦课程的核心内容，明确课程主题，培养归纳概括能力。

第三个问题，怎么做实验，是驱动学生思考实验的理论依据、实验方法和实验步骤，以理论指导实验，并在实验操作中理解、反思理论，有助于培养理论联系实际、分析解决问题的能力。

第四个问题，做得怎么样，一是学生要总结实验并思考个人在实验中的收获，衡量个人成长；二是教师要评价课程目标达成情况，以便有针对性地改进，二者缺一不可。

这四个问题适用于一门实验课程，也适用于一堂实验课，甚至某一项具体的实验内容。

这四个问题需要教师和学生共同思考，教师思考如何通过课程设计改进而提升课程质量，学生则思考如何通过实验课程达成个人成长。

2W2H教学法以PBL理论精髓为核心，以四个问题引导学生主动思考学习目的，为解决实际问题调动个人主观能动性，充分利用各种学习资源，把零碎分散的知识点串联为有机整合的知识链，在学习过程中提升个人能力。最重要的是，2W2H教学法可以应用于一个实验课程，一个实验项目，甚至一个实验项目中的某一项内容；可以是一个小组，也可以是个人。因此，2W2H教学法既吸收了PBL的精髓，又具有高度的灵活性，具有普遍的实用性。

4 教学实践

为了验证2W2H教学法在大学物理实验教学中的实际作用，以数字示波器实验为案例开展了教学实践。

第一个问题，为什么要做数字示波器实验？对于电子电气类专业的学生，数字示波器是在校或者走向工作岗位时从事电类相关工作应知应会的工具，对其职业发展有直接的影响，因此从知识价值观角度帮助学生建立稳定的学习动机；而对于一般专业的学生，则从数字示波器可以实现电信号的可视化以及可量可测角度激发学生兴趣。凡此种种，需要教师依据学习动机理论，深入分析学情并以灵活恰当的方式提升其学习主动性。

第二个问题，根据数字示波器在电子线路相关职业的应用场景和技术要求，将实验内容分为两项：一是电信号的观察、测量和分析，二是未知信号的调试与显示。普通高校的数字示波器实验大多集中于第一项内容，侧重于数字示波器常规功能学习，所用信号为常规的周期性信号，来自于示波器本身的方波或者外部信号发生器提供的各种波形，只要按一下“AUTO”按键便由示波器自动运算并将信号完美地显示在屏幕上。而在真实职业场景的产品开发或者试验工作中，却要面对未知的、信息不够完整的电信号，如何灵活运用示波器的各个按钮和功能将这种波形显示在屏幕上就成了一个难题。也就是说，第一项内容是常规性的、低阶的，没有挑战性，只要知道就会操作，只能达到比较低层次的自我效能感；第二项内容则是高阶性的、有挑战度的，需要灵活运用已有知识，通过分析和判断才能达到，能够有效激发一部分同学主动研究探索的精神，产生更高层次的成就感。

第三个问题，以如何测量信号的某个参数值为问题，以工作流程为顺序，以信号参数的测量为主线，将各项知识和功能串联为有机的整体，其框图如图2所示。

图2 数字示波器实验信号测量流程图

将全部工作分为信号输入、信号显示、条件设定、信号测量和结果呈现五个活动。在信号输入节点，问题主要包括信号是什么、从哪里来、到哪里去、如何连接等，主要知识点是探头连接和电信号，包括结构认知、电气性能、连接方法和电信号的来源等。在信号显示节点，问题主要是如何显示信号；知识点包括触发功能、自动、运行/停止、挡位设定、位置调整等。在条件设定节点，问题主要是为什么要设定条件、如何设定条件、各条件对测量结果有哪些影响；知识点包括衰减系数设定、通道选择、待测参数设定、耦合方式设定和时基设定等。在测量分析环节，问题是有哪些方法、如何操作；知识点包括参数measure、cursor等功能。在结果呈现环节，问题是如何读取和记录测量结果、如何评价测量结果；知识点是参数读取和存储。

(a)脉搏信号

(b)心电信号图3 学生生理信号测试图

第四个问题，在学习完基本内容后，布置课堂作业，在规定时间内完成，以检验学习效果，评估个人收获，教师也可以此了解学生掌握情况，作为教学改进的第一手资料。

具体实验教学时尝试采用多种创新方法，择其重点概要如下。第一，提炼核心知识点作为预习作业，让学生带着问题阅读教材、查阅资料、归纳总结，提高预习质量，改变过去仅仅不加思考地抄写教材而无实效的弊端。比如，举一个生活中的例子说明触发的原理和功能？信号进入示波器后经历哪些处理才能显示在屏幕上？测量一个信号的周期/峰值的方法有哪几种？等等。这些问题在资料中没有现成答案，只有充分阅读、思考并总结后才能回答，能够有效提高学生主动思考能力。第二，在学习未知信号调试和显示时，实验中心自主研发了生理信号实验仪，让学生利用所学知识测量个人的心电信号和脉搏信号，一方面提高学生兴趣、活跃课堂气氛，这些信号还具有一定的不确定性，需要运用所学知识、观察图像、判断调整方向，还需要学生根据个人身体状况判断测量结果的准确性，具有较高的挑战度和较强的实用性，图3是学生测得的心电和脉搏波形，可从图中读出信号的频率，并与使用秒表测得的数据对比以判断测量结果的准确性。第三，设置现场考核和加分制度，以教师随机出题、学生申请演示、成功者加分的形式激励学生强化学习动机，获得更好的学习效果和更高的成绩。

图4和图5是采用2W2H教学法的班级和采用传统教学法班级的实验状况对比。从图4中可以看出，在实验预习、原始数据记录、数据处理、实验讨论以及实验报告总成绩等各方面，实验组的得分率都明显高于对照组。

图4 实验报告状况对比

图5显示，我中心自主开发的生理信号实验仪投入教学后能够有效提升学生的实验兴趣，实验组有更多比例的同学愿意参加现场检验，且成绩也优于对照组，说明了新的教学方法在提升学生主动学习动力和实验效果方面有积极的作用。

图5 主动申请现场检测情况对比

5 结 语

有相当数量的大学物理实验课程仍然采用传统的填鸭式教学模式，极大地限制了学生思维活动和创新能力培养。本文吸收了PBL学习法的精髓，结合大学物理实验课程特点创新性地提出2W2H教学法，并在数字示波器实验项目中实践运用，取得了较好的效果，证明了该方法具有较高的推广价值和实用性。