費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧在自然科學(xué)基礎(chǔ)物理部分中的教學(xué)實(shí)踐

張雷 蔡彬卓 鄧歡 李行

[摘 要]自然科學(xué)基礎(chǔ)課程學(xué)科、專業(yè)跨度大，知識(shí)點(diǎn)多，尤其是物理學(xué)部分，這給教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)增加了難度。翻轉(zhuǎn)課堂、對分課堂等教學(xué)模式能在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果，但在知識(shí)運(yùn)用方面還有待進(jìn)一步提高。費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧不僅具備發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性的特性，更能夠通過其反饋環(huán)節(jié)，提高新知識(shí)的學(xué)習(xí)效率，而通過通俗語言的講授和類比拓展，能進(jìn)一步提高學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用水平。自然科學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)部分的教學(xué)實(shí)踐表明，費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。該方法的運(yùn)用為自然科學(xué)基礎(chǔ)及相關(guān)課程教學(xué)的深入開展和學(xué)生綜合素質(zhì)的提高提供了有意義的參考。

[關(guān)鍵詞]自然科學(xué)基礎(chǔ);費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧;物理學(xué);學(xué)習(xí)效率

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）08-0110-03

黨的十九大報(bào)告中明確提出了優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化[1]。習(xí)近平總書記在2018年全國教育大會(huì)上再次強(qiáng)調(diào)，建設(shè)教育強(qiáng)國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程[2]。自然科學(xué)基礎(chǔ)作為一門綜合性的通識(shí)基礎(chǔ)課程，能夠提高受教育者對各個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)知。課程涵蓋了物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，范圍較寬，內(nèi)容雜，這對承擔(dān)這門課程教學(xué)任務(wù)的教師提出了更高的要求。如何處理好各學(xué)科的專業(yè)問題，教師通過不斷地嘗試，采取不同的教學(xué)方法，取得了一定的成效[3]。陸建新等人[4]引入的學(xué)導(dǎo)式教學(xué)法、黃曉雷等人[5]應(yīng)用的基于網(wǎng)頁形式WebQuest探究教學(xué)模式和蓋爽爽[6]采用的對分課堂教學(xué)模式等，都對提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了積極的影響，但是自然科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)在整體上還是存在學(xué)生重視不夠、教學(xué)過程占用時(shí)間較長、教學(xué)效果不夠好等問題。

物理學(xué)是其他自然科學(xué)以及工程技術(shù)的基礎(chǔ)，也是高等院校理工科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。趙凱華[7]將物理學(xué)概括為提出命題、推測答案、理論預(yù)言、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和修改理論五個(gè)步驟，既體現(xiàn)了物理學(xué)知識(shí)的認(rèn)知過程，也反映了科學(xué)研究的基本方法。物理學(xué)部分在自然科學(xué)基礎(chǔ)課程中占據(jù)相當(dāng)大的比例。物理學(xué)中包含的眾多概念、公式以及與數(shù)學(xué)工具的使用給大學(xué)生帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，探討如何提高物理學(xué)的教學(xué)效果依然具有重要意義。Pradhan等人[8]通過以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)方法進(jìn)行本科階段的物理教學(xué)，通過問題的挑戰(zhàn)，讓學(xué)生構(gòu)建起自己的知識(shí)體系，這大大改善了學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的態(tài)度。王青[9]在大學(xué)物理教學(xué)中通過小班教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，從以教師為中心的傳統(tǒng)課堂授課模式轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，為基礎(chǔ)物理教學(xué)提供了有意義的嘗試。事實(shí)上，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在基礎(chǔ)物理教學(xué)中進(jìn)行改革，他從自己思考解決問題的方法出發(fā)，設(shè)法把不同部分有機(jī)地組織在一起，用通俗易懂的語言表達(dá)出來，這種有特色的教學(xué)風(fēng)格深受學(xué)生的歡迎。Leighton和Sands將費(fèi)曼的基礎(chǔ)物理教學(xué)整理、編寫，出版了《費(fèi)曼物理學(xué)講義》[10]，成為經(jīng)典的物理學(xué)教材。不少學(xué)者總結(jié)歸納了費(fèi)曼在學(xué)習(xí)及教學(xué)過程中使用的方法，稱為費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧，將其運(yùn)用于課程教學(xué)中，取得了良好的效果[11-13]。本文闡述了運(yùn)用費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧開展自然科學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)部分的教學(xué)方法，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為推動(dòng)相關(guān)課程教學(xué)改革提供了有意義的指導(dǎo)。

一、費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧

費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧主要概括為四個(gè)環(huán)節(jié)：新知識(shí)的學(xué)習(xí)，強(qiáng)化記憶、掌握，講授和類比拓展[11]。這四個(gè)方面聯(lián)系緊密，環(huán)環(huán)相扣，如圖1所示。新知識(shí)的學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)的是對新事物的認(rèn)知。強(qiáng)化記憶和掌握則是對新知識(shí)的學(xué)習(xí)進(jìn)行質(zhì)的提升，必須理解和熟練掌握，為下一環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。講授則是用盡量少的術(shù)語、用更通俗的語言將核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述，該環(huán)節(jié)是難度最大的，或多或少的會(huì)存在解釋不清或理解錯(cuò)誤的情況，此時(shí)就必須回到上一環(huán)節(jié)繼續(xù)強(qiáng)化、掌握知識(shí)點(diǎn)，這稱之為反饋。反饋環(huán)節(jié)可以進(jìn)一步強(qiáng)化對知識(shí)的理解。類比拓展強(qiáng)調(diào)運(yùn)用，簡單說就是能夠舉一反三。顯然，講授和類比拓展環(huán)節(jié)對各方面的要求較高，但也正因?yàn)檫@樣，學(xué)習(xí)效果才能得到最大限度的提高，這正是費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧與其他學(xué)習(xí)方法所不同的地方。

近十年來，受益于開放教育資源的不斷豐富，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法發(fā)展得非?？?，也得到了不少學(xué)者的認(rèn)可[14]。該方法主要是課下利用信息技術(shù)進(jìn)行知識(shí)的傳授，課上通過師生討論來實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化[15]。這兩種教學(xué)方法都能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，翻轉(zhuǎn)課堂突出的是課上、課下的結(jié)合，費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧更有意義的是講授及類比拓展部分，應(yīng)用在教學(xué)中可以不限于課上還是課下，但出于減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的考慮，更多是在課上時(shí)間使用。

二、自然科學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)部分的教學(xué)實(shí)施

課程物理學(xué)部分主要以經(jīng)典物理為主，其中力學(xué)部分占比最大，還包括部分熱學(xué)、波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)、電磁學(xué)等。雖然學(xué)生中學(xué)階段經(jīng)過了較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，但中學(xué)階段涉及的很多定理、定律沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理過程，學(xué)生更多是機(jī)械記憶，相關(guān)知識(shí)的運(yùn)用有較大短板，特別是無法將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到生活中去，這也正是提高科學(xué)素養(yǎng)中極為重要的一點(diǎn)。該問題歸根結(jié)底是對基本概念和定理的理解不夠深入，對事物的觀察不夠仔細(xì)。

（一）費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧在物理學(xué)教學(xué)中的實(shí)施方法

秉承提高科學(xué)素養(yǎng)這一宗旨，我們在教學(xué)過程中盡量安排跟生活接觸更緊密的部分來使用費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧，這樣效果更好。在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生才是主體，在很多時(shí)候可能還要扮演教師的角色，這樣才能實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧中的講授和類比拓展環(huán)節(jié);教師起到的是引導(dǎo)的作用，更確切地說是在最重要的反饋環(huán)節(jié)和類比拓展部分引導(dǎo)好學(xué)生對概念的理解和類比的正確性。

案例1：以動(dòng)量定理說明費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧的運(yùn)用

1.先布置學(xué)生利用前期所學(xué)知識(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握動(dòng)量定理，準(zhǔn)備完畢后向教師匯報(bào)，描述定理的基本概念，舉例說明定理有何應(yīng)用（費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧環(huán)節(jié)一）。

2.將課上時(shí)間留給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)、準(zhǔn)備，以5～6人一組進(jìn)行組內(nèi)討論，且盡量以文字形式將本組學(xué)到的內(nèi)容概括、歸納（費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧環(huán)節(jié)二）。

3.小組向教師匯報(bào)，從定理的基本概念、公式以及定理在某個(gè)實(shí)例中的應(yīng)用進(jìn)行匯報(bào)。匯報(bào)可以使教師及時(shí)掌握學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解程度，能夠更好地實(shí)施引導(dǎo)。教師根據(jù)具體情況對專業(yè)知識(shí)進(jìn)行把關(guān)、糾錯(cuò)，盡量以啟發(fā)的形式開展，如果直接告知答案，學(xué)生很難做到自行查找資料來解決問題;同時(shí)要特別注意定理在實(shí)例中的應(yīng)用過程是否分析正確，這將影響到后面的類比拓展。學(xué)生得到啟發(fā)后進(jìn)行二次準(zhǔn)備再次向教師匯報(bào)，直至較順暢地用通俗語言將概念和實(shí)例應(yīng)用描述出來（費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧環(huán)節(jié)三及反饋環(huán)節(jié)）。

4.學(xué)生準(zhǔn)備類比拓展，結(jié)合實(shí)際生活分析定理在其間的應(yīng)用，但要求類比實(shí)例盡量避免過于相近（費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧環(huán)節(jié)四）。例如，學(xué)生利用動(dòng)量定理來分析運(yùn)動(dòng)員跳遠(yuǎn)中使用沙坑實(shí)現(xiàn)緩沖，由動(dòng)量定理的表達(dá)式F△t=△mv可知，不論落地時(shí)是沙地還是硬地，可近似認(rèn)為運(yùn)動(dòng)員落地時(shí)的動(dòng)量改變量△mv不變，而落地時(shí)地面性質(zhì)不同會(huì)引起接觸時(shí)間△t的變化。顯然，落入沙坑時(shí)△t會(huì)明顯增加，由于△mv不變，得到作用力F減小，實(shí)現(xiàn)了緩沖效果，保護(hù)了運(yùn)動(dòng)員。在類比拓展中，學(xué)生可能會(huì)找到生活中用鐵錘錘釘子的例子，該現(xiàn)象確實(shí)運(yùn)用了動(dòng)量定理，應(yīng)對學(xué)生予以鼓勵(lì)，但仔細(xì)分析后不難發(fā)現(xiàn)，鐵錘錘釘子是通過減少接觸時(shí)間△t來增大作用力F，與上一個(gè)例子在本質(zhì)上是相同的，這就是所謂的過于相近的例子?？梢龑?dǎo)學(xué)生從基本公式出發(fā)，前面跳遠(yuǎn)使用沙坑緩沖和錘釘子的例子是考慮△t具備一定數(shù)值時(shí)的情況，是否可考慮△t為零的情況？大多數(shù)學(xué)生在查閱資料后都可以較快地給出答案，對于系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)沖量為零時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)量該變量也為零，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)量守恒。此時(shí)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對動(dòng)量守恒定律的充要條件進(jìn)行分析（系統(tǒng)所受合外力為零或某個(gè)方向合外力為零），并找出對應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。至此，學(xué)生能夠深入地理解動(dòng)量定理，而動(dòng)量守恒定律是動(dòng)量定律在特殊條件下的一個(gè)特例。

在小組完成以上四個(gè)部分后，實(shí)際上學(xué)生已經(jīng)較好地掌握了動(dòng)量定理。這時(shí)由小組派代表，采用上課的形式，以向教師匯報(bào)、討論、類比拓展的內(nèi)容為藍(lán)本，利用簡單的PPT課件向全班同學(xué)完整地講授動(dòng)量定理。

案例2：以電影為素材，結(jié)合費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧體會(huì)動(dòng)量守恒

將書籍、電影資料、網(wǎng)絡(luò)素材等課外資源融入教學(xué)過程已經(jīng)是比較常見的教學(xué)手段，這樣做最大的好處就是能夠吸引學(xué)生，改善課堂氣氛。從影像素材中用費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧挖掘物理學(xué)知識(shí)，可以讓學(xué)生覺得物理學(xué)更加親近。

《火星救援》是一部物理基礎(chǔ)相當(dāng)扎實(shí)的科幻電影。電影講述了馬克與他的團(tuán)隊(duì)成員在火星上執(zhí)行任務(wù)時(shí)遭遇了火星風(fēng)暴，導(dǎo)致其被遺漏于火星，進(jìn)而想方設(shè)法回地球的故事。教學(xué)中可以利用上課時(shí)間給學(xué)生播放電影，絕大多數(shù)學(xué)生對此類題材的電影還是感興趣的，至少電影在情節(jié)上能夠吸引學(xué)生。但觀影時(shí)要先布置給學(xué)生一些任務(wù)，要求學(xué)生要從電影找出跟物理學(xué)定律相關(guān)聯(lián)的情節(jié)。起初學(xué)生會(huì)專注于電影的情節(jié)，對于任務(wù)的安排可能不會(huì)太在意。教師此時(shí)可以在電影對應(yīng)的地方做示范，例如，大型空間站中的旋轉(zhuǎn)部分是用于在太空失重狀態(tài)下模擬地球重力環(huán)境，可以結(jié)合經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析。在轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，宇航員相對于轉(zhuǎn)動(dòng)艙靜止，與其共同做繞軸運(yùn)動(dòng)，為了提供做繞軸運(yùn)動(dòng)的向心力，宇航員與地板的接觸面間會(huì)產(chǎn)生作用力，地板會(huì)提供給宇航員支持力作為旋轉(zhuǎn)時(shí)的向心力，所以宇航員可以僅僅接觸到旋轉(zhuǎn)艙地面，相當(dāng)于是進(jìn)入到了重力環(huán)境。當(dāng)然要跟學(xué)生聲明，該技術(shù)雖然理論可行，但目前還無法實(shí)現(xiàn)，教師只要提醒學(xué)生更多地關(guān)注電影中的情節(jié)與物理學(xué)知識(shí)的結(jié)合就足夠了。

通過拋磚引玉，學(xué)生大致明白如何把教師的任務(wù)開展下去。此時(shí)教師可再提出問題，影片中阿瑞斯計(jì)劃中的升空器以及中國提供的太陽神號(hào)是如何飛行的？要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析，并在影片中找出其他的利用相同物理原理的類似案例（費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧環(huán)節(jié)一、二）。觀影完畢后，很多學(xué)生是可以大致描述出以上問題的答案，基本都能將航天器的飛行與動(dòng)量守恒定律聯(lián)系起來，且能夠舉出不少案例。例如，在片尾部分赫爾墨斯號(hào)在燃料極度緊缺的情況下通過炸開一個(gè)空間站的密閉艙來釋放艙內(nèi)空氣實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減速;馬克在升入太空后處于失重狀態(tài)，又沒有現(xiàn)成的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，此時(shí)可以通過戳破宇航服釋放氣體，使身體具備反向動(dòng)量飛向赫爾墨斯號(hào)等。學(xué)生在觀影中的思考以及觀影后的討論具有較強(qiáng)的目的性，很好地體現(xiàn)了費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧中的講授和類比拓展（費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧環(huán)節(jié)三、四）。學(xué)生在掌握動(dòng)量守恒定律的基礎(chǔ)上，既要運(yùn)用定律分析飛船飛行機(jī)理，又要在影片中找出同樣是運(yùn)用該定律的情節(jié)?？梢姡诮虒W(xué)中適當(dāng)結(jié)合影像資料、發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，可以使整個(gè)課程氣氛活躍、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚。

（二）費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧在實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)

首先，費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧在教學(xué)中實(shí)施時(shí)不確定因素較多，且學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和參與度都會(huì)對教學(xué)環(huán)節(jié)產(chǎn)生很大影響，這會(huì)占用更多的課上時(shí)間，因此如何合理把控時(shí)間對教師有較高的要求。其次，學(xué)生在教學(xué)中幾乎處于絕對的主體地位，特別是在面向全班學(xué)生的講授階段，教師務(wù)必要在反饋及類比拓展環(huán)節(jié)做好嚴(yán)格的審查，不允許出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，這也是教書育人的基本原則。再次，教學(xué)內(nèi)容的多樣性使得不是所有的知識(shí)點(diǎn)都適合應(yīng)用費(fèi)曼教學(xué)技巧進(jìn)行教學(xué)，畢竟最后一個(gè)環(huán)節(jié)需要類比，如果知識(shí)點(diǎn)僅僅是單純的概念或是介紹性質(zhì)的內(nèi)容，就不太適合類比，所以在教學(xué)實(shí)施中，教師必須提前對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行研判。

三、結(jié)語

雖然自然科學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)部分的教學(xué)相對于傳統(tǒng)大學(xué)物理課程的教學(xué)來說深度有所下降，但是依然具有范圍寬、公式定律多的特點(diǎn)?？茖W(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)更傾向于結(jié)合生活實(shí)際，基礎(chǔ)知識(shí)在生活中的運(yùn)用具有重要意義。通過在教學(xué)過程中運(yùn)用費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧，將學(xué)生置于課堂的絕對主體地位，教師承擔(dān)糾錯(cuò)、釋疑、引導(dǎo)的作用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這樣可以讓學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率得到提升。費(fèi)曼學(xué)習(xí)技巧的合理應(yīng)用對提高課堂活躍性和學(xué)生的綜合能力有很重要的意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：陳 明]