生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)探索與實(shí)踐

張 亮

（空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 陜西·西安 710032）

0 引言

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律的學(xué)科，是自然科學(xué)和工程技術(shù)的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)代科學(xué)各領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展都離不開物理學(xué)的支撐，特別是醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域每一項(xiàng)技術(shù)革新都與物理學(xué)的新成就和新發(fā)現(xiàn)息息相關(guān)。因此，作為醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域發(fā)展的骨干力量，在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的素質(zhì)培養(yǎng)體系中，物理學(xué)具有十分重要的地位。

大學(xué)物理作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修的公共基礎(chǔ)課，不僅是后續(xù)其他專業(yè)課程的根基，還能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和探索精神，提高科學(xué)文化素養(yǎng)，為將來的研究或技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，各種信息化手段已逐漸融入各大院校，大學(xué)物理的教學(xué)模式也在不斷更新升級(jí)。從傳統(tǒng)的板書授課到微課、[1]慕課、[2]翻轉(zhuǎn)課堂、[3]雨課堂；[4]文字、聲音、圖像、視頻等多媒體要素不斷豐富著教學(xué)手段，增強(qiáng)授課過程的親和力和時(shí)代氣息。同時(shí)，大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容也在與時(shí)俱進(jìn)，更貼近實(shí)踐應(yīng)用，更匹配相關(guān)的專業(yè)課程體系。[5]但是，我們也應(yīng)當(dāng)看到：由于專業(yè)跨度較大和課程設(shè)置的復(fù)雜性，“物理難學(xué)”的聲音在醫(yī)工專業(yè)學(xué)生中依然回響，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣難以激發(fā)的問題依舊存在。因此，在教學(xué)手段之硬件和教學(xué)內(nèi)容之軟件都在不斷更新升級(jí)的今天，如何“軟”“硬”結(jié)合以提高教學(xué)質(zhì)量，讓醫(yī)工專業(yè)的學(xué)生真正在大學(xué)物理這門課程的學(xué)習(xí)中有所思、有所悟、有所獲，這是所有大學(xué)物理教員常備不怠的重要課題。

要充分利用課堂教學(xué)這個(gè)平臺(tái)，將“軟件”加載到“硬件”上，教員的教學(xué)理念和教學(xué)方法至關(guān)重要。本文結(jié)合本校大學(xué)物理課程和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，基于自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出并探討了一種新的教學(xué)理念和可供參考的教學(xué)新方法，旨在提升生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)其綜合素質(zhì)的提升。

1 大學(xué)物理課程性質(zhì)分析

大學(xué)物理課程的教學(xué)目的是使學(xué)生深入系統(tǒng)的掌握物理基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)和基本技能，從而為其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)特別是進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新技術(shù)，不斷更新知識(shí)，以及將來從事本專業(yè)工作，奠定必要的基礎(chǔ)。其特點(diǎn)在于：

1.1 基礎(chǔ)性

大學(xué)物理主要學(xué)習(xí)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，每部分內(nèi)容后續(xù)都有專業(yè)基礎(chǔ)課程與之對(duì)接深化?；A(chǔ)課程的意義是隱性的，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)覺得很重要，但沒有重要在哪的實(shí)感，學(xué)習(xí)能動(dòng)性受興趣牽引的情況較普遍。教員在授課時(shí)也會(huì)面臨深度把握問題：要么過于深?yuàn)W，內(nèi)容無趣；要么生動(dòng)有余，內(nèi)涵不足。

1.2 全面性

大學(xué)物理內(nèi)容有力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對(duì)論以及量子物理，涵蓋了近代物理學(xué)發(fā)展的主要領(lǐng)域，范圍廣，跨度大，內(nèi)容豐富。在有限時(shí)間內(nèi)，學(xué)生要記清楚、學(xué)明白，是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。教員在授課中面臨內(nèi)容取舍問題：內(nèi)容多了，時(shí)間不夠，講不完；內(nèi)容少了，缺乏系統(tǒng)性，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)容易產(chǎn)生影響。

1.3 連貫性

大學(xué)課程設(shè)置大部分都可以看成環(huán)環(huán)相扣的鎖鏈?zhǔn)皆O(shè)置，每一門課程都是這條鎖鏈的重要環(huán)節(jié)：高等數(shù)學(xué)是大學(xué)物理的預(yù)修課程，是大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)；同時(shí)，大學(xué)物理又是后續(xù)其他專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。這樣連貫緊湊的設(shè)定，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中面臨壓力：一旦哪個(gè)環(huán)節(jié)掉了鏈子，對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)將會(huì)產(chǎn)生影響；同時(shí)也對(duì)教員提出了要求：要清醒的認(rèn)識(shí)大學(xué)物理課程的前后定位，充分的統(tǒng)御大學(xué)物理課程內(nèi)容，在教學(xué)過程中能夠做到放的瀟灑，收的自如，行的恰當(dāng)，止的及時(shí)。

1.4 融合性

當(dāng)前，學(xué)科發(fā)展正逐漸呈現(xiàn)出融合趨勢(shì)，傳統(tǒng)經(jīng)典學(xué)科的界限被不斷打破，學(xué)科邊界也被重新劃分。課程教學(xué)過程中，知識(shí)點(diǎn)也不再是單一離散的出現(xiàn)，而是高度融合于某一示例或現(xiàn)象。特別針對(duì)醫(yī)工專業(yè)的學(xué)生，大學(xué)物理課程教學(xué)不再是一個(gè)實(shí)驗(yàn)或示例對(duì)應(yīng)單一知識(shí)點(diǎn)，而應(yīng)當(dāng)緊密聯(lián)系醫(yī)學(xué)應(yīng)用背景，讓學(xué)生盡可能的了解所學(xué)知識(shí)與今后工作之間的潛在關(guān)聯(lián)。

2 醫(yī)工專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)分析

大學(xué)物理通常開設(shè)于大一下半學(xué)年和大二上半學(xué)年，該階段的醫(yī)工專業(yè)學(xué)生有如下特點(diǎn)：

（1）學(xué)習(xí)興趣強(qiáng)，好學(xué)敢問。學(xué)生在入學(xué)時(shí)都有較好的基礎(chǔ)，且對(duì)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域懷有一定的好奇心與興趣，在學(xué)習(xí)過程中能夠保留較高的學(xué)習(xí)初始積極性，面對(duì)疑難敢于提問。

（2）事物繁雜，精力有限。剛踏入大學(xué)校園，除了學(xué)習(xí)，學(xué)生還要面對(duì)各種事物：生活瑣碎、人際交往、校園活動(dòng)等。精力消耗較大，將直接影響課堂與課下的學(xué)習(xí)效果。

（3）課程種類多，時(shí)間壓縮。醫(yī)工專業(yè)學(xué)生所需學(xué)習(xí)的課程種類多，且課程門類跨度相對(duì)較大，要求較嚴(yán)。學(xué)生需要足夠的時(shí)間來滿足每門課程的學(xué)習(xí)要求，時(shí)間利用率高，壓力大。同時(shí)，近年來部分院校正在逐漸優(yōu)化調(diào)整課程教學(xué)體系以適應(yīng)學(xué)?，F(xiàn)代化建設(shè)需要。不少課程的教學(xué)課時(shí)量有所壓縮。

（4）能動(dòng)性易失，目標(biāo)不明。盡管大部分學(xué)生出于興趣報(bào)考了該專業(yè)，但對(duì)本專業(yè)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的定位和作用并不清楚，甚至有些學(xué)生是調(diào)劑到本專業(yè)。因此，部分學(xué)生在入學(xué)一段時(shí)間后，容易迷茫，失去前進(jìn)目標(biāo)，學(xué)習(xí)動(dòng)力逐漸不足，學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性缺失，最終學(xué)習(xí)過程易受個(gè)人喜好和興趣的牽引，對(duì)有趣的課程投入較多，無趣或者難度較大的課程易放棄。

3 框架式閉環(huán)大學(xué)物理課程教學(xué)理念

3.1 “根強(qiáng)枝壯”的知識(shí)框架目標(biāo)

針對(duì)大學(xué)物理課程的基礎(chǔ)性、連貫性以及醫(yī)工專業(yè)學(xué)生時(shí)間緊，精力有限等特點(diǎn)，可以嘗試將教學(xué)的重點(diǎn)目標(biāo)放在構(gòu)建學(xué)生的大學(xué)物理知識(shí)框架上。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于通過知識(shí)框架的構(gòu)建，學(xué)生能夠快速的統(tǒng)攬學(xué)習(xí)內(nèi)容，了解學(xué)習(xí)重點(diǎn)和各知識(shí)要點(diǎn)在整個(gè)課程內(nèi)容中的存在意義，節(jié)省學(xué)習(xí)時(shí)間和精力消耗，提高學(xué)習(xí)效率，便于后續(xù)學(xué)習(xí)過程中隨時(shí)回顧。

這種框架式教學(xué)主要是為學(xué)生提供一種對(duì)知識(shí)理解的概念框架，是為促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)一步理解而存在，重視學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展和學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提倡發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，注重直覺思維。其代表性理論是布魯納的結(jié)構(gòu)主義教學(xué)。[6]

但是，這種模式不能生搬硬套。傳統(tǒng)的框架式教學(xué)主要包含三個(gè)階段：骨架學(xué)習(xí)（結(jié)構(gòu)）、表格整理（砌磚）、習(xí)題鞏固（粉飾）。通過三個(gè)階段大容量、快節(jié)奏、多反復(fù)的構(gòu)建，最終形成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系框架。但對(duì)于時(shí)間和精力有限的學(xué)生而言，這些工作疊加在一起反而容易增加學(xué)習(xí)壓力，適得其反。因此，知識(shí)框架構(gòu)建不能由教員主導(dǎo)，而應(yīng)當(dāng)是通過啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的理解來主導(dǎo)。這樣可以加深印象，進(jìn)而減少構(gòu)建工作的反復(fù)性。教員的主要任務(wù)是講清楚各知識(shí)要點(diǎn)之間的內(nèi)在邏輯，讓框架內(nèi)各要素的聯(lián)系更加緊密，枝干更加穩(wěn)固。同時(shí)，充分理解大學(xué)物理的基礎(chǔ)性，可以適當(dāng)弱化學(xué)生對(duì)大學(xué)物理各章節(jié)具體內(nèi)容的鞏固。因?yàn)閷W(xué)生可以在后續(xù)專業(yè)課程中進(jìn)一步加深相關(guān)內(nèi)容的理解。通過后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，可以繼續(xù)對(duì)該框架的枝葉部分進(jìn)行填充完善，最終構(gòu)建一個(gè)與自己所學(xué)專業(yè)相對(duì)應(yīng)，且“枝繁葉茂”的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

3.2 “四于一體”的閉環(huán)教學(xué)思路

物理學(xué)研究來源于實(shí)踐，其成果最終也要回歸實(shí)踐。大學(xué)物理的教學(xué)也應(yīng)當(dāng)如此。教學(xué)內(nèi)容的出發(fā)點(diǎn)源于現(xiàn)象，分析解決問題的本質(zhì)落于模型，研究過程中得到的答案結(jié)于規(guī)律，最終成果的轉(zhuǎn)換和運(yùn)用要?dú)w于現(xiàn)實(shí)。通過現(xiàn)象認(rèn)知激發(fā)學(xué)生興趣，觀察現(xiàn)象特征，凝練出研究問題；通過解析問題，聯(lián)系現(xiàn)有知識(shí)對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；解析數(shù)學(xué)模型，討論其中的可變參量，最終總結(jié)規(guī)律，得到成果；將所得成果緊密聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生能夠進(jìn)一步感受所學(xué)有用，所得有益，或以實(shí)際需求為牽引，結(jié)合學(xué)科交叉與融合，將所得成果應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中（如圖1 所示）。

圖1 閉環(huán)式教學(xué)思路

這種“四于一體”的閉環(huán)式教學(xué)思路，既遵循大學(xué)物理課程教學(xué)過程的基本思路，又能貼近“醫(yī)工特色”與“服務(wù)醫(yī)學(xué)”的教學(xué)需求，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其主觀能動(dòng)性，使得課堂教學(xué)效果提升。

3.3 基于框架式閉環(huán)理念的幾種教學(xué)實(shí)踐方法

（1）“內(nèi)容—結(jié)構(gòu)”相對(duì)應(yīng)的幻燈+板書設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代課堂教學(xué)中，幻燈演示已基本替代了板書。這種方法的優(yōu)勢(shì)是形式多樣，內(nèi)容豐富，易吸引人；不足之處在于“流水式”的演示讓人很難對(duì)比前文進(jìn)行思考，且學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)幻燈的依賴性增加，對(duì)教材的關(guān)注度反而減少。部分教員也會(huì)配合幻燈進(jìn)行板書，但板書內(nèi)容比較零散，與幻燈缺乏聯(lián)系性。因此，基于框架式教學(xué)理念，課堂教學(xué)可以采用“內(nèi)容—結(jié)構(gòu)”相對(duì)應(yīng)的幻燈+板書設(shè)計(jì)方法?；脽糁饕糜谘菔窘虒W(xué)內(nèi)容，而板書則重點(diǎn)展示本次課的思想、要點(diǎn)及其之間的聯(lián)系。這樣學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中，可以隨時(shí)對(duì)本次課“內(nèi)容”與“結(jié)構(gòu)”進(jìn)行比較，便于其在學(xué)習(xí)過程中加強(qiáng)理解，為構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)框架打下基礎(chǔ)。

（2）借用計(jì)算機(jī)仿真軟件輔助教學(xué)。數(shù)學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)過程中起到至關(guān)重要的作用。由于大學(xué)物理開設(shè)于入學(xué)初期階段，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和功底并不深厚，導(dǎo)致其在學(xué)習(xí)過程中面對(duì)很多數(shù)學(xué)建模問題難以理解，進(jìn)而造成了“物理難學(xué)”的主觀印象。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷成熟的今天，利用相關(guān)的計(jì)算軟件來輔助大學(xué)物理教學(xué)，可以彌補(bǔ)學(xué)生數(shù)學(xué)功底不深帶來的理解困難，提升教學(xué)效率。[7]同樣，教員也可以在教學(xué)過程中借用計(jì)算機(jī)物理仿真軟件來對(duì)一些抽象化的問題進(jìn)行建模仿真。一方面可以通過實(shí)際操作，將抽象問題具象化，進(jìn)一步增強(qiáng)課堂教學(xué)的感受性和互動(dòng)性；另一方面，由于這些軟件都是當(dāng)前科學(xué)研究和工程實(shí)踐過程中不可或缺的工具，通過課堂接觸，有利于學(xué)生提前了解，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。

（3）基于研究課題挖掘與課程的連接點(diǎn)。不少教員都有自己的科研課題，這些都是潛在的教學(xué)素材。從課題中挖掘問題要點(diǎn)，將之與大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。既可以增強(qiáng)課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系，又能讓學(xué)生近距離接觸科學(xué)研究和工程探索，激發(fā)其對(duì)科研工作的興趣。

4 結(jié)語

關(guān)于提升大學(xué)物理的課堂教學(xué)質(zhì)量，很多專家學(xué)者都有思考。[8-10]對(duì)于一些共性的結(jié)論：物理內(nèi)容的熟悉和理解、教育學(xué)的一般原理、時(shí)間的投入等，這里不再贅述。本文主要從教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合本校大學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，提出一些觀點(diǎn)：以構(gòu)建牢固的知識(shí)框架為目標(biāo)，適度減輕學(xué)生時(shí)間和精力負(fù)擔(dān)，提高學(xué)習(xí)效率；以“實(shí)踐—模型—結(jié)論—實(shí)踐”的閉環(huán)模式為教學(xué)思路，激發(fā)學(xué)生的興趣和主觀能動(dòng)性；借用計(jì)算機(jī)仿真軟件，提升課堂教學(xué)互動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的感受性；適時(shí)聯(lián)系科研課題，增加學(xué)生接觸科學(xué)研究和工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)，提高課堂教學(xué)與實(shí)踐的緊密性。希望這些觀點(diǎn)能夠進(jìn)一步促進(jìn)同行們的思考與探討，為進(jìn)一步提醫(yī)科院校大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量拋磚引玉。