淺析新工科背景下在思維導(dǎo)圖指導(dǎo)下的研討對大學(xué)生物理思維的影響

趙超櫻 葛凡 黃清龍 吳玲

【摘要】：大學(xué)生物理課程的學(xué)習(xí)方法跟高中生物理課程的學(xué)習(xí)方法是完全不一樣的。前者更加側(cè)重物理思維的培養(yǎng)和對物理原理的過程分析。本校物理課程中存在的問題，在課程設(shè)計中采用教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺和思維導(dǎo)圖交互使用的方法，為后續(xù)開展物理教學(xué)給出指導(dǎo)意見。

【關(guān)鍵詞】：新工科背景? 思維導(dǎo)圖? 物理? 教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺

【基金項目】感謝杭州電子科技大學(xué)高等教育教學(xué)改革一般項目（ZX180402309048）支持。

中圖分類號：G624.4

1、大學(xué)生物理課程與高中生物理課程的區(qū)別

高中生物理課程中介紹的原理通常直接給出最終結(jié)論，沒有復(fù)雜的推導(dǎo)過程。這樣有部分學(xué)生通過強行記憶記住了結(jié)果，但是對于為什么會出來這個結(jié)果學(xué)生思考得非常很少。高中生對物理知識的理解都是片段化的，還沒有完全消化吸收，還不能獨立解決一個理論問題。大學(xué)生物理課程剛好反過來重點講這個結(jié)果是怎么出來的？大學(xué)生物理課程的講解也是依照從一到多，從簡到難的過程^[1]。譬如《應(yīng)用光學(xué)》課程從單個球面鏡成像到兩個球面鏡成像（單透鏡成像）再到多個透鏡構(gòu)成的透鏡組成像。如果考慮透鏡的厚度，那么兩個球面鏡成像（單透鏡成像）還需要再修正^[2-3]。譬如《物理學(xué)原理及其工程應(yīng)用》課程從單個質(zhì)點到多個質(zhì)點，再從多個質(zhì)點到質(zhì)點系，舉一反三，再從力學(xué)到電磁學(xué)，遵從相同的物理思維方式，從抽象到具體。通過物理建模，能獨立的解決一個實際的問題。

2、物理課程的設(shè)計和物理思維的培養(yǎng)

大學(xué)生物理課程的學(xué)習(xí)過程中，知識點很多，每堂課的知識點又相互關(guān)聯(lián)。如果每節(jié)課都是推導(dǎo)繁雜的公式，學(xué)生最后考試通過刷題獲得高分，這樣長久下去學(xué)生對物理課程的學(xué)習(xí)就會散失興趣，會覺得課程枯燥無味。在新工科背景下，我們將與生活息息相關(guān)的有趣的物理現(xiàn)象作為研討題目，讓研討組的同學(xué)通過思維導(dǎo)圖先將知識點引出來，并通過實際案例介紹知識點。這些實際案例是他們從小玩過，或者是用過的某些技術(shù)，但是不知道其中的物理原理，或者對原理模棱兩可。在此基礎(chǔ)上，通過讓學(xué)生課后手工制作和視頻錄制等方式在課堂上進行講解和演示，并運用已有的知識進行數(shù)值模擬。這培養(yǎng)了學(xué)生的物理思維。讓學(xué)生充分的發(fā)揮實踐動手能力。這些題目極大的帶動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。獨立完成一個小的課程設(shè)計，并在課堂上講解和演示，極大的增強他們的自信。這在其他課程中是沒有的。通過《應(yīng)用光學(xué)》課程設(shè)計讓大學(xué)生了解這些高大上的光學(xué)儀器設(shè)計的基本過程。從中找到激發(fā)點。單純的講課并不能把這個過程完整的呈現(xiàn)出來。這是一個循序漸進的過程。需要學(xué)生對光學(xué)知識有一定的了解，同時將知識與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)他們用物理思維方式來思考問題。通過《物理學(xué)原理及其工程應(yīng)用》課程設(shè)計整個過程連貫起來就是：發(fā)現(xiàn)問題，提出問題和解決問題。物理思維的培養(yǎng)過程是一個循序漸進的過程。最后通過教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺考察學(xué)生對這個知識點的理解。對于知識點掌握不好的學(xué)生，作業(yè)打回重做，直到將知識點掌握了為止。這樣的課程設(shè)計可以讓學(xué)生直觀的體會到物理原理的實際應(yīng)用與工業(yè)界的巧妙設(shè)計，感受到物理對于日常生活的重要性和不可或缺性。讓學(xué)生從高中的題海戰(zhàn)術(shù)中解脫出來，進入物理思維的海洋中去，對很多司空見慣的生活現(xiàn)象能問一個為什么？

3、思維導(dǎo)圖在大學(xué)生物理課程學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

譬如《應(yīng)用光學(xué)》課程中的景深。首先，讓光學(xué)專業(yè)的學(xué)生先通過思維導(dǎo)圖引出照相機、攝影機、望遠鏡等光學(xué)儀器要求在某個像平面上給出整個空間的像時產(chǎn)生的景深現(xiàn)象。舉例普通手機拍攝出的背景虛化的景深效果圖。并比較有無景深時，圖像的成像質(zhì)量。其次，讓學(xué)生自己動手做牛頓環(huán)實驗，通過調(diào)節(jié)顯微鏡的調(diào)焦旋鈕調(diào)節(jié)牛頓環(huán)圖像，發(fā)現(xiàn)在很小的一段距離內(nèi)都可以看清，并進一步解釋產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因。再次，通過景深計算器、景深軟件來調(diào)節(jié)參數(shù)，給出不同參數(shù)對景深的影響。最后，通過教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺加深學(xué)生對景深這個知識點的理解。

譬如《物理學(xué)原理及其工程應(yīng)用》課程中的竹蜻蜓。竹蜻蜓是世界上最早的飛機模型，17世紀由中國的蘇州巧匠首次發(fā)明，18世紀才傳到歐洲。首先，讓機械制造專業(yè)的學(xué)生先通過思維導(dǎo)圖給出線動量和角動量之間的關(guān)聯(lián)和區(qū)別。舉例花樣滑冰、跳水、九條命的貓等讓學(xué)生總結(jié)出角動量守恒的條件。其次，讓學(xué)生自己動手做竹蜻蜓，研究不同材質(zhì)、不同橫截面積，不同旋轉(zhuǎn)速度和不同旋轉(zhuǎn)角度等因素對竹蜻蜓角動量特性的影響。最后，通過教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺加深學(xué)生對角動量守恒這個知識點的理解。

參考文獻：

[1]姚文葦。思維導(dǎo)圖在大學(xué)物理教學(xué)中的有效應(yīng)用。教書育人（高教論壇），2015，8：94