面向工程能力培養(yǎng)的大學(xué)物理教學(xué)模式創(chuàng)新

王秀珍 張瑞瑞

（鄭州科技學(xué)院基礎(chǔ)部 河南·鄭州 450064）

0 引言

大學(xué)物理是以高中物理作為基礎(chǔ)進(jìn)行的深入研究，是各個(gè)工程類技術(shù)人員必須要掌控的一門學(xué)科，在培養(yǎng)大學(xué)生工程能力的過(guò)程中，需要教師有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度和不斷創(chuàng)新的精神理念。伴隨大學(xué)教育體系不斷改革的情況下，大學(xué)教師需要適應(yīng)以培養(yǎng)工程能力人才為主的教學(xué)改革，從而為國(guó)家培養(yǎng)出更多的工程人才。

1 傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)的問(wèn)題

1.1 教學(xué)內(nèi)容過(guò)時(shí)

一直以來(lái)，大學(xué)物理工程類課程的教學(xué)模式給人的印象多是理論為主，缺乏實(shí)踐課程，其次教學(xué)內(nèi)容脫離社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用，這會(huì)讓許多學(xué)生以應(yīng)付式學(xué)習(xí)為主，能通過(guò)考試拿到學(xué)分為主導(dǎo)，從本質(zhì)上對(duì)大學(xué)物理工程課程產(chǎn)生厭惡感。而且有一部分教師在講課過(guò)程中注重理論的推導(dǎo)和講解，缺乏實(shí)踐性，過(guò)于理論化的大學(xué)物理工程課程教學(xué)內(nèi)容枯燥乏味，這勢(shì)必使學(xué)生對(duì)物理課程失去興趣。

1.2 大學(xué)物理教學(xué)方法單一

以大學(xué)物理教學(xué)模式而言主要是“課件+PPT”的教學(xué)模式，與傳承的板書(shū)而言有一定的優(yōu)勢(shì)，但是這樣的教學(xué)會(huì)使學(xué)生缺乏實(shí)踐能力，在PPT的教學(xué)模式中，教師會(huì)以圖片、視頻等對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，雖然能給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)沖擊的效果，但是會(huì)使學(xué)生缺乏實(shí)踐能力，使學(xué)生的工程能力得不到合理的培養(yǎng)，再好的理念不進(jìn)行實(shí)踐也很難使學(xué)生把握理論的重點(diǎn)，這將不利于應(yīng)用型物理工程能力人才的培養(yǎng)。

1.3 大學(xué)物理考核方式簡(jiǎn)單

大學(xué)的物理考核形式主要是以期末試卷加平時(shí)課堂表現(xiàn)兩部分組成，各個(gè)學(xué)校在根據(jù)自己的教學(xué)理念和模式進(jìn)行細(xì)微化的調(diào)整。但是這一考核方式過(guò)于簡(jiǎn)單，忽視了學(xué)生的物理應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新能力，使學(xué)生對(duì)物理課程產(chǎn)生較大的誤解，認(rèn)為大學(xué)物理只是基礎(chǔ)知識(shí)課程，不具備實(shí)踐性，只要考試前記住公式和題目，考試到達(dá)60的及格標(biāo)準(zhǔn)從而拿到學(xué)分就行，這種教學(xué)模式會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的不良學(xué)習(xí)風(fēng)氣的產(chǎn)生，進(jìn)而出現(xiàn)學(xué)習(xí)態(tài)度松散、逃課等現(xiàn)象。

2 搭建多樣化的教學(xué)模式

2.1 教學(xué)內(nèi)容的加深與廣闊

目前，我國(guó)大多數(shù)大學(xué)的理工科的物理教學(xué)時(shí)間較短，一周約3節(jié)大課，教學(xué)內(nèi)容廣泛且淺顯，做不到與時(shí)俱進(jìn)，所選用的教材以電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、原子學(xué)等5個(gè)方面進(jìn)行綜合教學(xué)。具體教學(xué)內(nèi)容在根據(jù)專業(yè)的不同而進(jìn)行分類，如：機(jī)械專業(yè)以力學(xué)電學(xué)為主，開(kāi)設(shè)工程力學(xué)、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等。在西方的工程人才培養(yǎng)體系中，物理預(yù)科教學(xué)至關(guān)重要，第一學(xué)年開(kāi)設(shè)的課程分 PTSI、PCSI、MPSI，第二年以 MP、PT、PC、PSI。在這些課程中，M代表數(shù)學(xué)，P代表物理，C代表化學(xué)，T代表技術(shù)，SI代表工程科學(xué)。在中西學(xué)院中采用西方的精英預(yù)科教學(xué)模式，按照西方教學(xué)大綱進(jìn)行教學(xué)，但是教學(xué)內(nèi)容不能很好地融入中國(guó)本土，其中大一大二采用物理化學(xué)工程學(xué)為主的教學(xué)大綱，在大三的教學(xué)中使用物理工程科學(xué)的教學(xué)大綱，由此可以看出西方的教學(xué)偏向于物理和化學(xué)，這能為學(xué)生提供一個(gè)良好的物理知識(shí)基礎(chǔ)，從而為學(xué)生提供具有系統(tǒng)化的知識(shí)網(wǎng)，使學(xué)生能有效地解決物理工程問(wèn)題。表一為中西方教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)的對(duì)比。

從表1可以看出，中國(guó)科技大學(xué)物理教學(xué)時(shí)間為170學(xué)時(shí)，南京大學(xué)物理基礎(chǔ)教學(xué)時(shí)間為161學(xué)時(shí)，中歐學(xué)院物理教學(xué)時(shí)間為456學(xué)時(shí)，此外還有200學(xué)時(shí)的作業(yè)問(wèn)題指導(dǎo)課。學(xué)生學(xué)時(shí)差過(guò)大，反映了大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容在廣度和深度上的差距。教師在大量的學(xué)時(shí)基礎(chǔ)上，給學(xué)生灌輸了大量的知識(shí)，使學(xué)生掌握了充分的基礎(chǔ)知識(shí)，養(yǎng)成了高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)習(xí)慣，進(jìn)一步形成系統(tǒng)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，奠定了工科基礎(chǔ)。

表1：工科專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)對(duì)比匯總表學(xué)時(shí)

物理學(xué)預(yù)科教學(xué)分三年進(jìn)行，具體教學(xué)內(nèi)容見(jiàn)表2。大一的課程包括質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)基本原理、功和能量的關(guān)系、自由諧振子和相圖等，從力學(xué)的角度講，共28課時(shí)。第二個(gè)是動(dòng)量矩定理，諧振子相圖，非慣性系力學(xué)等，共48學(xué)時(shí)。本課程包括流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)及守恒定律的應(yīng)用等，共40課時(shí)。機(jī)械式模組的內(nèi)容每年都有涉及，教授的深度也逐年增加。這是物理預(yù)科教學(xué)的又一特點(diǎn)，有利于學(xué)生接受新知識(shí)，鞏固已學(xué)知識(shí)。

表2：物理教學(xué)內(nèi)容表

不同的教學(xué)目標(biāo)，決定了教學(xué)的深度和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的要求。就教學(xué)目的而言，工科大學(xué)物理在教學(xué)過(guò)程中注重基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，并將基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用到不同專業(yè)的問(wèn)題中去。中歐學(xué)院物理學(xué)科主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理問(wèn)題的建模、定律/定理的推導(dǎo)及方法的掌握。在教學(xué)內(nèi)容安排和深度上，部分模塊與國(guó)內(nèi)大學(xué)物理專業(yè)的普通物理課程相近，有的模塊力學(xué)、熱學(xué)、電子等課程甚至高于物理專業(yè)的普通物理課程。舉例來(lái)說(shuō)，在物理的力學(xué)模塊教學(xué)中，非慣性參照系中的運(yùn)動(dòng)研究是我國(guó)理論力學(xué)課程的一部分，流體力學(xué)是某些專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程的一部分，熱力學(xué)模塊中的非平衡態(tài)開(kāi)放系統(tǒng)是工程力學(xué)的一部分，電子基礎(chǔ)課程和幾何光學(xué)課程是不涉及大學(xué)物理的，而僅僅是通過(guò)電子和光學(xué)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課來(lái)完成相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。另外，中歐學(xué)院預(yù)科物理在習(xí)題輔導(dǎo)、課后作業(yè)和考試等方面大多是從復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中選取題目，難度比普通物理要高。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生必須能準(zhǔn)確地推導(dǎo)出物理的基本定律，在具備深厚物理基礎(chǔ)的同時(shí)，還可以初步培養(yǎng)學(xué)生在未來(lái)專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)該具備的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

2.2 傳統(tǒng)與現(xiàn)代結(jié)合的教學(xué)模式

西方對(duì)物理教學(xué)內(nèi)容和要求與物理專業(yè)的基礎(chǔ)課程接近，注重培養(yǎng)學(xué)生的物理思維和應(yīng)用能力，并根據(jù)具體的教學(xué)需求進(jìn)行不同的教學(xué)方法。而國(guó)內(nèi)的理工大學(xué)以多媒體PPT加板書(shū)為主，很少進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，大部分理論基礎(chǔ)知識(shí)都是借助PPT講解的，但是學(xué)生在接受所學(xué)知識(shí)時(shí)不能形成相應(yīng)的知識(shí)網(wǎng)，并不具備工程實(shí)踐能力。西方的教學(xué)模式以PPT加實(shí)驗(yàn)演示，加深學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)理論，幫助學(xué)生理解抽象概念，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力，這對(duì)工程能力培養(yǎng)具有很大的幫助。以國(guó)內(nèi)外的大學(xué)教學(xué)組織而言，國(guó)內(nèi)采用大班制的授課形式，一般一節(jié)課都會(huì)有120人以上的學(xué)生，教師采用理論加習(xí)題的教學(xué)模式，然而在國(guó)外的教學(xué)中，除了理論課外，還有與理論配套的實(shí)踐和習(xí)題，習(xí)題指的都是小班制教學(xué)講解，小班制的教學(xué)能使學(xué)生與教師進(jìn)行良好的互動(dòng)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。例如：關(guān)于繩索振動(dòng)模型，在大課堂中有很多假設(shè)，其中之一就是忽略繩索的引力。我們將驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)只考慮繩索的垂直運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，是否合理。線繩的質(zhì)量密度是，線繩具有拉力T使它張開(kāi)。（1）首先，這里所說(shuō)的重力并非在所有情況下都可以忽略。當(dāng)考慮到重力影響時(shí)，通過(guò)受力分析得出繩子的一小段長(zhǎng)度微元dx，列出了運(yùn)動(dòng)方程；（2）在什么情況下，重力可以被忽略？我們考慮以下兩種情況：a繩子的線密度1=3.1Ч10-4kg.m-1，繩子的端點(diǎn)系有100g的砝碼。B金屬繩1=6.0，Ч103kg.m-3截面半徑為0.5mm的圓，T為3000N。在繩子一端振動(dòng)為100Hz，當(dāng)振幅滿足一定條件時(shí)可以忽略重力。同動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)原理列出運(yùn)動(dòng)方程，可以得到朗貝爾方程，這個(gè)基礎(chǔ)是建立在滿足條件的基礎(chǔ)上。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推導(dǎo)出，在一定簡(jiǎn)諧行波頻率下，若要忽略重力影響，振幅必須大于一定值。也就是說(shuō)，在水平方向上靜止的繩索，其重力是否可以被忽略，取決于與其他物理量無(wú)關(guān)的振動(dòng)頻率和振幅。通過(guò)這種教學(xué)方式用以考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，從而得到有效的信息反饋，這對(duì)中外結(jié)合的教學(xué)模式有促進(jìn)作用。

2.3 采用多種形式的考核制度

為了保證學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，應(yīng)采用多種考核標(biāo)準(zhǔn)，而不是單純期末考試60及格。最好采用加權(quán)平均法來(lái)考核，以平時(shí)成績(jī)+實(shí)踐成績(jī)+創(chuàng)新概念+考試成績(jī)來(lái)計(jì)算，這樣能良好地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和理論基礎(chǔ)，從而端正學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)工程人員急需的情況下，采用中外結(jié)合的教學(xué)理念，創(chuàng)新式的教學(xué)模式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生高效率的學(xué)習(xí)能力，可為工科類人才的持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為學(xué)生在工程師階段打下堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。