結(jié)合專業(yè)特色的大學(xué)物理課程教學(xué)改革探索

李 宏 谷建生 莫文玲

（1河北聯(lián)合大學(xué)理學(xué)院，河北 唐山 063000；2河北聯(lián)合大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地 ，河北 唐山 063000）

物理學(xué)是一門和自然界基本規(guī)律直接相關(guān)的科學(xué)，它是研究其他自然科學(xué)的重要基礎(chǔ).物理學(xué)不僅蘊含著先進(jìn)生產(chǎn)力，同時也蘊含著先進(jìn)文化，對人類的未來將起決定性的作用.

在大學(xué)物理教學(xué)中，結(jié)合專業(yè)特色，將物理學(xué)的知識與學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的相關(guān)內(nèi)容結(jié)合起來，讓學(xué)生體會到學(xué)有所用的樂趣，對學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程和后續(xù)專業(yè)課程都會有事半功倍的效果.

1 目前大學(xué)物理課程的教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課堂隨機(jī)調(diào)查結(jié)果

筆者對大學(xué)本科生作了20節(jié)課的課堂隨機(jī)調(diào)查，結(jié)果如下：

遲到8%；早退2%；認(rèn)真聽課48%；做筆記17%.

玩手機(jī)6%；睡覺9%；心不在焉、交頭接耳2%.

吃東西2%；接電話、聽音樂等做其他事6%.

到課率：一年級94.6%，二年級83.7%.（大學(xué)物理課程一般都在大一下半年和大二上半年跨年度開設(shè)）.

學(xué)生在課堂能認(rèn)真聽課的，只近一半；學(xué)生的出勤率呈現(xiàn)高年級比低年級下降的趨勢.

1.2 教師中存在的問題和學(xué)生的意見

大部分教師的科研任務(wù)重，在教學(xué)上投入不足，青年教師在教學(xué)法上急需提升等原因，直接影響課堂教學(xué)的質(zhì)量.

對教學(xué)效果不佳的老師，學(xué)生的反映有：老師的講課不吸引人，上課單調(diào)；照本宣科，枯燥無味滿堂灌；把PPT當(dāng)講稿，面對著大屏幕，不理會學(xué)生的反應(yīng).

老師不關(guān)心學(xué)生怎樣學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效果如何；學(xué)生不知道學(xué)這門課有何用；……如此種種現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生沒有學(xué)習(xí)的興趣和動力，教師也有失講課的信心和激情.

如何提高課堂教學(xué)質(zhì)量？我們認(rèn)為：課堂教學(xué)關(guān)鍵在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，把好奇心（人的本能）向?qū)χR的探索方向引導(dǎo)（求知欲）.根據(jù)學(xué)生專業(yè)課程特點、結(jié)合學(xué)生需求精選教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生感受到學(xué)以致用.

2 大學(xué)物理課程與專業(yè)課程知識相結(jié)合的教學(xué)改革

物理學(xué)是自然科學(xué)的核心，是新技術(shù)的源泉.在大學(xué)物理課程教學(xué)過程中，不僅要注意物理學(xué)的系統(tǒng)性，同時也要注重與后續(xù)專業(yè)課程的結(jié)合.下面是筆者的一些體會。

2.1 把大學(xué)物理課程的特點與作用講到位

大學(xué)物理課程是高等院校理工科各專業(yè)學(xué)生的一門重要的基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括力學(xué)和相對論、波動學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、近代物理5部分.有幾種重要思想：一是微積分的思想.公式推導(dǎo)定量表示時廣泛運用微分、積分的知識.二是矢量的思想.大學(xué)物理課程中大量的物理量的表示都采用矢量，把物理量的矢量放到適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中分析，如直角坐標(biāo)系、平面極坐標(biāo)系、切法向坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系等.三是理想模型的思想.物理中分析問題為了簡化，常采用一些理想的模型，如力學(xué)中質(zhì)點模型和剛體模型，熱學(xué)中理想氣體和孤立系統(tǒng)模型，電磁學(xué)中點電荷、電流元、電偶極子模型等等.當(dāng)然，大學(xué)物理課程中還存在大量無法直觀反映的模型，必須通過發(fā)揮自己的想象力來構(gòu)造出來.

通過大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)，不僅對自然界各種最基本的運動形態(tài)及其所遵守的規(guī)律能獲得較全面系統(tǒng)的認(rèn)識，同時在研究方法、實驗技能、運算技巧、分析能力和獨立工作能力方面，也將獲得基本的訓(xùn)練.因此，學(xué)生學(xué)好必要的物理知識，將為更好地學(xué)習(xí)專業(yè)知識和近代科學(xué)技術(shù)打下堅實的基礎(chǔ)，同時通過該課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)科學(xué)的思維方法及分析問題和解決問題的能力.

2.2 讓學(xué)生了解大學(xué)物理課程與其他自然科學(xué)及生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)系

物理學(xué)和其他自然科學(xué)及生產(chǎn)技術(shù)是互相促進(jìn)和互相滲透的關(guān)系，是理論和實踐的關(guān)系.物理學(xué)不像有些學(xué)科能較易產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益，它屬于基礎(chǔ)學(xué)科，但它一旦出現(xiàn)突破，便引起工業(yè)革命、技術(shù)革命，因而推動社會生產(chǎn)力向前飛躍地發(fā)展.例如，18世紀(jì)的以機(jī)器代替人工繁重體力勞動的工業(yè)革命推動了熱學(xué)的發(fā)展.19世紀(jì)的電磁學(xué)把人類社會帶進(jìn)了電氣化時代.20世紀(jì)核物理的成果迎來了原子能時代；激光這種新型光源的出現(xiàn)并很快在生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，對人類社會文明產(chǎn)生了劃時代的影響；以半導(dǎo)體物理為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)，它所引起的技術(shù)革命比歷史上任何一次對社會帶來的沖擊都更為巨大，等等.

基于物理學(xué)對各種科技領(lǐng)域發(fā)展的巨大推動作用，大學(xué)物理課程教學(xué)中應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理科學(xué)的前沿領(lǐng)域，以及物理學(xué)與其他學(xué)科的交叉和向其他學(xué)科的滲透.

2.3 及早提出一些相關(guān)專業(yè)問題，讓學(xué)生用大學(xué)物理課所學(xué)到的知識進(jìn)行合理解釋

2009年，筆者給“光源與照明”專業(yè)講授大學(xué)物理課程，在教學(xué)中筆者讓學(xué)生用物理知識合理解釋如下的問題：你關(guān)注了人們?nèi)粘Ｉ畈荒苋鄙俚恼彰饔脽魡?？說說白熾燈和熒光燈的發(fā)光機(jī)理有什么區(qū)別？為什么國家推廣使用節(jié)能燈？你了解當(dāng)前異軍突起的照明新光源LED嗎？學(xué)生需要查閱熱輻射的原理、原子的發(fā)光原理，才能了解白熾燈和熒光燈發(fā)光機(jī)理的區(qū)別；需要查閱節(jié)能燈的相關(guān)知識，了解節(jié)能燈的優(yōu)勢；需要查閱LED的熱點問題，了解LED的發(fā)展趨勢等.合理地結(jié)合生活實例，巧妙引入專業(yè)知識進(jìn)行提問，將有利于物理教學(xué)的深入淺出和因材施教.

類比諸如應(yīng)用干涉現(xiàn)象測量微小的尺寸，靜電屏蔽現(xiàn)象對精密儀器的防護(hù)作用等工程應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生找出自己專業(yè)領(lǐng)域能夠正確使用物理學(xué)理論合理解釋的相關(guān)難題.例如對“光源與照明”專業(yè)的學(xué)生，筆者提出如下工程問題：機(jī)器上的主軸斷了，應(yīng)從力學(xué)的哪個角度分析？發(fā)光二極管的理論依據(jù)是什么？激光刻錄和激光點焊的原理是什么？引導(dǎo)學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，反過來更能提高他們學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性.

2.4 注重結(jié)合專業(yè)問題的講解，讓學(xué)生體會到專業(yè)課程對大學(xué)物理課程的相依性

給“光源與照明”專業(yè)講授大學(xué)物理課程，筆者注意到光學(xué)理論是進(jìn)行燈具設(shè)計的重要理論依據(jù).一方面照明主要是為人的視覺服務(wù)，為此需要了解人眼的視覺功效，對于視覺敏銳度（即視力）可從波動光學(xué)的角度進(jìn)行更精確的分析.由于幾何光學(xué)的成像是一個物點對應(yīng)一個像點，而波動光學(xué)是一個物點對應(yīng)一個艾里斑，筆者在講到圓孔衍射時，結(jié)合人眼視力的評定標(biāo)準(zhǔn)使學(xué)生容易理解瑞利判據(jù)，也對人眼視力的概念有了更深刻的認(rèn)識.另一方面因為偏振光是產(chǎn)生眩光的重要因素，為減少眩光的作用，在燈具中須采用特殊設(shè)計的反射罩，使其射出的光線成為豎直方向振動的偏振光，這種光在工作面上反射時，沒有水平方向的偏振光，因而就沒有眩光.在講到偏振時重點介紹自然光和偏振光的區(qū)別，以及如何獲得偏振光，幫助學(xué)生理解特殊反射罩的設(shè)計.

2.5 突出強(qiáng)調(diào)物理學(xué)的研究方法是突破新學(xué)科理論研究瓶頸的切入點

物理學(xué)中建立理想模型的思想和方法，在學(xué)科的理論研究中起到了重要作用.突出主要因素，忽略次要因素，才能總結(jié)出符合實際的規(guī)律和理論，使規(guī)律和理論更具普遍性.例如“光源與照明”專業(yè)的“陰極電子學(xué)”課程中在講解純金屬熱電子發(fā)射模型的建立時，總結(jié)出用鎢做純金屬陰極的熱電子發(fā)射規(guī)律，就是一個成功建立理想模型的應(yīng)用實例.

在物理學(xué)研究中形成和發(fā)展了多種形式的科學(xué)方法，比如類比的方法，德布羅意運用類比的方法把實物粒子與光進(jìn)行類比，由光的波粒二象性預(yù)言實物粒子的波粒二象性，最后導(dǎo)致波動力學(xué)的建立，這是物理學(xué)運用類比方法的光輝典范.再比如假說的方法，假說是物理學(xué)創(chuàng)造力的表現(xiàn)，1861年麥克斯韋對變化電場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象作了深入研究，大膽地提出了“位移電流”假說，位移電流的引入是建立電磁場和電磁波理論的關(guān)鍵一步.

對于復(fù)雜的物理問題，常常需要建立積分方程來解決.解決問題的關(guān)鍵是找“微元”，質(zhì)點、分子、電子等可稱作“微元”，元位移、元功、元電荷產(chǎn)生的元電場、元電荷產(chǎn)生的元電勢、元電通量、元電流產(chǎn)生的元磁場、元磁通量等等也是“微元”.“微元”的重要性在于：一旦找到了“微元”，問題無論多么復(fù)雜都可以解決，后面的工作就是如何運用數(shù)學(xué)工具，乃至利用電腦編程去解決問題獲得結(jié)果了.同樣，復(fù)雜的工程問題在找到“微元”之后，就找到了解決辦法.例如在“光源與照明”專業(yè)的“照明技術(shù)”課程中“電光源照度的復(fù)雜計算”一節(jié)，其中的點光源就是“微元”.

在科學(xué)研究中恰當(dāng)運用相應(yīng)的科學(xué)方法，能夠在新領(lǐng)域不斷產(chǎn)生新的科技成果.例如光源與照明領(lǐng)域利用原子的激發(fā)輻射發(fā)光，科學(xué)家研制出多種氣體放電光源，類比帶電粒子復(fù)合發(fā)光，成功研制出半導(dǎo)體場致發(fā)光二極管LED，LED作為備受推崇的綠色照明光源，正在開啟人類照明的嶄新時代.

2.6 引導(dǎo)學(xué)生重視物理學(xué)提供的科學(xué)研究的基本訓(xùn)練

物理實驗的獨到設(shè)計，反映出科學(xué)大師嚴(yán)密的邏輯推理和超乎尋常的創(chuàng)造性思維.比如歷史上著名的夫蘭克－赫茲實驗，它是玻爾量子化能級假設(shè)的一個決定性證據(jù)，也是原子能量的發(fā)射和吸收具有量子化特征的一個重要證明.實驗證實，當(dāng)外界提供的能量正好等于原子內(nèi)兩能量狀態(tài)的能量之差時，才被原子吸收.遵循物理實驗的設(shè)計思路，在科學(xué)研究過程中合理設(shè)計實驗，對科研開發(fā)的成功具有重要意義.

3 結(jié)語

我們來描繪這樣一棵知識大樹：基礎(chǔ)科學(xué)是樹根，應(yīng)用科學(xué)是樹干，有效益的科技成果是果實.物理學(xué)這門理論和實驗高度結(jié)合的精密基礎(chǔ)學(xué)科正在用它巨大的根基為知識大樹輸送著豐富的營養(yǎng)，結(jié)出累累碩果，使得科技成果頻出.正因如此，大學(xué)物理課程教學(xué)與專業(yè)課程的合理結(jié)合，不失為給學(xué)生描繪知識大樹的有效模式.

當(dāng)然這樣的教學(xué)改革對教師也是一個很大的挑戰(zhàn)，教師要了解所授課學(xué)生的專業(yè)課程內(nèi)容，進(jìn)行精心的教學(xué)設(shè)計，巧妙銜接物理學(xué)理論和專業(yè)課程知識.通過在不同專業(yè)學(xué)生中實施這種教學(xué)改革，取得了很好的效果.學(xué)生的出勤率有所提高，認(rèn)真聽課的學(xué)生人數(shù)明顯增多.學(xué)生知道了為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理，不僅能夠積極主動地思考問題了，而且能想方設(shè)法去尋找解決問題的辦法.

［1］ 趙凱華.20世紀(jì)物理學(xué)對科學(xué)、技術(shù)的影響，物理學(xué)照亮世界［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005：1－28.

［2］ 韓仙華，等.人才培養(yǎng)的復(fù)雜性和物理教學(xué)，大學(xué)物理課程報告論壇文集［M］.北京：高等教育出版社，2005：325－328.

［3］ 劉敏薔.物理教學(xué)中運用“微元法”培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，大學(xué)物理課程報告論壇文集［M］.北京：高等教育出版社，2005：98－100.

［4］ 張春華，范仰才，譚誠臣.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的工科大學(xué)物理教學(xué)改革探索［J］.物理與工程，2012，22（4）：50－52.

［5］ 羅文華.大學(xué)物理教學(xué)改革的對策［J］.物理與工程，2013，23（4）：34－36.