声学基础教学中增强互动性和实践性的探索

声学是一门实践性和外延性较强的学科。声学基础课程是一门为学员们从事声学应用和研究工作提供必备知识和能力的专业基础课。我们在教学过程中，依据突出教学互动和理论联系实践的原则，从基础理论、专业技术基础和工程实践三方面完善和优化了教学内容，从扩大课堂交流、增加案例教学、演示实验、综合实验设计、鼓励学员自主学习等方面探索了教学方法的改良，营造了知识内涵丰富、思维活跃的课堂氛围。学员提高了对声学领域的兴趣，对基础知识的理解更加深刻，专业知识结构和技能得到了发展，发现和分析问题的意识与能力得到了较好的锻炼。 一、明确声学基础教学工作的改进方向 本文关注互动性和实践性，这主要来自于对学员通过基础理论考核、进入后续学习阶段的调查和反思。在毕业设计和课题研究中，部分学员存在不善于提出和发现问题、不能很好地独立开展研究工作以及不善于同周边教师和同学交流协作等情况。对此，专业基础课应该承担起针对性训练的责任。 构建主义学习理论认为“课本知识只是关于各种现象的较为可靠的假设和解释，不是问题的最终答案，不是对现实的准确表征。只有在运用书本知识的过程中去把握真理，才能实现课本知识的真正价值”。因此，个体主动建构意义对于知识的学习和价值的体现具有重要意义。从构建主义的主要观点中，不难发现这样一个事实：没有知识的实践应用和教学中的有效交流互动，就不会有真正高效和高质量的课堂。 二、改革教学内容与方法 （一）正确的学习动机 与传统教学强调知识的掌握相比，学员构建知识意义和对所学理论的运用对学员主观能动性的发挥有更高的要求。在传统应试教育的影响下，不少学员对课程学习的关注仍然集中于考试大纲限定的内容，优先目标仍然是在考试中拿高分。如果不纠正这种主观意识，学员很难全身心投入到围绕交流互动和实践应用所设置的教学环节中，教师围绕课程建设所做改进的成效也会大打折扣。因此，改变学习动机的重要性甚至优于对教学内容与途径的改进。 首先，对学员开展学习理念和动机教育。通过对本课程在整个专业课程体系中地位和作用的阐述使学员明确学习的真正目的和意义。通过对先进教学理念和成功实践案例的讨论，提高学员对发展实践、思维、交流等方面能力的重视程度，同时鼓励积极主动的学习和以个性和兴趣为导向的学习方式。 其次，为学员自主性、创造性发展营造较为宽松的外部条件。鼓励和支持学员发表不同的意见。降低学员的传统课业负担，给学员的学习留有余地。适当改进课程评价方式，扩大课堂表现在整个成绩中的比重，将学员关注的重点从期末考试打高分上转移，使学员有意愿、有时间、有机会自主安排学习进程。 （二）教学内容的完善 教学内容是教学理念的重要载体。考虑到声学广泛的外延性，为了结合学科分支特色、开展实践教学和服务学员的后续学习，课程理论部分除一般的共用基础以外，还增加了专业技术基础方面的内容。 声学领域的实践和应用无法以理论的形式单独存在。尽管实验方法和技术的掌握不是理论课程的教学目标，但在课堂教学中增加若干与理论内容密切相关的演示实验（或虚拟实验和数值实验）仍然是必要的。例如麻省理工学院振动与波课程在理论讲授中间插穿了大量的实验演示，将理论和技术的教学与演示实验结合起来。这样可增加学员的感性认识和学习兴趣，通过理论与实验结果的相互对比和验证加深学员的认识和理解，并引发学员关于各部分理论内容之间的联系和整体性思考。一个经典的实验项目通常包含多方面的物理现象。例如驻波管测量材料吸声和隔声系数的实验，与振动理论、平面波的反射和透射、波导中的声传播、吸声和隔声等多个教学单元有关，包含驻波、声阻抗、简正波等多个重要的声学概念，比较适合在理论课中间引用和展示。 （三）课堂专题研讨与评价方式的改进 我们对经典教材和传统教学大纲的内容进行了优化，尽量缩减核心知识和方法以外的理论内容。在课堂教学主体以理论讲授为主的同时，加强了课堂专题研讨环节。在本环节中讨论与授课内容关系密切、具有实际应用背景的专题问题或案例。部分研讨主题与理论内容的对应关系如表1所示。 表1　声学基础课程实践性专题讨论内容的设计号筒的设计教学内容　专题讨论的主题质点振动学　电动扬声器声波的基本性质　非线性声波方程与应用管道声学　隔声舱的设计电力声类比　次声舱的设计弹性体振动学　乐器的发声原理 为了在专题研讨中增强理论与实践的联系，便于学员思考、交流和质疑，专题的设计考虑了多个方面。第一，贴近生活、科研和工程实际。从学员身边的声学现象和问题中取材，便于引起学员自主学习和实践的兴趣。第二，专题讨论的内容从简单到复杂逐步展开，覆盖原理、特性、基本理论、理论局限、设计理论和实践应用等方面。例如为了形象的解释质点振动学的理论和结果，对常见的电动扬声器进行发散讨论。首先讨论典型电动扬声器的基本工作原理。其次，由所学的集中参数系统理论预测电动扬声器的特性。再次，引导学员围绕理论的局限性进行质疑：哪些实际中的因素没有考虑，理论的局限如何影响设计和应用，如何改进理论和修正这些问题等。然后，演示工程中通过数值仿真建立扬声器模型的过程和结果，引导学员对比两种研究方法。最后，从实践的角度引导学员以设计者的身份针对具体的应用需求分析扬声器设计的思路、流程和关键问题。 通过对常见声学元件全方位的讨论，学员加深了对集中参数系统振动理论的记忆和运用，提高了学习兴趣。在明确理论重要性和有效性的同时，学员发现，理论也不是问题的全部答案。通过教师的引导，学员提出了很多理论以外的问题，架起了理论与实践的桥梁。此外，通过专题研讨，学员们的交流表达能力得到了锻炼。为发挥感性因素在学习中的积极作用，研讨中除原理性错误外，教师一般会给予学员正面评价为主，帮助其树立自信心。在学员适应课堂环境后，鼓励他们围绕特定专题阅读课外文献、自主准备研讨问题和发言内容。 为了纠正单纯以考试成绩为学习动机的风气，引导学员多思考、多质疑、多交流和多实践，必须改进课程的评价方式。修订以后的评价体系加强了学习过程考核，包括课堂表现、课后作业、附加积分、所占比例不超过50%的考试成绩等。其中课堂表现不仅由教师评价，还包括学员互评。评价内容包括回答问题、专题准备、发言次数和质量等。通过附加积分的措施引导学员以自己感兴趣的方式为增强教学过程中的交流互动和实践应用做贡献。 （四）设置开放性任务 声学基础理论可以看作是一个完整的声学系统的理论。从工程实践的角度看，一个典型声学系统的研制离不开对声波产生、传播和接收等方面知识的运用，离不开对各类典型声学功能器件的利用和设计。研究型和开放性任务通过声学系统的设计解决学员熟悉或感兴趣的问题，以小组协作的形式综合运用和检验学员所掌握的声学基础知识和技能，鼓励学员学以致用，启发学员独立思考、解决问题和创新思维。结合课堂教学的进度，在课外开展适度的研究型教学工作，可作为本科生进入毕业设计和研究生进入课题研究环节前的训练和预演。该项工作也可以结合国家或高校的大学生创新训练项目和研究生创新课题进行。 三、开放性研究课题的组织实施 下面以声凝聚空气污染治理任务为例说明开放性课题研究的实施过程。 众所周知，以PM2.5为主的空气污染治理是当前大众普遍关注的热门话题。已有研究表明，声凝聚过程可以高效聚集微小颗粒、较为显著地增强传统除尘设备在控制PM2.5排放方面的效果。声凝聚系统是一个完整的声学系统，系统的设计主要包括理论和实验两方面的内容。理论部分涉及整体的声学方案设计、管道结构设计、声场与微小颗粒相互作用。实验部分包括声场特性的测试和凝聚效果与规律的测试。 我们在学员自愿的基础上成立了减排课题课外小组。小组的目标是以目前城市机动车PM2.5减排的迫切需求，基于声凝聚的基本原理提出并完成具体的技术方案。首先，在教师的指导下，小组通过集体研讨确定了任务内容和工作计划表。第二阶段完成系统设计的准备。由于采用了小组协作的形式，工作根据各位学员的特长进行了分解。小组不定期进行讨论分享进展，协调进程。本阶段后期我们召开了方案评审会，由学员主讲自己的方案，邀请其他教师和高年级研究生参与评分。最终胜出的方案进入到实现阶段。在第四阶段，对胜出方案的技术细节采取进一步研究和明确。小组进行课题研究最终的成果以研制报告、公开的学术论文和专利的形式体现，所有学员共享研究成果。为了体现公平公正的原则，在各工作阶段整理了完成清单，对各位学员在研究期间的主要贡献进行了记录和评价。 开放性课题的实施创设了一种有利于学员学习潜能发挥的情境和条件，使学员的自主性和创造性能得以充分发挥。学员有充分的自由度选择工作内容和学习资源、应用理论学习成果、管理工作进度以及评价学习效果。在任务分配环节，学员的兴趣和个性得到了充分尊重，这令他们体验了在团队中分工协作的乐趣和价值。整个开放性任务的实施能够较好地帮助学员确立创造的信念和提高自信心。 四、总结与问题讨论 基于教学实践中的调查和构建主义学习理论，本文认为，对教学互动和理论联系实践的重视是提高专业基础课程质量和效率的关键。声学基础课程根据这一原则改进了教学内容和方法。为了增加教学互动，在主要的教学单元引入了与讲授理论关系密切的课程专题研讨。在课堂教学中通过经典演示实验加深对基本理论的理解和思考。借助声学外延性较强的特点，在学员自愿的基础上，围绕以学员熟悉或感兴趣的问题，设计和实施了能够综合运用和检验所掌握的声学基础知识和技能的开放性课题研究活动。同时，实施了学习动机教育和课程评价修订的配套措施，调动了学员积极参与教学改革的积极性。上述工作贯彻了高等教育的培养理念。从课程教学的效果看，基本满足了学员日后从事声学相关工作和研究对专业思维、知识和能力的需求。 相对于传统以讲授为主的理论课教学，互动性和实践性活动的开展对参与教学活动的教师和学员提出了更高的要求。首先，它要求教师具备更加全面的知识技能储备和更高的教学水平。其次，它增加了教师课程设计、建设和学员课前课后准备的工作量。再次，由于对个性化差异的重视，教学活动的不确定性在增加，对教学进程的控制和对教学质量稳定的要求面临挑战；评价体系修订后的长期效果需要进一步观察。最后，对教学资源的需求进一步多样化，需要整个教学环境的配合和教学管理部门的支持。

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