主動(dòng)學(xué)習(xí)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以物理課程穩(wěn)恒磁場單元教學(xué)為例

游雙華 曾永志

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州 350108）

一、主動(dòng)學(xué)習(xí)教學(xué)模式的改革思路

17世紀(jì)，捷克教育學(xué)家夸美鈕的里程碑著作《大教學(xué)論》開啟了現(xiàn)代學(xué)校教育的時(shí)代。從此，課堂教學(xué)的模式經(jīng)久不衰，一直延續(xù)到了今天。顯然，在以前，這樣的傳授模式肯定是具有最高的知識(shí)傳輸效率，我們大多數(shù)人都是課堂教學(xué)模式的直接受益者。

現(xiàn)在課堂教學(xué)模式依舊保持著傳統(tǒng)的教學(xué)模式。盡管有一些小的改變，比如，板書被PPT取代，小班課堂，一些教師也嘗試用討論課的方式和學(xué)生進(jìn)行交流。但是教師的中心地位這樣的傳統(tǒng)模式?jīng)]有改變，在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，教師始終處在絕對(duì)核心的地位，學(xué)生始終處在被動(dòng)接受的地位。不管什么課程，一旦教師中心地位確立，課堂教學(xué)的四個(gè)要素（教師、學(xué)生、教材、媒體）將形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[1]，信息的傳輸總是單向：從教師流向?qū)W生。教師是課堂的主宰，教師通過PPT、板書把教材中的知識(shí)灌輸給了學(xué)生，至于學(xué)生的接受情況如何、碰到的具體困難，教師了解的手段就顯得非常有限，只能通過作業(yè)和考試了解。

環(huán)顧當(dāng)今的生活，科技幾乎改變了我們所有的生活方式，比如，出行方式，馬車已經(jīng)永遠(yuǎn)被汽車、高鐵、飛機(jī)取代，寫信也成為歷史，被Email、微信完全取而代之?？墒?，當(dāng)我們回頭回顧一下教學(xué)模式，課堂教學(xué)模式依舊是現(xiàn)在的主流。今天我們獲取信息的方式已經(jīng)出現(xiàn)了巨大的變化了，我們幾乎可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)以非常低廉的價(jià)格（甚至免費(fèi)）獲取到所有的信息，課堂的作用已經(jīng)被大大的弱化了。

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式中，主要知識(shí)的傳輸是由教師將學(xué)生集中在一起，在課堂上通過教師進(jìn)行講授來完成的，而把需要討論的關(guān)鍵點(diǎn)、難點(diǎn)留在課后，由同學(xué)獨(dú)自完成?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展給我們提供了改變這種知識(shí)傳授模式的有效工具，假如我們把主要知識(shí)傳輸過程留給學(xué)生在課后獨(dú)自完成，而把知識(shí)體系中概念的關(guān)鍵點(diǎn)、難點(diǎn)留在課堂上，由一群可能有同樣迷惑的學(xué)生一起討論完成，那么本來集中在一起完成的學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)而變成了分散，而本來獨(dú)自完成的任務(wù)變成了集中。

構(gòu)建新型的教學(xué)模式的關(guān)鍵在于，是否能激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，是否能夠使得學(xué)生成為真正意義上的主體，而不僅僅是信息的接受者，而教師不再是課堂的主宰，僅僅是課堂的組織者。

二、穩(wěn)恒磁場單元教學(xué)改革的設(shè)計(jì)

我們以大學(xué)物理課程的“穩(wěn)恒磁場”這單元為例，詳細(xì)討論如何通過教學(xué)模式的改革，使得學(xué)生真正成為教學(xué)活動(dòng)中的主體，從而構(gòu)造新型的教學(xué)模式。

美國教育學(xué)家布魯姆把教育目標(biāo)分為三大領(lǐng)域：認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和動(dòng)作技能領(lǐng)域，據(jù)此，我們對(duì)“穩(wěn)恒磁場”課程進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。認(rèn)知領(lǐng)域：掌握穩(wěn)恒電流產(chǎn)生磁場的計(jì)算方法，掌握有限長載流直導(dǎo)線磁場，圓形載流線圈磁場的計(jì)算方法，理解磁場有旋無源的特點(diǎn)，掌握無限長柱面、無限長螺線管產(chǎn)生的磁場的計(jì)算方法。情感領(lǐng)域：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的方法。動(dòng)作技能領(lǐng)域：反復(fù)比較與靜電場的區(qū)別，從而掌握這兩個(gè)極端場的描述方式，能夠用這兩種不同場的描述方式解決隨空間和時(shí)間變化的物理量的問題。

1.課前準(zhǔn)備階段

首先，我們把穩(wěn)恒磁場課程內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為問題，在教學(xué)材料的準(zhǔn)備中，堅(jiān)持“以問題為導(dǎo)向，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法，把課程內(nèi)容拍攝成兩段短視頻。第一段為畢奧-薩伐定理，第二段為穩(wěn)恒磁場的基本性質(zhì)（包括穩(wěn)恒磁場的通量和環(huán)流）。在學(xué)生觀看短視頻時(shí)，必須回答1-2個(gè)嵌入的交互性問題，這樣的方式既能啟發(fā)學(xué)生思考，又能檢驗(yàn)學(xué)生自學(xué)的效果。以下是本次視頻中嵌入的問題。

題1.在沒有電流的空間區(qū)域里，如果磁感應(yīng)線是平行直線，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小平行磁感應(yīng)線和垂直它的方向上是否可能變化（）.

A.平行方向變化，垂直方向不變；B.平行方向不變，垂直方向不變；

C.平行方向變化，垂直方向變化；D.平行方向不變，垂直方向變化；

題2.判斷題：是否存在球?qū)ΨQ輻射狀的磁場：

B=f（r）er。

第一段短視頻內(nèi)容：用1820年丹麥的奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，從而結(jié)束了人們認(rèn)為電和磁是兩種完全不同的物理現(xiàn)象，作為課程的引子吸引學(xué)生對(duì)電磁現(xiàn)象的興趣，時(shí)間大約1分鐘左右。繼而提出問題：永久性磁鐵的本質(zhì)是什么？電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)如何計(jì)算？進(jìn)而到安培的分子環(huán)流解釋和畢奧-薩伐定理，其核心要點(diǎn)就是比較畢奧-薩伐定理和庫侖定理的聯(lián)系和區(qū)別，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)磁場是一種橫向場的特點(diǎn)。接下去，用畢奧-薩伐定理求解載流直導(dǎo)線和圓電流軸線上的磁場。主要內(nèi)容的講解時(shí)間在12分鐘左右。最后1分鐘總結(jié)電流元產(chǎn)生磁場的計(jì)算方法，布置相應(yīng)的作業(yè)。

第二段短視頻主要講解穩(wěn)恒磁場的通量和環(huán)流。引子（時(shí)間3分鐘）：庫侖場是一種徑向場，其通量和環(huán)流具有的形式，創(chuàng)建問題情景“穩(wěn)恒磁場屬于橫向場，其通量和環(huán)流應(yīng)該具有什么樣的形式？”，從而引發(fā)學(xué)生的思考，從而進(jìn)入該課程的主題，主題講解（10分鐘）圍繞著兩個(gè)主要內(nèi)容：一是比較靜電場和穩(wěn)恒磁場的通量和環(huán)流；二是應(yīng)用安培環(huán)路定理求解兩道經(jīng)典例題（無限長柱電流產(chǎn)生的磁場，無限長螺線管產(chǎn)生的磁場）。最后用1分鐘總結(jié)穩(wěn)恒電流的通量和環(huán)流情況，并布置相應(yīng)的作業(yè)。

以下是本次課后的作業(yè)。

題1.如圖1（a）所示的長導(dǎo)線中通有電流，求圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

題2.長直導(dǎo)線AA′與一半徑為R電阻均勻分布的導(dǎo)體圓環(huán)相切于A點(diǎn)，另一長直導(dǎo)線沿半徑方向與圓環(huán)相接于B點(diǎn)，如圖1（b）。現(xiàn)有穩(wěn)恒電流I從A點(diǎn)流入并從B點(diǎn)流出。試求：

O點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度如何？

計(jì)算B沿圖中閉合路徑L的環(huán)路積分時(shí)，哪些電流可以當(dāng)作套鏈的電流，套鏈電流多大？

題3.半徑為R的無限長直圓筒上有一層均勻分布的面電流，電流都繞著軸線流動(dòng)并與軸線方向成一角度α，即電流在筒面上沿螺旋線向前流動(dòng)，如圖1（c）。設(shè)面電流密度為i，求軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.課中學(xué)習(xí)階段

課堂上階段是實(shí)施自主學(xué)習(xí)的最重要一個(gè)階段，我們主要以小組協(xié)作學(xué)習(xí)和討論課的方式進(jìn)行教學(xué)。我們將課程分為各45分鐘的兩個(gè)階段。

第一階段主要以鞏固知識(shí)為目標(biāo)，以小組協(xié)作的方式進(jìn)行組織教學(xué)。我們又將這一階段分成兩個(gè)部分，首先，教師講解兩個(gè)短時(shí)視頻中的主要知識(shí)點(diǎn)，時(shí)間控制在10分鐘左右，講解的重點(diǎn)，主要圍繞著核心的概念、難點(diǎn)：畢奧-薩伐定理的應(yīng)用和理解橫向場的特點(diǎn)。接著，學(xué)生進(jìn)行分組討論（提前將3個(gè)人分成一組、選定組長），討論題目以兩段視頻中布置的課后作業(yè)。利用這個(gè)環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生興趣，加深對(duì)概念的理解。討論結(jié)束后，由組長提供一份同組成員共同認(rèn)可的答案。組長在這個(gè)環(huán)節(jié)中必須取到關(guān)鍵的作用：組織討論的進(jìn)行，當(dāng)有不同意見時(shí)，務(wù)必使得組員取得一致的意見。

圖1 課后作業(yè)圖

在討論題的選擇上，我們遵守了兩個(gè)原則：理解概念、刻意練習(xí)。首先，在題目類型上，選擇一些能對(duì)物理概念加深理解的題目，很多教科書中課后的思考題是慣常挑選題目的出處，我們還在美國的David P.Maloney等人專門為測試學(xué)生對(duì)電磁學(xué)基本概念理解而設(shè)計(jì)的CSEM（Concept Survey of Electricity and Magnetism）[2]挑選了一些題目。其次，心理學(xué)家將人的認(rèn)知模式分成三個(gè)嵌套的同心圓：最內(nèi)層稱為“舒適區(qū)”，所有的知識(shí)和技能都是你熟悉的，你在這個(gè)領(lǐng)域感到非常的舒適；最外層稱為“恐慌區(qū)”，這部分的知識(shí)和技能是你暫時(shí)無法掌握的，這兩個(gè)區(qū)的中間領(lǐng)域就是“學(xué)習(xí)區(qū)”。能夠進(jìn)行有效學(xué)習(xí)的方法，就是盡量使得學(xué)生能夠處在學(xué)習(xí)區(qū)進(jìn)行“刻意學(xué)習(xí)”。

第二階段（45分鐘），由教師主持的課堂討論，一共有兩道題目，題目如下所示。

題1.如圖2所示，兩無窮大平行平面上都有均勻分布的面電流，面電流密度分別為i1和i2，兩電流平行，求：

兩面電流之間、之外的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

i1和i2之間不同夾角時(shí)，兩面電流之間、之外的磁感應(yīng)強(qiáng)度。（反平行、垂直、任意夾角）。

圖2 討論題第1題

題2.半徑為a的球面上均勻分布著電荷，面密度為，當(dāng)這球面以角速度繞它的直徑旋轉(zhuǎn)時(shí)，求轉(zhuǎn)軸上球內(nèi)和球外任一點(diǎn)（該點(diǎn)到球心的距離為x）的磁感強(qiáng)度B。

討論的方式采用問題導(dǎo)向法，層層遞進(jìn)，以第2題為例，具體步驟如下。

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生寫出旋轉(zhuǎn)電荷等效的電流強(qiáng)度，并根據(jù)圓電流在軸線上的磁場公式

其次，教師引導(dǎo)學(xué)生先關(guān)注兩個(gè)特殊的點(diǎn)：圓心（r=0）；直徑與球面的交點(diǎn)（r=R），通過求解發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)磁場強(qiáng)度一樣，再通過積分發(fā)現(xiàn)在整條直徑上，磁場大小與位置無關(guān)；接著將球外磁場和球內(nèi)磁場類比，可以輕松求出球外的磁場。在這個(gè)過程中，讓學(xué)生自行計(jì)算兩個(gè)比較簡單的積分，即r=0和r=R，另外兩個(gè)有一定難度的積分，教師引導(dǎo)學(xué)生一起完成。

再次，最后的5分鐘，教師基于前面的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行最后的總結(jié)，以幫助學(xué)生完善物理知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

3.課后學(xué)習(xí)階段

小組成員把經(jīng)過討論后得到的學(xué)習(xí)成果，寫成一份報(bào)告，將學(xué)習(xí)成果分享在教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，并在小組成員中進(jìn)行互評(píng)，此外，我們還提供一些提高的題目供學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步學(xué)習(xí)。提高部分的題目如下所示[3]。

題1.一條無窮長的導(dǎo)線載有電流I，這導(dǎo)線彎成一拋物線形狀，焦點(diǎn)到頂點(diǎn)的距離為a，如圖3（a）。求焦點(diǎn)的磁感強(qiáng)度B。

圖3 提高題圖

題2.有一個(gè)半徑為R的“無限長”半圓柱面導(dǎo)體，沿軸方向的電流I在柱面均勻地流動(dòng)，如圖3（b）所示。試求：

半圓柱直徑面（半圓柱直徑和軸構(gòu)成的平面）上磁通如何？

半圓柱面導(dǎo)體軸線上OO′上電磁感應(yīng)強(qiáng)度。

三、實(shí)施主動(dòng)學(xué)習(xí)教學(xué)模式的意義

與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)比較，新型教學(xué)模式具有重大的意義。

1.課堂具有不同的作用

以學(xué)生為主體，并不意味著以自學(xué)取代聽教師上課，而是上課的節(jié)奏由學(xué)生自行掌握。那么課堂的作用又是什么？事實(shí)上，對(duì)很多學(xué)生而言，學(xué)習(xí)物理是一件比較困難的事情，要對(duì)一個(gè)物理概念真正理解透徹需要花費(fèi)大量的精力。而且物理概念的理解是分層次的，比如：磁場在中學(xué)是由電流產(chǎn)生的一種場；在普通物理中，還需要學(xué)會(huì)不同電流分布產(chǎn)生磁場的計(jì)算方法；在電動(dòng)力學(xué)中，把數(shù)學(xué)描述手段提高到用矢量分析的方法；在相對(duì)論中，我們發(fā)現(xiàn)到磁場僅僅只是電場的相對(duì)論效應(yīng)，而電磁場具備的能量，使得人們第一次開始探討質(zhì)量的起源，再到希格斯提出真空對(duì)稱性自發(fā)破缺的極值，使得場粒子成為“上帝粒子”，從而使得微觀粒子具備有質(zhì)量。因此，物理的學(xué)習(xí)，不僅僅只是課堂上聽聽，做一定的練習(xí)就可以得到解決的。

教師在課堂的作用對(duì)學(xué)習(xí)效果起到了關(guān)鍵的作用。在討論課環(huán)節(jié)，教師把精心準(zhǔn)備的材料發(fā)放給學(xué)生，在學(xué)生討論期間，教師穿梭于不同討論組，由此得到學(xué)生學(xué)習(xí)情況的即時(shí)反饋，從而在最后總結(jié)時(shí)，使整個(gè)知識(shí)體系得到完善。在教師引導(dǎo)的討論環(huán)節(jié)，教師掌控著整個(gè)討論的環(huán)節(jié)，知識(shí)的引入，關(guān)鍵點(diǎn)的討論，教師都起到了關(guān)鍵的作用。

2.重新定義學(xué)生與教師的關(guān)系

教師方面：從原來的中心地位，變成了一個(gè)引導(dǎo)者和組織者。其作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。課前，教師對(duì)課程的資源進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出合適學(xué)生進(jìn)行刻意練習(xí)的討論題，并把課程的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為問題，使上課模式變成以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式。課中，教師是討論的指導(dǎo)者和促進(jìn)者，通過分組討論和課堂討論，教師隨時(shí)隨地為學(xué)生提供指導(dǎo)，幫助他們掌握課程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

學(xué)生方面：從原來信息的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的主體。課堂上超過一半的時(shí)間由學(xué)生自行掌握，使得學(xué)生有了完整、深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在課堂上，討論課的展開大大加強(qiáng)了同學(xué)之間的學(xué)術(shù)關(guān)聯(lián)，思維方式、表達(dá)方式以及理解方式都成了同學(xué)之間交流的一部分，促進(jìn)了同學(xué)之間的相互學(xué)習(xí)，從而達(dá)到共同提高的目的[4]。

四、結(jié)語

主動(dòng)學(xué)習(xí)教學(xué)模式的實(shí)施，重新確定了教師和學(xué)生的關(guān)系，突出了教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)生的能力。但是，并不是所有大學(xué)物理課程的內(nèi)容都適合這種教學(xué)模式，對(duì)于知識(shí)內(nèi)容過于繁雜、數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較復(fù)雜的內(nèi)容，顯然比較適合傳統(tǒng)的教授方法，尤其是板書的方式更加適合數(shù)學(xué)的推導(dǎo)，比如，磁介質(zhì)、電磁波的產(chǎn)生這些單元就比較適合傳統(tǒng)的講授方式。因此教學(xué)改革決不是盲目求變化，要結(jié)合教學(xué)實(shí)際和學(xué)生學(xué)習(xí)能力做出最優(yōu)選擇。教學(xué)模式的選擇對(duì)教學(xué)質(zhì)量會(huì)起到至關(guān)重要的影響，任何教學(xué)方法和教學(xué)模式都是為提高教學(xué)質(zhì)量和效果服務(wù)的，其最終目的就是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有建設(shè)性的學(xué)習(xí)，不斷提高學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。