新升格應(yīng)用型本科院校的大學(xué)物理課程教學(xué)改革

陳超

【摘 要】闡述了在新升格應(yīng)用型本科院校中大學(xué)物理課程教學(xué)改革的必要性，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩方面展開課程的教學(xué)改革探究，討論大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容如何取舍、優(yōu)化的問題，提出實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合以及數(shù)值計(jì)算與合作課堂相結(jié)合的多種教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理 教學(xué)模式 可視化

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）09C-0150-02

大學(xué)物理課程是一門面向理工科各專業(yè)學(xué)生的重要的必修基礎(chǔ)課。該課程既可以為學(xué)生進(jìn)行專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)打好必要的物理基礎(chǔ)，又可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，樹立科學(xué)的世界觀。高質(zhì)量的課程教學(xué)對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)人才是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

一、大學(xué)物理課程教學(xué)改革的必要性

目前，在新升格的應(yīng)用型本科院校中，大學(xué)物理課程教學(xué)仍然普遍著重理論講授、演算推理，實(shí)物、動(dòng)畫和圖片演示少，忽視理論在具體工程中的應(yīng)用介紹，許多物理現(xiàn)象和物理過程都無法得到很好的呈現(xiàn)，無法引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。演算推理對(duì)數(shù)學(xué)技能要求較高，且最終的理論結(jié)果抽象，難于在實(shí)際應(yīng)用中獲得實(shí)體感受。另外繁雜的數(shù)學(xué)過程也增加了學(xué)習(xí)難度，多數(shù)學(xué)生的求知欲望受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下甚至完全放棄。

新升本科的應(yīng)用型高校與研究型高校不同，對(duì)物理課程的需求注重于物理概念理解和規(guī)律應(yīng)用，對(duì)定律建立的繁雜計(jì)算過程要求不高。在這類高校中，如何重新組合和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，采用先進(jìn)有效的教學(xué)方式，改變學(xué)生難學(xué)、厭學(xué)的現(xiàn)狀，提高教學(xué)效果，使課程高質(zhì)量地服務(wù)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，是目前亟待解決的重要問題。

二、大學(xué)物理課程的教學(xué)和改革現(xiàn)狀

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，它既是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是科學(xué)技術(shù)，尤其是高新技術(shù)的理論重要基礎(chǔ)。物理學(xué)的知識(shí)體系建立已經(jīng)歷了幾百年的時(shí)間，大學(xué)物理課程開設(shè)也有一百多年的時(shí)間，已經(jīng)形成了成熟的整套體系。

隨著大學(xué)教育逐步轉(zhuǎn)入大眾化教育，高校各個(gè)專業(yè)對(duì)物理知識(shí)的需求和側(cè)重愈發(fā)細(xì)化，大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容和方式與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不相適應(yīng)。在此背景下，美國(guó)高校從20世紀(jì)60年代開始掀起了大學(xué)物理課程教學(xué)改革的浪潮，改革的思路是普通物理應(yīng)當(dāng)盡可能反映當(dāng)代物理科學(xué)的最新成果，應(yīng)當(dāng)以現(xiàn)代化的研究方法去組織和傳授普通物理的內(nèi)容，目前取得了矚目的成就。在國(guó)內(nèi)，已經(jīng)有許多高校開始了課程改革的探索，比如東南大學(xué)、北大等高校在課程內(nèi)容、教學(xué)方式等方面都做了許多工作，編寫了一系列新的教材，建設(shè)精品課程，開通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等。由于學(xué)校和學(xué)生都具有差異性，在實(shí)踐當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)這些先行高校的改革成果還是不太適應(yīng)新升格應(yīng)用型本科院校的教學(xué)需要，為此有必要結(jié)合自身實(shí)際情況，進(jìn)行課程改革。

三、大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容改革

根據(jù)教育部的部署，新升本的高等院校應(yīng)當(dāng)向應(yīng)用型學(xué)校轉(zhuǎn)型，在這指導(dǎo)方針下，各個(gè)應(yīng)用型本科院校結(jié)合自身的發(fā)展層次以及各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)大學(xué)物理課程的需求情況，對(duì)大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)?shù)厝∩嵴?，科學(xué)優(yōu)化，側(cè)重專業(yè)需求。既要貼合教學(xué)實(shí)際，滿足各專業(yè)培養(yǎng)的需要，又要反映物理科學(xué)的發(fā)展新成果，逐漸形成符合本校實(shí)際的完整課程教學(xué)內(nèi)容。

（一）課程教學(xué)內(nèi)容的重組優(yōu)化

大學(xué)物理課程的內(nèi)容十分豐富，涵蓋了力、熱、光、電和近代物理整個(gè)普物體系。以我校為例，目前我校的本科工科專業(yè)有電子、機(jī)械、能源、通信、汽車等專業(yè)，還沒有集成電路制造等與量子力學(xué)密切相關(guān)的專業(yè)，考慮到教學(xué)內(nèi)容的相對(duì)完整性，節(jié)選了力、熱、光、電這四塊內(nèi)容作為主要講授內(nèi)容，不同專業(yè)各有側(cè)重。例如，對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)麥克斯韋方程組的介紹；對(duì)車輛專業(yè)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、熱機(jī)循環(huán)的介紹，對(duì)通信專業(yè)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)電磁理論的介紹等，基本上滿足各專業(yè)的實(shí)際需求。近代物理部分內(nèi)容以專題方式融合在一起，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行擴(kuò)展介紹，并羅列參考資料，做到點(diǎn)到為止。這種專題內(nèi)容既能解決部分學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的特殊要求，又能進(jìn)一步介紹物理科學(xué)的新成就，給學(xué)生留下思考空間。

（二）高等數(shù)學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充

大學(xué)物理課程的教學(xué)進(jìn)度比高等數(shù)學(xué)的教學(xué)進(jìn)度快些，會(huì)出現(xiàn)部分基礎(chǔ)內(nèi)容的脫節(jié)現(xiàn)象，即物理中的一些概念定律，用到某些數(shù)學(xué)知識(shí)概念來表示，而學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)到這些數(shù)學(xué)知識(shí)。為此有必要通過補(bǔ)充少量的數(shù)學(xué)內(nèi)容，這些補(bǔ)充內(nèi)容不求深入、全面，能達(dá)到理解物理概念即可，目的在于克服學(xué)生面對(duì)新概念和新方法時(shí)的恐懼心理，解決進(jìn)度不一帶來的問題。國(guó)內(nèi)一些教材提供了很好的示范。此外，數(shù)學(xué)和物理教師之間可以打破壁壘，加強(qiáng)溝通與合作，比如數(shù)學(xué)教師在講解定積分時(shí)，能盡量結(jié)合物理問題講解。

（三）精選例題和練習(xí)題

例題是學(xué)生模仿的范本，練習(xí)是加深理解物理概念規(guī)律的手段。教師通過講解精選的典型例子，能夠舉一反三解決類似的問題。對(duì)于非物理專業(yè)的學(xué)生，設(shè)置難度中等偏易、覆蓋面較寬的練習(xí)題，就能滿足實(shí)際的教學(xué)需要。從心理學(xué)的角度看，當(dāng)學(xué)生能夠獨(dú)立完成一道習(xí)題時(shí)，獲得的成就感也會(huì)成為其進(jìn)一步努力學(xué)習(xí)課程的動(dòng)力。

（四）大學(xué)物理與中學(xué)物理的銜接

物理現(xiàn)象觀察和分析以及物理演算是物理學(xué)的兩大重要部分，中學(xué)時(shí)期的物理教育著重于演算。大學(xué)階段的大學(xué)物理應(yīng)該強(qiáng)調(diào)物理思想、物理方法和啟發(fā)的講授和引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。中學(xué)物理一般講授的都是簡(jiǎn)單的物理問題，大學(xué)物理關(guān)注的是一般規(guī)律。教學(xué)內(nèi)容上要注意中學(xué)和大學(xué)兩個(gè)階段的銜接。講授的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)以中學(xué)的簡(jiǎn)單問題出發(fā)，經(jīng)過逐步延伸從而得出一般規(guī)律，不能完全丟棄中學(xué)階段打下的物理基礎(chǔ)。

四、大學(xué)物理課程教學(xué)方式探究

新升格的應(yīng)用型本科院校中，大學(xué)物理課程的課時(shí)安排一般是64～80個(gè)課時(shí)，總體上較少。在這樣的情況下，可以從教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變方面著手，通過形式多樣的教學(xué)方式刺激學(xué)生的求知欲望，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率，提升教學(xué)效果。

（一）聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

圍繞課堂講授內(nèi)容，借助多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富課堂的教學(xué)內(nèi)容。例如在講授質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)中運(yùn)動(dòng)方程的內(nèi)容時(shí)，通過介紹當(dāng)前廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星定位技術(shù)，向?qū)W生提出如何對(duì)質(zhì)點(diǎn)精確定位的問題，啟發(fā)學(xué)生思考，把學(xué)生的注意力集中在課堂中，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。然后引出了空間位置的定量化，即建立坐標(biāo)，進(jìn)而建立描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程。利用多媒體技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星在低軌道上的空中分布，展示地球上任意位置都能接收到最少四顆衛(wèi)星信號(hào)的情形，在此基礎(chǔ)之上，利用不同衛(wèi)星的信號(hào)建立四個(gè)運(yùn)動(dòng)方程，求解質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的空間位置。通過這樣的教學(xué)，學(xué)生不僅僅學(xué)習(xí)到了基本的物理知識(shí)，還體會(huì)到了物理在高科技衛(wèi)星定位技術(shù)中的重要應(yīng)用。又比如在講解位移電流時(shí)，先用Electronics workbench仿真軟件建立一階RC電路，觀察電容的“隔直流，通交流”特性，呈現(xiàn)電容器的充放電過程，既直觀演示了在穩(wěn)恒電流和非穩(wěn)恒電流兩者中磁場(chǎng)的安培環(huán)路定律的矛盾，又為引出位移電流假設(shè)做好準(zhǔn)備，這樣學(xué)生就能更直觀、更深刻了解麥克斯韋的電磁理論。深入挖掘物理知識(shí)在生活中或科學(xué)前沿中的應(yīng)用，以及多媒體和仿真技術(shù)的合理應(yīng)用，將會(huì)在教學(xué)中起到事半功倍的作用。

（二）實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)物理也是物理學(xué)中極為重要的部分。把物理實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)室搬入課堂，或者利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，把物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在課堂上重現(xiàn)。例如在講授系統(tǒng)動(dòng)量守恒的內(nèi)容時(shí)，演示反沖運(yùn)動(dòng)，讓一名學(xué)生坐在光滑地面的滑板車上，手里抱著滅火器，當(dāng)向后噴出泡沫時(shí)，學(xué)生和滑板車向前運(yùn)動(dòng)。以此為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生分析系統(tǒng)受力和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，總結(jié)出動(dòng)量守恒的條件和守恒定律，進(jìn)而延伸到反沖運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用——火箭的發(fā)射。從現(xiàn)象到規(guī)律，符合物理的認(rèn)知過程，在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生就比較容易掌握。

（三）開展合作課堂

通過開展合作課堂，改變知識(shí)從教師到學(xué)生，知識(shí)單方向流動(dòng)，學(xué)生參與度較低的局面。教師把知識(shí)內(nèi)容合理拆分成不同的問題，然后按照某種方式將學(xué)生分組，提前給不同組別的同學(xué)布置不同的問題，要求他們使用Matlab、Mathematica、Origin等工具將物理規(guī)律可視化，并在課堂中講解。例如在機(jī)械波的內(nèi)容中，將波的疊加和干涉兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)分成兩組，A組別的學(xué)生使用Matlab重現(xiàn)疊加現(xiàn)象，B組別的學(xué)生使用Matlab重現(xiàn)干涉現(xiàn)象，并且在課堂中各自介紹疊加和干涉的規(guī)律。這種教學(xué)方式，不僅讓學(xué)生發(fā)揮出學(xué)習(xí)的自主性和主動(dòng)性，也讓學(xué)生學(xué)會(huì)了科研工具的初步使用，了解科學(xué)研究的過程，而且課堂中學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間互相學(xué)習(xí)討論，學(xué)生和老師互相之間有了更多的互動(dòng)和思想的碰撞，知識(shí)的流動(dòng)變成了雙向或者多向流動(dòng)。在開展合作課堂時(shí)，要注意兩個(gè)問題，一是目標(biāo)主線要明確，二是設(shè)置的問題要考慮學(xué)生層次，不能夠太難。

當(dāng)前，物理學(xué)在不斷地發(fā)展，前沿領(lǐng)域也不斷取得新成果，在大學(xué)物理課程的教學(xué)中也會(huì)不斷涌現(xiàn)新的問題，這就要求我們及時(shí)跟蹤分析新問題，及時(shí)調(diào)整改變教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)思維，更好地傳授物理學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的知識(shí)應(yīng)用能力和科學(xué)求真精神，又不斷地向?qū)W生介紹物理學(xué)的新成果和新應(yīng)用。

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[1] 李元杰，孫威娜.大學(xué)物理教學(xué)改革應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)重要問題[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2009（2）

[2] 趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程學(xué)[M].北京： 高等教育出版社，1995

【作者簡(jiǎn)介】陳 超（1978- ），男，廣西玉林人，桂林航天工業(yè)學(xué)院講師，碩士，研究方向：計(jì)算物理。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）