大學(xué)物理課教學(xué)的綜合改革

彭鵬

摘? 要：大學(xué)物理是化學(xué)專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課程之一，其教學(xué)改革對于各理科及工科專業(yè)教學(xué)均有借鑒意義。文章從梳理課程體系、改進更新課件內(nèi)容、提升與化學(xué)及化工類專業(yè)相關(guān)內(nèi)容、教學(xué)方法梳理等方面做了初步嘗試，從而增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，豐富課程內(nèi)容。同時，針對新冠肺炎疫情所帶來的線上教學(xué)比重明顯增加的現(xiàn)狀，文章對線上與線下同步進行課程改革也進行了探索和研究。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;基礎(chǔ)課;線上教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）17-0128-04

Abstract： College Physics is one of the basic courses for undergraduates majoring in chemistry， whose teaching reform has reference significance for the teaching of various science and engineering majors. The paper has made preliminary explorations on sorting out the curriculum system， upgrading the content of courseware， focusing on content related to chemistry and chemical engineering， summarizing teaching methods and so on， so as to enhance students' interest in learning and enrich the course content. Simultaneously， due to the impact of the "COVID-19" epidemic， the proportion of online teaching has increased significantly. In response to this situation， this article also discusses the curriculum reform of online and offline simultaneous teaching.

Keywords： College Physics; basic course; online teaching; teaching reform

根據(jù)蘭州大學(xué)化學(xué)大類本科生的培養(yǎng)方案，化學(xué)大類本科生在大二階段需要進行108課時的大學(xué)物理學(xué)習(xí)。大學(xué)物理是非物理類理工學(xué)科的一門重要的基礎(chǔ)課程，該課程旨在中學(xué)階段物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合微積分的高等數(shù)學(xué)內(nèi)容，深化學(xué)生對物理原理和現(xiàn)象的理解[1-5]。同時，大學(xué)物理課程還能培養(yǎng)非物理類學(xué)生的邏輯思維和分析解決問題的能力，例如歸納總結(jié)、對實際問題合理假設(shè)、建立數(shù)學(xué)模型解決問題。

與化學(xué)類課程相比，大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)有自身的獨特之處，因此，作為授課教師，也需要根據(jù)化學(xué)類等非物理類本科生的學(xué)科特點對自身的授課內(nèi)容及方式進行適當(dāng)調(diào)整才能取得較好的授課效果。除物理外，化學(xué)學(xué)科同樣是一門非常重要的基礎(chǔ)學(xué)科，而物理和化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)其實既有相似之處，也有明顯區(qū)別。因此，正確認(rèn)識物理和化學(xué)學(xué)科的區(qū)別與聯(lián)系對于面向化學(xué)類本科生講授大學(xué)物理課程具有重要的實際意義。在闡述上述物理與化學(xué)學(xué)科區(qū)別的同時，也需要認(rèn)識到物理與化學(xué)兩學(xué)科之間的密切聯(lián)系。

目前國內(nèi)院校針對非物理專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程的教學(xué)情況是：第一，學(xué)時普遍有所減少，例如蘭州大學(xué)某些專業(yè)原144課時減為108課時，原54課時減少為36課時等;第二，現(xiàn)代化教育手段，例如各類線上教學(xué)手段由于沒有實施的機會而運用不足;第三，由于學(xué)生入學(xué)后已經(jīng)通過報考選擇了相對心儀的專業(yè)方向，因此，非物理專業(yè)同學(xué)對于大學(xué)物理的學(xué)習(xí)常常是興趣不足;第四，由于各省教育水平以及學(xué)生自身水平的客觀差異，學(xué)生在基礎(chǔ)客觀上存在一定差別;第五，近幾年不同省份進行了高考改革嘗試，個別省份的部分考生為了取得較好的成績和排名而放棄學(xué)習(xí)較難的物理，因此入學(xué)后部分考生的物理基礎(chǔ)能力對大學(xué)物理教學(xué)有一定影響。作者在近幾年授課中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理內(nèi)容過于深奧抽象，且感覺物理與自己專業(yè)課程聯(lián)系不大，以致于學(xué)習(xí)主動性不足。

根據(jù)作者近幾年的教學(xué)體會，目前化學(xué)專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)在很多方面不適用于化學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的要求，主要表現(xiàn)在：

1. 在傳統(tǒng)的大學(xué)物理講授過程中，對于“立德樹人”的理解和認(rèn)識遠遠不夠。教育部在2018年8月提出立德樹人是教育的根本任務(wù)。同時，黨的十八大以來，全國高校思想政治工作不斷加強[5]。這就意味著，任何課程的建設(shè)都要融入思政教育元素。而傳統(tǒng)大學(xué)物理講授中無論是立德樹人還是課程中的思政建設(shè)都明顯不足。

2. 作為應(yīng)用極為廣泛的學(xué)科，化學(xué)學(xué)科的發(fā)展日新月異，特別是各類化學(xué)制備方法廣泛應(yīng)用于諸多功能材料（利用材料的熱、聲、光、電、磁等特性實現(xiàn)一定用途的材料，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料對應(yīng)），極大地拓寬了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展及應(yīng)用。

3. 大學(xué)物理教學(xué)，特別是非物理類大學(xué)物理課程的內(nèi)容對學(xué)生的專業(yè)、學(xué)科沒有區(qū)分，往往容易忽視物理學(xué)與化學(xué)等其他專業(yè)之間的區(qū)別，因此無法充分吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及熱情。

4. 傳統(tǒng)授課以教師講述為主。根據(jù)高校各專業(yè)培養(yǎng)方案改革和“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的培養(yǎng)要求，使得非物理專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的物理教學(xué)課程的時間減少，但是相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容以及難度增加。

5. 隨著網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展，與傳統(tǒng)線下教學(xué)相對應(yīng)的線上教學(xué)逐步走入大學(xué)課堂，而線上教學(xué)并不是最初某些學(xué)者所認(rèn)為的傳統(tǒng)面對面教學(xué)的替代者。與之相反，線上與線下教學(xué)呈逐漸融合趨勢，并很可能成為未來教育的“新常態(tài)”[2]。

6. 同時，還有其他客觀因素影響大學(xué)物理課程的講授。由于大學(xué)擴招以及學(xué)校學(xué)科發(fā)展的需求，很多大學(xué)均會出現(xiàn)多校區(qū)辦學(xué)的情況。由于蘭州大學(xué)本科生的教學(xué)點地處距離市區(qū)四十公里之外的榆中校區(qū)，而授課教師基本在課后會回市區(qū)，因此課堂和課后師生間互動較少，教學(xué)質(zhì)量降低。

本文根據(jù)作者在對蘭州大學(xué)化學(xué)院本科生講授大學(xué)物理課程中的實際情況，以提高化學(xué)等非物理類方向大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量，依據(jù)大學(xué)物理教學(xué)的目標(biāo)與要求，結(jié)合化學(xué)專業(yè)特色，注重物理與化學(xué)學(xué)科的區(qū)別與聯(lián)系，開展對化學(xué)等非物理專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)模式改革的探討。

針對上述六點作者在具體授課過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本文的改革方案如下：

1. 積極探索樹立立德樹人、融入思政教育的有效途徑?！傲⒌聵淙恕钡囊笫屈h和國家對當(dāng)代教育提出的期望，作為基礎(chǔ)自然科學(xué)的大學(xué)物理課程自然不辱使命。德育是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不懈動力?！暗隆弊鳛榇髮W(xué)生必不可缺的最基本素養(yǎng)，如果沒有掌握正確的價值觀、理想觀，無論有多么淵博的知識也會使它失去其真正的意義。事實上，類似于大學(xué)物理這樣探索客觀世界物質(zhì)規(guī)律的學(xué)科，很容易找到培養(yǎng)學(xué)生德育工作的途徑和渠道。例如，作者在講授萬有引力時，可以專門安排一定的時間給學(xué)生講解人造天體，例如衛(wèi)星在外太空圍繞地球的運動，同時可以加入高中階段學(xué)生沒有涉及的一些較為復(fù)雜的引力應(yīng)用方面的知識。比如以下問題：以我國的“嫦娥”探月航天器為例，它是否沿直線路徑從地球飛向月球著落？如果不按照直線路徑原因何在？又例如2021年5月22日，我國“天問一號”火星探測任務(wù)火星車祝融號成功降落在火星表面，此前美國實現(xiàn)了火星探測器在火星著陸并且進行了科學(xué)探測，如今中國也實現(xiàn)了同樣的挑戰(zhàn)。中國進行的第一次火星探測項目，就將祝融號火星探測器送往了火星表面，這是中國航天探索的一個新的突破。作為我國以及人類探索外太空的一個里程碑事件，“天問一號”在地球與火星之間的航行過程為何需要多次變軌？“祝融號”火星車的著陸過程可簡要分為哪幾個階段？通過讓學(xué)生的思考引入更高階的萬有引力運用場景：引力的“彈弓效應(yīng)”，從而激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和學(xué)習(xí)熱情。

2.將化學(xué)史和化學(xué)尖端貫穿融入到物理課的教學(xué)中去。為了提高化學(xué)學(xué)科同學(xué)學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)融合化學(xué)史的發(fā)展，同時適當(dāng)介紹當(dāng)前化學(xué)發(fā)展尖端領(lǐng)域的物理應(yīng)用。沒有化工就沒有工業(yè)，人類社會發(fā)展至今，我們的衣食住行各個維度其根本都是依賴化工提供的原材料和輔助品，正是由于化工的發(fā)展，人類社會才有了如此豐富的物質(zhì)生活。例如，高分子材料與化學(xué)有極為密切的聯(lián)系，按來源分為天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子是存在于動物、植物及生物體內(nèi)的高分子物質(zhì)，可分為天然纖維、天然樹脂、天然橡膠、動物膠等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡膠和合成纖維三大合成材料，此外還包括膠黏劑、涂料以及各種功能性高分子材料。又如廣泛應(yīng)用于各類電子顯示器件上的OLED顯示材料等。

而同時，物理是化學(xué)的基礎(chǔ)，比化學(xué)更加基本，普通化學(xué)研究的是構(gòu)成物質(zhì)的分子的原子的分解和重新組合的規(guī)律，研究層次主要在分子和原子兩個層次上，只對化學(xué)反應(yīng)規(guī)律進行總結(jié)整理和加以應(yīng)用;物理學(xué)則需要研究一切自然現(xiàn)象，研究的現(xiàn)象包括力、熱、光、電等各方面，研究的對象涵蓋基本粒子（如質(zhì)子、中子、電子）、亞原子粒子（如原子核）、原子、分子、微粒（顆粒）、宏觀物體、天體、星系直至整個宇宙，以探索物質(zhì)的運動規(guī)律及其動因為根本任務(wù)。物理學(xué)與其他學(xué)科結(jié)合產(chǎn)生了大量交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科，如天體物理、物理化學(xué)等，其范圍之廣、內(nèi)容之深是化學(xué)無法比擬的;物理學(xué)理論（特別是熱力學(xué)、量子理論等）在更加基本的層次上解釋和闡明了化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的成因，而化學(xué)規(guī)律則可以檢驗和證明物理理論正確與否;容易發(fā)現(xiàn)，化學(xué)（廣義上的）體系中的物理化學(xué)（包含熱化學(xué)、電化學(xué)等）等分支學(xué)科帶有很明顯的物理理論（熱力學(xué)、量子理論等）的痕跡，例如熱化學(xué)與熱力學(xué)中最基本的內(nèi)容幾乎完全一致，而對于元素周期律以及化學(xué)鍵理論的解釋則離不開原子物理學(xué)和現(xiàn)代量子力學(xué)，甚至還用到了相對論，這些在物理化學(xué)中是非常明顯的特征。化學(xué)就是在物理學(xué)的影響下發(fā)展起來的學(xué)科，也是受物理學(xué)影響最深的學(xué)科。任何事物的作用是相互的，物理與化學(xué)間的影響也是相互作用的，在化學(xué)發(fā)展壯大的同時，它又促進了物理學(xué)的發(fā)展，比如，化學(xué)中對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，提出原子理論等理論。這些化學(xué)上的成就促進了物理學(xué)中材料的研究與進展，有利于對導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體等導(dǎo)電的微觀原理進行研究。所以說，物理與化學(xué)有著密切的聯(lián)系。

3. 結(jié)合專業(yè)特色，改革教學(xué)內(nèi)容。針對化學(xué)專業(yè)的特點，在根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)框架保證基本教學(xué)內(nèi)容的前提下，需要預(yù)留一定的學(xué)時，并根據(jù)學(xué)生專業(yè)的緊密程度作出調(diào)整。例如，力學(xué)和運動學(xué)部分，針對化學(xué)專業(yè)的同學(xué)已經(jīng)在高中階段比較熟悉的牛頓運動定律、作功、動能及動能定理、勢能、動量及動量守恒等內(nèi)容，著重講授通過微積分加深對于各物理量及相關(guān)定理定律的理解。而對于高中階段沒有接觸到的內(nèi)容，例如保守力、質(zhì)心運動定理、角動量和力矩等，則要予以側(cè)重。剛體及其運動是高中階段完全沒有涉及的內(nèi)容，在這里，要重點強調(diào)剛體的理想固體屬性。由于大學(xué)物理范疇內(nèi)所研究的剛體運動主要是其轉(zhuǎn)動，因此，在考慮與角動量和力矩等內(nèi)容密切結(jié)合的前提下，可以引入在化學(xué)中較為常見的攪拌等現(xiàn)象予以輔助說明。而對于化學(xué)中已經(jīng)涉及較多的內(nèi)容，比如氣體、固體和液體的基本性質(zhì)等，則對涉及的分子運動規(guī)律進行簡單介紹。此外，還需要注意到當(dāng)前通過化學(xué)法制備各類新型的納米材料是化學(xué)學(xué)科的一個發(fā)展熱點和方向，而很多材料在納米尺度上量子效應(yīng)是不能忽視的，如電子材料相關(guān)的理論全要用到量子力學(xué)。因此，需要適度增加量子力學(xué)部分的內(nèi)容。

4. 師生合力，共同打造互動討論式教學(xué)模式。傳統(tǒng)大學(xué)物理課堂內(nèi)容多以教師講述為主，由于少課時等原因，以致于單憑教師講授，很多抽象的原理學(xué)生并不能深入理解，但是相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容以及難度卻在逐漸增加。倘若不能吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果仍然會大打折扣[6-7]。因此，作者在教學(xué)中，有意識地選擇一些重要的專題內(nèi)容，由學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、交流合作和討論的方式進行自行學(xué)習(xí)。例如，在講授運動學(xué)內(nèi)容時，在講授完作功及動能和勢能的有關(guān)概念之后，對于例題會鼓勵學(xué)生從能量角度解決，從而挖掘?qū)W生的自學(xué)能力和自學(xué)意識。在講解題目解法時，鼓勵學(xué)生站到講臺上給其他學(xué)生講授，講授完畢以后，由其他學(xué)生在課堂上繼續(xù)講授自己的不同解法，開展學(xué)生的自評和互評，整個過程中讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)起主導(dǎo)作用。

5. 深入推進線上線下教育結(jié)合。隨著網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展，與傳統(tǒng)線下教學(xué)相對應(yīng)的線上教學(xué)逐步走入大學(xué)課堂，而線上教學(xué)并不是最初某些學(xué)者所認(rèn)為的傳統(tǒng)面對面教學(xué)的替代者。與之相反，混合式教學(xué)之所以被普遍看好，一方面，它將在線教學(xué)與面授教學(xué)有機結(jié)合，形成優(yōu)勢互補。這樣，既能充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，又能充分體現(xiàn)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。另一方面，混合式教學(xué)將移動終端、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)有機地整合到學(xué)習(xí)活動中，有助于進一步推動教學(xué)模式的變革。

由于新冠肺炎疫情的影響，占主要作用的傳統(tǒng)課堂教學(xué)受到了極大沖擊，為了保證應(yīng)有的教學(xué)秩序和教學(xué)質(zhì)量，線上教學(xué)在國內(nèi)外大范圍開展，成為國內(nèi)疫情期間甚至國外當(dāng)前教學(xué)的主要方式。根據(jù)教育部要求，要進一步做好在線教育教學(xué)，既要明確當(dāng)前線上教學(xué)“教什么”和“怎么教”，又要不斷探索開學(xué)后課堂教學(xué)與線上教育的有機結(jié)合。工作中要加強學(xué)生居家學(xué)習(xí)指導(dǎo)，規(guī)范線上教學(xué)組織行為，不斷豐富學(xué)習(xí)資源，加強以愛國主義教育為主要內(nèi)容的思想引導(dǎo)，關(guān)心學(xué)生身心健康。作者所承擔(dān)的大學(xué)物理課程在2020年上半年授課中就明顯感受到了這種影響，線上授課過程中由于不能有效督促學(xué)生的學(xué)習(xí)，所以為了避免學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)下滑，做到“停課不停教、停課不停學(xué)”，作者也從一開始的不適應(yīng)、不熟悉到通過特殊時期的特殊體驗，對于線上和線下教學(xué)的結(jié)合有所收獲。在初期準(zhǔn)備線上教學(xué)時，不僅要考慮上課設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)保障、操作熟悉、上課內(nèi)容的規(guī)劃，更要考慮如何在線上教學(xué)過程中保證教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

首先，直播平臺的選擇，不同授課教師的選擇有區(qū)別，而學(xué)校推薦的學(xué)習(xí)通等由于上課時間平臺人數(shù)過多，往往授課不暢。因此，在初期的幾次授課后，和學(xué)生統(tǒng)一用騰訊會議授課，每次建立新的會議鏈接，然后學(xué)生進入，有效避免了上課時段網(wǎng)絡(luò)不暢等問題。同時，為了及時通知聯(lián)系學(xué)生，并及時解答學(xué)生的問題，作者另外建立一個學(xué)生發(fā)言的“QQ交流答疑群”。其次，長期放假在家容易使學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)渙散，為了保持必要的授課紀(jì)律以及學(xué)習(xí)狀態(tài)，在課堂紀(jì)律方面予以強調(diào)：一是準(zhǔn)時上課，不遲到早退;二是課上認(rèn)真傾聽、積極思考，不閑聊刷屏;三是作業(yè)及時完成，按要求提交。第三是線上教學(xué)其實有利于學(xué)生自主完成任務(wù)，因此，教學(xué)形式可以更加靈活多樣，教學(xué)內(nèi)容可以更加豐富，對于授課教師而言，可以選擇豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，例如國內(nèi)外關(guān)于實驗環(huán)節(jié)的視頻等，促進學(xué)生對所學(xué)知識的掌握。

綜上所述，物理學(xué)的發(fā)展促進了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，同時大學(xué)物理課程要緊跟當(dāng)代科技前沿方向，大學(xué)物理課程設(shè)置及講授方式和內(nèi)容也必須推陳出新。因此，以化學(xué)專業(yè)為代表的大學(xué)物理教學(xué)改革勢在必行。通過作者上述列舉的一系列改革，不僅可以讓學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)大學(xué)物理，緊密地聯(lián)系學(xué)生的專業(yè)知識，緊跟科技前沿，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生更全面的科學(xué)素養(yǎng)和更好的科技創(chuàng)新能力。

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