提升大學(xué)物理課堂教學(xué)效果的探討

杜明潤(rùn) 李澤朋

摘要：在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，融入問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)教學(xué)模式，采用貼近學(xué)生專業(yè)背景和工程實(shí)際應(yīng)用的例題，同時(shí)，加強(qiáng)數(shù)字化課堂演示實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)。以這些措施激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，并輔助理論教學(xué)，提升課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;課堂教學(xué);問題導(dǎo)向?qū)W習(xí);例題;演示實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）14-0302-03

一、引言

2016年6月2日，我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)正式成員，標(biāo)志著我國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證進(jìn)入了一個(gè)新的歷史發(fā)展階段?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)高校培養(yǎng)的畢業(yè)生有著一條明確的要求“能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題的能力”。[1]物理學(xué)是自然科學(xué)的重要組成部分，它的基本理論滲透在自然科學(xué)的一切領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的各個(gè)部門，是自然科學(xué)許多領(lǐng)域和工程技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，以講授物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)為主要任務(wù)的大學(xué)物理課程，作為培養(yǎng)高等學(xué)校理工科各個(gè)專業(yè)學(xué)生的一門重要的必修基礎(chǔ)課，其課堂教學(xué)效果的好壞直接影響高校是否能夠培養(yǎng)出符合《工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》的合格畢業(yè)生。本文中，筆者基于大學(xué)物理課堂教學(xué)的現(xiàn)狀和工程教育認(rèn)證的基本理念，對(duì)提升課堂教學(xué)效果的措施做了一些探討和構(gòu)想。

二、大學(xué)物理課堂教學(xué)的現(xiàn)狀

大學(xué)物理課程作為一門必修公共基礎(chǔ)課，向各工科專業(yè)和非物理類理科專業(yè)學(xué)生講授涵蓋經(jīng)典物理、近代物理的基本原理，以及物理在科學(xué)技術(shù)上應(yīng)用的初步知識(shí)等課程內(nèi)容。該課程的作用和任務(wù)，在于為學(xué)生較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，初步培養(yǎng)和訓(xùn)練科學(xué)的思維方式和研究問題的方法，同時(shí)對(duì)學(xué)生樹立辯證唯物主義的世界觀，對(duì)開闊思維、激發(fā)探索和創(chuàng)新精神、增強(qiáng)適應(yīng)未來科學(xué)發(fā)展的能力、提高人才素質(zhì)等方面都起著重要的作用。然而，在工程教育認(rèn)證的新背景下，大學(xué)物理課堂教學(xué)由于長(zhǎng)時(shí)間受到教學(xué)方法、教學(xué)條件和教學(xué)內(nèi)容的限制，顯露出很多不足，具體表現(xiàn)如下。

1.教學(xué)方式有待多樣化。目前，大學(xué)物理課堂教學(xué)盡管采用了啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法，并結(jié)合了多媒體技術(shù)，但總體仍然采用傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)方法。在課堂上，仍是以教師為中心對(duì)知識(shí)進(jìn)行講授，而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏自主思考和實(shí)踐的機(jī)會(huì)，只是被動(dòng)地接受知識(shí)，記憶解題過程。包景東對(duì)這樣的教學(xué)方式做了精辟的總結(jié)：“教師在課堂上講授正確的知識(shí)，學(xué)生在課后做正確的練習(xí)，但缺乏批判性思維的訓(xùn)練和科學(xué)精神的引導(dǎo)?！盵2]在這種教學(xué)模式下，學(xué)生會(huì)認(rèn)為學(xué)習(xí)物理就是在背公式和定理，學(xué)習(xí)的目的就是考試和解題，從而在腦海里認(rèn)定大學(xué)物理是一門枯燥無趣的課程，降低了學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致學(xué)生課堂表現(xiàn)不盡如人意，有些學(xué)生在睡覺，有些在玩手機(jī)，有些逃課，而學(xué)習(xí)的學(xué)生大多都是為了考高分、拿學(xué)分而聽講。顯然，目前主要使用的傳統(tǒng)教學(xué)方式違背了“以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)導(dǎo)向”[3]的工程教育認(rèn)證的基本理念，難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，無法保障課堂教學(xué)效果，急需改善。

2.課程例題設(shè)計(jì)需要融入學(xué)生專業(yè)背景和工程實(shí)際問題。例題是在課堂上向?qū)W生講解物理知識(shí)應(yīng)用的最好工具，是訓(xùn)練學(xué)生利用科學(xué)的思維方式和物理基本原理研究解決問題的最佳媒介。此外，大學(xué)物理的授課對(duì)象是剛?cè)雽W(xué)不久的大一和大二學(xué)生。他們對(duì)自己本專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)還沒有系統(tǒng)的認(rèn)知，更沒有意識(shí)到物理這門基礎(chǔ)科學(xué)在整個(gè)理工科專業(yè)知識(shí)體系中的地位作用，導(dǎo)致他們對(duì)物理學(xué)習(xí)很茫然。而學(xué)習(xí)例題是使學(xué)生了解大學(xué)物理課程與后續(xù)專業(yè)課程之間的聯(lián)系，從而明確學(xué)習(xí)目的、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的最有效的途徑。目前，大學(xué)物理課程使用的例題普遍來源于教材和參考教材，這些例題強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)全面，公式推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，注重對(duì)課本知識(shí)的掌握，但是與實(shí)際工程應(yīng)用和學(xué)生專業(yè)背景脫節(jié)現(xiàn)象明顯。這樣的例題不利于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力和工程應(yīng)用能力，并且容易導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理課程對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)沒有幫助，導(dǎo)致學(xué)習(xí)態(tài)度不端正，降低課堂教學(xué)效果。

3.理論教學(xué)與演示實(shí)驗(yàn)的相互結(jié)合需要加強(qiáng)。物理學(xué)是通過觀察、實(shí)驗(yàn)、抽象、假設(shè)等研究方法并經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)而建立起來的，是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的學(xué)科。大學(xué)物理課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合才能充分體現(xiàn)物理科學(xué)的發(fā)展過程、研究方法和思維方式，才能更加清晰地構(gòu)建物理圖像以輔助學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)，進(jìn)而達(dá)到提高學(xué)生的物理科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)目的。美國(guó)大學(xué)通常在一堂課中要做兩三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，有比較完善的演示設(shè)施和內(nèi)容。內(nèi)容豐富且新奇的演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有效地輔助理論教學(xué)。[4]筆者在實(shí)際教學(xué)工作中發(fā)現(xiàn)，在講授駐波能量、薄膜干涉等內(nèi)容時(shí)，做過相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生有著更好的學(xué)習(xí)效果，不僅能夠更快地理解相關(guān)理論知識(shí)，而且能夠自主推導(dǎo)出條件改變對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響。然而，由于課時(shí)及教學(xué)條件的限制，目前課堂上絕大部分時(shí)間都是進(jìn)行理論教學(xué)，演示實(shí)驗(yàn)很少進(jìn)行。此外，由于實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量和實(shí)驗(yàn)室條件的限制，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程與大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度的普遍無法匹配。這些因素使學(xué)生在課堂上很少獲得實(shí)踐機(jī)會(huì)，造成理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)之間存在脫節(jié)，加大了對(duì)抽象知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)難度，使課堂教學(xué)難以獲得滿意的效果。

三、提升大學(xué)物理課堂教學(xué)效果的措施和構(gòu)想

1.在課堂教學(xué)中融入問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（PBL）教學(xué)模式。PBL教學(xué)模式也稱為問題式學(xué)習(xí)，該教學(xué)模式是將學(xué)習(xí)內(nèi)容置于一個(gè)問題情景之中，讓學(xué)生們以小組為單位進(jìn)行合作、討論，共同解決問題，進(jìn)而達(dá)到學(xué)習(xí)知識(shí)的目的。[5]與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比PBL教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)為，在傳授知識(shí)的同時(shí)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，鍛煉科學(xué)思維和研究解決問題的能力。該方法完全符合“以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)導(dǎo)向”的工程教育認(rèn)證基本理念，并且能夠改善傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師主導(dǎo)、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)能動(dòng)性不足等弊端。

物理學(xué)是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，[6]我們身邊任何事物的變化、任何工程技術(shù)的應(yīng)用都反映了物理學(xué)的基本原理和知識(shí)點(diǎn)。這一特點(diǎn)使大學(xué)物理課程教學(xué)適合使用PBL教學(xué)模式。教師可以根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景和實(shí)際工程應(yīng)用創(chuàng)設(shè)問題情景，不僅更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也便于學(xué)生融入情景進(jìn)行思考，體會(huì)物理這門基礎(chǔ)學(xué)科的重要地位，認(rèn)識(shí)其在推進(jìn)人類科學(xué)技術(shù)文明發(fā)展進(jìn)程中起到的重要作用。針對(duì)我校辦學(xué)特色，可以選取民用航空領(lǐng)域的一些問題來創(chuàng)設(shè)情景，能更好地引起學(xué)生的共鳴。例如，在講授波的干涉時(shí)，引入“給降落的飛機(jī)導(dǎo)航”的問題情景，由教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用無線電波的干涉給出解決飛機(jī)降落導(dǎo)航問題的方案，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下積極思考并自主學(xué)習(xí)波的干涉知識(shí)內(nèi)容，并通過分析、討論、解決問題的過程更好地理解波的干涉的物理本質(zhì)，同時(shí)體會(huì)到物理原理在航空領(lǐng)域的重要應(yīng)用，從而重視大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)。類似的例子還有，在講授多普勒效應(yīng)時(shí)，采用“應(yīng)用多普勒效應(yīng)搜尋馬航MH370”的時(shí)事新聞來構(gòu)建問題情景;在講授剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量守恒部分內(nèi)容時(shí)，采用“飛機(jī)利用陀螺儀來判斷飛行姿態(tài)和飛行方向”的生活實(shí)例來構(gòu)建問題情景等。這種教學(xué)方式可以將課程所授理論知識(shí)與學(xué)生專業(yè)背景相關(guān)的工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，使學(xué)生感受到物理知識(shí)既“有趣”又“有用”，從促進(jìn)思考、增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣等方面提高大學(xué)物理課堂教學(xué)效果。

2.基于學(xué)生專業(yè)背景和工程實(shí)際應(yīng)用改造現(xiàn)有例題。筆者的教學(xué)經(jīng)歷和諸多研究表明[7，8]，與學(xué)生專業(yè)背景相結(jié)合是提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的有效方法。將原有例題的情景進(jìn)行改編，使之貼近學(xué)生專業(yè)背景和實(shí)際工程應(yīng)用，不僅可以在一定程度上改變學(xué)生對(duì)課程例題枯燥古板的舊有印象，恢復(fù)學(xué)習(xí)熱情，而且還能夠保留例題原有題干和教學(xué)功能。例如，在給航空工程學(xué)院的學(xué)生上課時(shí)，可以將剛體力矩部分的例題中所研究的剛體對(duì)象設(shè)定為飛機(jī)機(jī)體;將熱學(xué)例題中的蒸汽機(jī)氣缸改為活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸;將運(yùn)動(dòng)學(xué)的例題中的研究對(duì)象改為飛機(jī)，運(yùn)動(dòng)路徑改為飛機(jī)的飛行路徑等。這樣改造后的例題在課堂上能夠使學(xué)生耳目一新，更能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，從而使學(xué)生主動(dòng)回歸到課堂教學(xué)活動(dòng)中來，提高課堂教學(xué)效果。在課下學(xué)生也不會(huì)因?yàn)橛X得例題枯燥乏味而不會(huì)去重溫體會(huì)，使例題的教學(xué)作用得到充分發(fā)揮。此外，學(xué)生在通過例題學(xué)習(xí)應(yīng)用物理知識(shí)解決具體問題的同時(shí)，還會(huì)體會(huì)到理論聯(lián)系實(shí)際的思考過程。

3.加強(qiáng)數(shù)字化課堂演示實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)。物理世界豐富多彩，在實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)操作中所觀察到的各種奇異的物理現(xiàn)象，要比書本上的描述更加生動(dòng)具體，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。[9]此外，在理論教學(xué)中，原理的推導(dǎo)過于抽象，而演示實(shí)驗(yàn)可以將推導(dǎo)過程具體化、圖像化，使學(xué)生更加容易地理解接受教學(xué)內(nèi)容，[10]有利于節(jié)約理論教學(xué)所耗費(fèi)的時(shí)間。然而，目前大學(xué)物理課程教學(xué)與課堂演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)合并不緊密，主要原因?yàn)檎n堂演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善，一些演示實(shí)驗(yàn)操作難度大費(fèi)時(shí)費(fèi)力，現(xiàn)象不夠明顯。加強(qiáng)數(shù)字化課堂演示實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)是解決這一問題的理想方法。數(shù)字化課堂演示實(shí)驗(yàn)資源包括多媒體及仿真、視頻、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和錄像，虛擬儀器的使用，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室等。[11]與傳統(tǒng)的實(shí)操課堂演示實(shí)驗(yàn)的方式相比，數(shù)字化的課堂演示實(shí)驗(yàn)可以解決教學(xué)區(qū)域、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、儀器數(shù)量、教學(xué)手段等因素的限制，能夠使學(xué)生全員參與實(shí)驗(yàn)，并看到清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程。[12]此外，數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn)資源易于與多媒體教學(xué)方式相結(jié)合，便于教師在課堂教學(xué)中穿插使用。由此可見，通過建設(shè)好數(shù)字化課堂演示實(shí)驗(yàn)資源，能夠?qū)崿F(xiàn)大學(xué)物理課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，有利于學(xué)生對(duì)抽象物理原理的理解學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效果。

四、總結(jié)

提升大學(xué)物理課堂教學(xué)效果是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，需要每一名物理教師在長(zhǎng)時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐中不斷思考、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。本文基于工程教育認(rèn)證的基本理念和大學(xué)物理課堂教學(xué)現(xiàn)狀，從改善教學(xué)方法、優(yōu)化例題內(nèi)容和加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合三個(gè)方面進(jìn)行了探討，提出了在課堂教學(xué)中融入PBL教學(xué)模式，基于學(xué)生專業(yè)背景和工程實(shí)際問題改造現(xiàn)有例題，加強(qiáng)數(shù)字化課堂演示實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)等措施來提升課程教學(xué)效果。大學(xué)物理課程發(fā)展至今幾經(jīng)變革，但是無論未來如何變化，只有堅(jiān)持以學(xué)生為中心、順應(yīng)教育發(fā)展趨勢(shì)、契合學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)，才能夠培養(yǎng)出社會(huì)所需要的人才，體現(xiàn)這一課程的價(jià)值。

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Abstract：Integrating the problem-based learning and examples related to professional backgrounds of students and practical engineering problems into the College Physics teaching，and strengthening the construction of digital classroom demonstration experiment resources are probable methods to improve the teaching effect，which could stimulate students' interest in learning，guide students to think positively，and assist theoretical teaching.

Key words：College Physics;teaching;problem-based learning;examples;classroom demonstration experiment