大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的模塊化處理及教學(xué)設(shè)計(jì) *

大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的模塊化處理及教學(xué)設(shè)計(jì)*

*黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題，課題編號(hào)：GJG1214007,JJB1212030；黑龍江省高等學(xué)校改革工程項(xiàng)目，課題編號(hào)：JG2014011178

孟慶鑫張伶莉霍 雷張 宇王曉鷗趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系黑龍江 哈爾濱150001)

摘 要：在理工科高等學(xué)校中，大學(xué)物理課程是各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)通識(shí)性必修基礎(chǔ)課程，在大學(xué)基礎(chǔ)課程中占有重要地位.該課程在承擔(dān)知識(shí)傳授任務(wù)的同時(shí)，還應(yīng)該擔(dān)負(fù)培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力及探索、創(chuàng)新意識(shí)等方面的功能.為了更好地實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，我們將大學(xué)物理核心內(nèi)容劃分為4個(gè)模塊，并對(duì)每一模塊提出了具體的教學(xué)方案.

關(guān)鍵詞：新課標(biāo)基本要求知識(shí)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

收稿日期：(2015-09-08)

作者簡(jiǎn)介：孟慶鑫(1972-)，女，博士，副教授，主要從事基礎(chǔ)物理教學(xué)、教學(xué)研究及新型光電功能材料方面工作.

Abstract:In science and engineering colleges, the college physics course is a basic course for the students in general knowledge, which plays an important role in tthe University. In the course of imparting knowledge, it should also take on the function of cultivating students′ ability for analyzing and solving problems, arousing the innovation consciousness, and so on. In order to achieve this goal, we divide the core content of the college physics into four modules, and put forward the instructional design for each module.

1引言

2010年出版的《理工科類(lèi)大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》[1](簡(jiǎn)稱(chēng)《基本要求》)將大學(xué)物理定位為“高等學(xué)校理工科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的通識(shí)性必修基礎(chǔ)課”.該課程的教學(xué)目標(biāo)被概括為“通過(guò)課程學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展”. 在教學(xué)內(nèi)容方面，《基本要求》提出“保證物理基本知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性、完整性”的要求，并在此基礎(chǔ)上將大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容分為核心內(nèi)容(A類(lèi)內(nèi)容)、擴(kuò)展內(nèi)容(B類(lèi)內(nèi)容)以及“新知識(shí)窗口”三大部分，其中核心內(nèi)容包含了力學(xué)、振動(dòng)和波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、狹義相對(duì)論和量子物理基礎(chǔ)在內(nèi)的6部分內(nèi)容，共計(jì)74個(gè)知識(shí)點(diǎn).如果將《基本要求》的核心內(nèi)容和《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[2](簡(jiǎn)稱(chēng)《新課標(biāo)》)中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容做比較，可以發(fā)現(xiàn)：除了少數(shù)概念在中學(xué)階段未提及，大學(xué)物理核心內(nèi)容中大部分內(nèi)容均在高中物理要求范圍內(nèi)，但在認(rèn)知程度和應(yīng)用程度上有所區(qū)別.這就導(dǎo)致很多學(xué)生甚至某些教師都把大學(xué)物理定位在“利用微積分等數(shù)學(xué)工具加上高中物理內(nèi)容去求解難度更大的習(xí)題”.這一定位，將大學(xué)物理課程淪為高等數(shù)學(xué)的實(shí)踐課程，明顯偏離了大學(xué)物理課程的教學(xué)目標(biāo)，不利于大學(xué)物理課程發(fā)揮其能力培養(yǎng)和素質(zhì)培養(yǎng)的功能.

另外，由于《新課標(biāo)》的教學(xué)內(nèi)容分為必修模塊和選修模塊，充分體現(xiàn)了“在課程結(jié)構(gòu)上重視基礎(chǔ)，體現(xiàn)課程的選擇性”的原則.按照《新課標(biāo)》的要求，學(xué)生著重掌握必修模塊的知識(shí)，了解所有選修模塊的知識(shí)，高考的考試范圍應(yīng)包括兩個(gè)必修模塊、選修模塊3-1和3-2，其余選修模塊選擇2個(gè)模塊.但是在應(yīng)試教育下，很多地區(qū)高中階段物理課程的廣度并沒(méi)有達(dá)到《新課標(biāo)》的要求.這導(dǎo)致了高等學(xué)校中學(xué)生的物理基礎(chǔ)也存在較大的差異.

為了了解不同地區(qū)學(xué)生中學(xué)階段的物理課程選修情況，我們以哈爾濱工業(yè)大學(xué)2014級(jí)本科生為調(diào)查樣本，調(diào)查了他們?cè)诟咧形锢淼倪x修情況，結(jié)果表明：在高中階段，完整深入學(xué)習(xí)了“必修模塊和全部選修模塊” 的學(xué)生僅占8.1%左右(這一比例接近參與過(guò)物理競(jìng)賽培訓(xùn)學(xué)生的比例6.5%)；完整地學(xué)習(xí)了“必修模塊和選修模塊，僅對(duì)2個(gè)選修模塊進(jìn)行了深入學(xué)習(xí)，其余模塊了解但不深入”的學(xué)生占21.2%；深入學(xué)習(xí)了“必修模塊和2～3個(gè)選修模塊”的學(xué)生比例為78.8%；僅學(xué)習(xí)了“必修模塊和2個(gè)選修模塊，其他模塊完全沒(méi)學(xué)過(guò)”的學(xué)生比例為11.9%.分析結(jié)果表明，大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中受眾群體的基礎(chǔ)差異性還是比較明顯的.在這樣的前提下，高等院校大學(xué)物理課程內(nèi)容如何與《新課標(biāo)》高中物理有機(jī)銜接，實(shí)現(xiàn)深度和廣度上的延續(xù)，同時(shí)避免不必要的重復(fù)；如何在高中基礎(chǔ)上深化大學(xué)物理課程的作用和功能，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力和探索、創(chuàng)新意識(shí)，是近幾年來(lái)大學(xué)物理教師面臨的重要挑戰(zhàn).

通過(guò)多年的教學(xué)研討和實(shí)踐，結(jié)合我校的本科生培養(yǎng)目標(biāo)，我們將大學(xué)物理教學(xué)目標(biāo)定位在,“保證物理知識(shí)體系完整性的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)大學(xué)物理課程科學(xué)思維模式培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和研究型學(xué)習(xí)，傳遞物理文化和物理思想的功能”.為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們?cè)敿?xì)地比較了《新課標(biāo)》和《基本要求》的差異，將《基本要求》中的核心內(nèi)容(A類(lèi)內(nèi)容)分解成4個(gè)基本模塊，它們分別是基礎(chǔ)知識(shí)模塊、深化知識(shí)模塊、新知識(shí)模塊和物理思維培養(yǎng)模塊，并針對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了具體化的教學(xué)設(shè)計(jì).

2模塊劃分及其教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1基礎(chǔ)知識(shí)模塊

基礎(chǔ)知識(shí)模塊主要包括《新課標(biāo)》中選修3-n模塊中與大學(xué)物理課程體系中基本要求重合部分內(nèi)容，如表1所示.受應(yīng)試教育的影響，中學(xué)階段學(xué)生選修模塊的學(xué)習(xí)程度不同，所以學(xué)生對(duì)部分知識(shí)的掌握有一定的差異，估計(jì)這種差異性在2017年高中階段物理變成高中學(xué)業(yè)水平考試科目后會(huì)更加明顯.為了實(shí)現(xiàn)《基本要求》知識(shí)完整性的原則，大學(xué)物理課程必須擔(dān)負(fù)起彌補(bǔ)不同地區(qū)高中物理教學(xué)差異的功能.從這個(gè)意義上說(shuō)，大學(xué)物理教學(xué)起點(diǎn)需要降低.這一方面會(huì)導(dǎo)致大學(xué)物理課時(shí)數(shù)的增加(這在大規(guī)模壓縮學(xué)時(shí)的趨勢(shì)下顯然是不現(xiàn)實(shí)的)，另一方面對(duì)中學(xué)階段已經(jīng)選修過(guò)該模塊的學(xué)生也不公平.如何進(jìn)行這一模塊的教學(xué)，是目前大學(xué)物理課程的難點(diǎn).

為了解決這一問(wèn)題，消除學(xué)生基礎(chǔ)差異，我們認(rèn)為，可利用網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)這一模塊的教學(xué).為了給學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供更便利的條件，我們與高等教育出版社合作出版了“紙制教材+數(shù)字課程”相結(jié)合的新形態(tài)《大學(xué)物理》教材[3]，利用高等教育出版社的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將該模塊中涉及到的一些知識(shí)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)物理過(guò)程(動(dòng)畫(huà)和視頻)、拓展閱讀、習(xí)題詳解等資源通過(guò)二維碼網(wǎng)絡(luò)鏈接方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，方便學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí).該教材作為我?！按髮W(xué)物理IV(64學(xué)時(shí))”課程的教材已經(jīng)使用1年，受到了學(xué)生的好評(píng).

同時(shí)，我們提出基于“基礎(chǔ)知識(shí)模塊”建設(shè)《基礎(chǔ)物理——大學(xué)物理預(yù)修Mooc》的計(jì)劃，希望能夠通過(guò)這方面的探索為該模塊的教學(xué)開(kāi)辟新途徑.可以要求學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理前，完成大學(xué)物理預(yù)修Mooc課程的學(xué)習(xí)，并取得相關(guān)證書(shū)或?qū)W分.這種方式不僅可以有效減小學(xué)生的基礎(chǔ)差異，也能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的目標(biāo).

2.2深化知識(shí)模塊

深化知識(shí)模塊主要指在《基本要求》A類(lèi)內(nèi)容中，與《新標(biāo)準(zhǔn)》所涉及知識(shí)點(diǎn)緊密聯(lián)系，但對(duì)深度和難度有更高要求的知識(shí)點(diǎn).比如：在力學(xué)部分，需配合矢量運(yùn)算、微積分等數(shù)學(xué)工具解決更接近實(shí)際的復(fù)雜問(wèn)題；電磁學(xué)部分，解決非均勻場(chǎng)、存在電介質(zhì)(或磁介質(zhì))時(shí)的非真空?qǐng)鰡?wèn)題；振動(dòng)和波部分，定量地描述波的能量、干涉現(xiàn)象；熱學(xué)部分，速率分布函數(shù)的數(shù)學(xué)表述及3種統(tǒng)計(jì)速率、典型熱力學(xué)過(guò)程的定量描述、宏觀量與微觀量之間的定量關(guān)系；光學(xué)部分，幾何光學(xué)、干涉、衍射及偏振的定量描述；近代物理部分，建立物理波粒二象性和量子化概念的思維過(guò)程，更深層次理解波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義并學(xué)會(huì)應(yīng)用波函數(shù).該模塊的內(nèi)容，學(xué)生在中學(xué)階段或在基礎(chǔ)知識(shí)模塊中都接觸過(guò)，但是屬于“了解”“知道”層次，而且多數(shù)概念不涉及定量描述.大學(xué)物理課程《基本要求》則要求對(duì)這部分知識(shí)“理解、掌握”并會(huì)“應(yīng)用”的程度.

表1　《新課標(biāo)》選修模塊涉及內(nèi)容及選課情況

我們認(rèn)為，針對(duì)“深化知識(shí)模塊”所涉及的內(nèi)容，需要在深度解讀概念的基礎(chǔ)上，在課堂教學(xué)中多選擇一些難度適當(dāng)?shù)睦}.例題選取應(yīng)本著“可利用微積分等數(shù)學(xué)工具來(lái)解決更接近實(shí)際的復(fù)雜問(wèn)題”的原則，培養(yǎng)學(xué)生區(qū)分主次矛盾用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.在這一模塊的課堂教學(xué)中，應(yīng)引入適當(dāng)數(shù)目的演示實(shí)驗(yàn)，在教師的指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性、啟發(fā)性和科學(xué)性的功能，達(dá)到“培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)”的作用[4].

針對(duì)這一部分內(nèi)容，我們還做了“利用圓桌教學(xué)的手段，幫助學(xué)生進(jìn)行互助性、探索性學(xué)習(xí)”的嘗試.2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)大學(xué)物理教研室從2013級(jí)抽出一個(gè)班進(jìn)行圓桌教學(xué)試點(diǎn)，將37名學(xué)生分為4個(gè)討論小組，每組9～10人，共用一個(gè)由4張課桌拼接而成的平臺(tái)，每個(gè)小組配備一套演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以自由操作并討論.同時(shí)建立了實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、師生座談等方式及時(shí)了解學(xué)生對(duì)新型教學(xué)模式的意見(jiàn)和建議,反饋結(jié)果顯示學(xué)生非常歡迎這種新型教學(xué)模式[5].

2.3新知識(shí)模塊

新知識(shí)模塊主要指《新課標(biāo)》中未提及，《基本要求》中作為A類(lèi)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn).力學(xué)部分包括非慣性和慣性力、質(zhì)心與質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定律、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、角動(dòng)量和角動(dòng)量守恒；電磁學(xué)部分包括環(huán)路定理、電流密度、感生電動(dòng)勢(shì)和渦旋電場(chǎng)、電磁場(chǎng)能量、麥克斯韋電磁方程組；振動(dòng)和波部分包括旋轉(zhuǎn)矢量法描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的合成、能流密度、相位突變；光學(xué)部分包括光源的相干性、光柵衍射；熱學(xué)部分包括卡諾循環(huán)、熵和熵增加原理、能量均分定理、平均自由程和平均碰撞頻率；近代物理部分包括狹義相對(duì)論兩個(gè)基本假設(shè)、洛倫茲坐標(biāo)變換和速度變換、黑體輻射、波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋、不確定關(guān)系、薛定諤方程及其應(yīng)用、電子自旋.

因?yàn)檫@一模塊涉及的知識(shí)點(diǎn)均為全新內(nèi)容，學(xué)生理解和接受起來(lái)存在一定的困難，我們進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，建議以教師詳細(xì)講授為主，同時(shí)為了隨時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握狀況，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和計(jì)劃,在這一模塊的教學(xué)過(guò)程中，我們?cè)黾恿恕罢n堂應(yīng)答反饋”環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行隨堂測(cè)試，同時(shí)為學(xué)生提供備選論文題目，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入探討并完成“開(kāi)放探索式作業(yè)”.將這兩部分成績(jī)并入課程總成績(jī)，進(jìn)一步探索“累加式”考試的新途徑[6].

考慮到不同學(xué)生理解能力和接受能力不同，在有限學(xué)時(shí)中教師的課堂教學(xué)基本上以照顧中等學(xué)生為原則，很難照顧全面.因此在這一模塊學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們可以建議學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)精品開(kāi)放課程、Mooc課程等進(jìn)行自主式學(xué)習(xí)，提倡“走出課堂學(xué)習(xí)”的教育思想，根據(jù)自己的需求進(jìn)行復(fù)習(xí)或是深入學(xué)習(xí).

2.4物理思維培養(yǎng)模塊

物理思維培養(yǎng)模塊主要包括：基本概念或知識(shí)的演化過(guò)程能夠反映物理學(xué)研究方法和物理思維方式的內(nèi)容.例如：模型思維培養(yǎng)模塊可包括質(zhì)點(diǎn)、剛體和理想流體、電流元、點(diǎn)電荷、理想氣體、簡(jiǎn)諧振動(dòng)等概念；對(duì)稱(chēng)性思維培養(yǎng)模塊可包括電磁場(chǎng)理論的建立、物質(zhì)波波粒二象性的提出等；定性半定量思維培養(yǎng)模塊包括電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系等；對(duì)比性思維培養(yǎng)模塊包括電流與水流對(duì)比、靜電力與萬(wàn)有引力對(duì)比、薛定諤方程的建立等；批判思維培養(yǎng)模塊包括狹義相對(duì)論時(shí)空觀的建立、電子自旋的提出等.

對(duì)該模塊的教學(xué)設(shè)計(jì)，本著3個(gè)原則進(jìn)行：第一，大學(xué)物理教學(xué)要強(qiáng)調(diào)物理思想，弱化單純的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)化物理思維；第二，教學(xué)過(guò)程要展現(xiàn)物理學(xué)的美，通過(guò)闡述物理學(xué)的理性美、簡(jiǎn)潔美、和諧統(tǒng)一之美來(lái)滲透物理思維；第三，在大學(xué)物理課程中引入物理學(xué)史、前沿科學(xué)等多方面的內(nèi)容，在拓展內(nèi)容,增加趣味性的同時(shí)，挖掘這些內(nèi)容所蘊(yùn)含的物理學(xué)思維模式以及發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的方法.

3結(jié)束語(yǔ)

將大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化處理，并為每個(gè)模塊設(shè)定教學(xué)目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的手段，既保證了大學(xué)物理知識(shí)體系的完整性，又能在有限學(xué)時(shí)內(nèi)，充分體現(xiàn)“加強(qiáng)大學(xué)物理基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)展?jié)摿Α钡慕虒W(xué)目標(biāo).在以后的工作中，我們還會(huì)對(duì)《基本要求》中擴(kuò)展內(nèi)容(B類(lèi))和自選專(zhuān)題類(lèi)內(nèi)容也進(jìn)行模塊化處理，進(jìn)一步將大學(xué)物理課程的功能具體化.我們希望通過(guò)這一工作，為2017年高考制度改革的全面推行后大學(xué)物理課程可能遭遇的困難，提供一種可行的應(yīng)對(duì)方案.

參 考 文 獻(xiàn)

1理工科類(lèi)大學(xué)物理課程基本要求.北京：高等教育出版社, 2010

2普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn).北京：人民教育出版社, 2007

3張宇，趙遠(yuǎn)，孟慶鑫,等.大學(xué)物理.北京：高等教育出版社, 2015

4王曉鷗,等. “工作室”教學(xué)，讓學(xué)生“樂(lè)”起來(lái). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社科版),2014,16(suppl.):92

5張伶莉,等.基于啟發(fā)式教學(xué)的大學(xué)物理累加式考試改革研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社科版),2014,16(suppl.):105

TheModularProcessingandInstructional

DesignofUniversityPhysics

MengQingxinZhangLingliHuoLeiZhangYuWangXiaoouZhaoYuan

(DepartmentofPhysics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin，Heilongjaing150001)

Keywords:newcoursestandardofhighschoolphysics;basicrequirementofcollegephysicsteaching;classificationofcontent;instructionaldesign