根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況探討新工科背景下大學(xué)物理課程改革*

李景娟

(國家開放大學(xué)教務(wù)部 北京 100039)

鄒 斌

(中央民族大學(xué)理學(xué)院 北京 100081)

王 霞

(中國人民解放軍陸軍防化學(xué)院基礎(chǔ)部 北京 102205)

張榕禎

(國家開放大學(xué)工會 北京 100039)

大學(xué)物理以中學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，內(nèi)容涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等，其涉及的概念、規(guī)律、原理、定理以及研究方法等是理工科專業(yè)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，同時(shí)在培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題和解決問題等方面也具有其他課程不可替代的作用[1]，大學(xué)物理是高等院校工科各專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程.

在我國高等教育積極推進(jìn)新工科建設(shè)的背景下，對于工科專業(yè)的學(xué)生，大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)在專業(yè)課學(xué)習(xí)、繼續(xù)深造或工作就業(yè)方面到底有沒有幫助？不同專業(yè)的學(xué)生對大學(xué)物理的認(rèn)識和學(xué)習(xí)態(tài)度如何，學(xué)習(xí)難點(diǎn)和解決方法是什么？在線學(xué)習(xí)大學(xué)物理是否可行？為了回答這些問題，全面了解工科專業(yè)大學(xué)物理學(xué)習(xí)情況，本文面向全日制高等教育工科相關(guān)專業(yè)在讀學(xué)生，就大學(xué)物理學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了問卷調(diào)查，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果對當(dāng)前工科專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)進(jìn)行了思考，提出了提升教學(xué)效果和質(zhì)量，有效開展教學(xué)改革的建議.

1 問卷設(shè)計(jì)與發(fā)放及回收情況

1.1 問卷設(shè)計(jì)與發(fā)放

全日制高等教育工科相關(guān)專業(yè)在讀學(xué)生物理學(xué)習(xí)情況調(diào)查，旨在了解普通高校工科學(xué)生物理課程的學(xué)習(xí)情況及大學(xué)物理在專業(yè)學(xué)習(xí)以及就業(yè)和繼續(xù)深造中的作用和地位.針對此目的，問卷題目涉及了中學(xué)物理學(xué)習(xí)情況和自我評價(jià)、大學(xué)物理課程對專業(yè)學(xué)習(xí)以及就業(yè)和繼續(xù)深造的幫助、對理工科學(xué)生的影響、大學(xué)物理學(xué)習(xí)難點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法，以及在線學(xué)習(xí)大學(xué)物理的可行性和設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，共19道題目，除就讀學(xué)校、專業(yè)和性別以外，均為選擇題題型.

問卷通過微信、QQ等渠道向多所高校在讀生進(jìn)行了發(fā)放，發(fā)放主體包括大學(xué)物理課程教師和輔導(dǎo)員等學(xué)生管理人員，共收回有效問卷1 031份.

1.2 樣本來源

參與調(diào)查的1 031名學(xué)生來自32個(gè)省、市、自治區(qū)，覆蓋了全國大部分生源地.其中陜西省生源最多，有128名，占比12%；接下來是河南省和山東省，學(xué)生數(shù)量分別為92名和84名，占比分別為9%和8%.來源高校主要有中央民族大學(xué)、北京化工大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、哈工大威海分校、北京林業(yè)大學(xué)等，涵蓋了211高校、985高校以及普通高等學(xué)校，比較具有代表性.學(xué)生就讀專業(yè)涉及材料、信息、測控、電氣工程、機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、林學(xué)、自動化等相關(guān)的工科專業(yè).其中機(jī)械類專業(yè)占比最大，達(dá)35%；第二、三大類分別為自動化類和電子信息類，占比分別為14%和13%.涉及專業(yè)基本涵蓋了工科的常見專業(yè)，能夠代表普通高校工科學(xué)生的物理課程學(xué)習(xí)情況.

2 調(diào)查數(shù)據(jù)分析

根據(jù)回收的問卷數(shù)據(jù)，可以了解普通高等學(xué)校工科相關(guān)專業(yè)學(xué)生物理課程的學(xué)習(xí)情況，以及對大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)態(tài)度，經(jīng)過研究分析可以得到以下結(jié)論.

2.1 中學(xué)物理學(xué)習(xí)情況與物理學(xué)習(xí)興趣相匹配

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有34.14%的學(xué)生認(rèn)為自己的中學(xué)物理學(xué)習(xí)得“很好”，58.29%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)得“一般”，7.57%的學(xué)生認(rèn)為自己的中學(xué)物理學(xué)得“較差”.與之相對應(yīng)的是，有37.63%的學(xué)生對物理的態(tài)度是十分感興趣，希望多學(xué)一點(diǎn)；52.67%的學(xué)生對物理的興趣是一般，無所謂；9.7%的學(xué)生對物理不感興趣，不想深入了解，調(diào)查結(jié)果如圖1所示.

(a)中學(xué)物理學(xué)習(xí)情況

比較圖1(a)和圖1(b)可以看出，兩組數(shù)據(jù)的比例極為相似.可見，學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的心理選擇和傾向，是內(nèi)在動機(jī)在學(xué)習(xí)時(shí)的具體體現(xiàn)，是影響學(xué)習(xí)效果的重要因素.

2.2 大學(xué)物理學(xué)習(xí)對就讀專業(yè)的學(xué)習(xí)、就業(yè)和繼續(xù)深造有較大影響

81.96%的受訪學(xué)生認(rèn)為，大學(xué)物理對專業(yè)課的學(xué)習(xí)有幫助，有助于對專業(yè)知識和技能的理解，提高學(xué)習(xí)效果.76.92%的學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理學(xué)習(xí)對本專業(yè)就業(yè)和繼續(xù)深造都有很大的影響，有必要進(jìn)行系統(tǒng)深入的學(xué)習(xí)，如圖2所示.可見，各全日制高校重視物理教學(xué)，將大學(xué)物理作為理工科必修的專業(yè)基礎(chǔ)課的做法與學(xué)生需求完全契合.

圖2 調(diào)查學(xué)生對大學(xué)物理和專業(yè)課學(xué)習(xí)以及就業(yè)、深造的關(guān)聯(lián)性認(rèn)識

2.3 大學(xué)物理課程對理工科專業(yè)很重要

除本人就讀的專業(yè)以外，認(rèn)為能否學(xué)好大學(xué)物理課程對理工類學(xué)生有較大影響、理工科專業(yè)應(yīng)該開設(shè)大學(xué)物理課程的被調(diào)查學(xué)生占比分別為88.55%和88.46%，兩個(gè)數(shù)據(jù)基本一致(如圖3所示).

(a)大學(xué)物理對理工類學(xué)生是否有較大影響

從絕對數(shù)值上看，僅相差1名受訪者.可見，從學(xué)習(xí)者的角度來看，物理學(xué)在理工科專業(yè)的學(xué)習(xí)中占有重要地位，是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ).從知識體系來看，物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本、最普遍規(guī)律的學(xué)科，也是科技發(fā)展的理論源泉，是其他自然科學(xué)和應(yīng)用型學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ).大多數(shù)應(yīng)用型的工科專業(yè)都需要學(xué)生具有一定的物理學(xué)知識，且不說對物理知識要求較高的機(jī)械類、土木工程類、材料類等傳統(tǒng)專業(yè)，即使是計(jì)算機(jī)類、信息類等專業(yè)也需要具備基本的物理學(xué)知識.而且大學(xué)物理的學(xué)習(xí)能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維以及解決實(shí)際問題的能力，因此，是否能學(xué)好大學(xué)物理課程，對理工類學(xué)生來說是有較大影響的.

2.4 大學(xué)物理學(xué)習(xí)的難點(diǎn)來源于3個(gè)方面

雖然大多數(shù)受訪學(xué)生都認(rèn)識到了物理學(xué)習(xí)的重要性，認(rèn)為大學(xué)物理對理工科專業(yè)很重要，但有超過80%的學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理較難學(xué)習(xí)，其中17.07%的被調(diào)查者甚至認(rèn)為學(xué)習(xí)難度非常大；只有1.45%的學(xué)生感覺很簡單，容易理解；16.49%的受訪學(xué)生認(rèn)為不太難，經(jīng)過課后自學(xué)或復(fù)習(xí)都能掌握(如圖4所示).

圖4 調(diào)查學(xué)生對大學(xué)物理的難度認(rèn)識

對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)研究分析可以發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為大學(xué)物理的學(xué)習(xí)難度較大的原因主要集中在3個(gè)方面.

一是學(xué)習(xí)者自身方面.一方面是學(xué)習(xí)動力不足，導(dǎo)致學(xué)習(xí)難度較大，受訪者中，真正對物理感興趣的只有37.63%，其他為一般或不感興趣[見圖1(b)].愛因斯坦說過“興趣是最好的老師”，只有對物理產(chǎn)生了興趣，才會不畏困難、主動思考，才有勇于探究、努力學(xué)習(xí)的積極性.另一方面是基礎(chǔ)知識掌握不牢，導(dǎo)致新內(nèi)容的學(xué)習(xí)難度大.大學(xué)物理是中學(xué)物理的延伸擴(kuò)展，在中學(xué)物理的基礎(chǔ)上加入了更深刻更本質(zhì)的內(nèi)容，增加了知識深度，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，同時(shí)還用到大量高等數(shù)學(xué)的知識.有59.46%的受訪學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理學(xué)習(xí)困難的原因是“高等數(shù)學(xué)運(yùn)算和物理推理過程太難”(見圖5)，中學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，必將導(dǎo)致在大學(xué)物理學(xué)習(xí)過程中異常吃力.

圖5 大學(xué)物理學(xué)習(xí)難度大的原因分布

二是課程內(nèi)容和設(shè)置方面.除“高等數(shù)學(xué)運(yùn)算和物理推理太難”以外，選擇人數(shù)排前三的大學(xué)物理學(xué)習(xí)困難的原因分別為：概念、公式等內(nèi)容多，課時(shí)少(63.43%)；物理模型構(gòu)建困難(49.56%)；脫離生活實(shí)際，過于抽象(44.91%)(見圖5).大學(xué)物理課程涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理多個(gè)模塊，知識點(diǎn)多，但課時(shí)安排往往較少，導(dǎo)致教師將教材內(nèi)容全部講完都很緊張，因此多數(shù)教師都是照本宣科，將必講內(nèi)容填鴨式灌輸給學(xué)生，較少進(jìn)行深入的原理分析和交流探討，在這種情況下，學(xué)生很難進(jìn)行系統(tǒng)化的深入學(xué)習(xí)，根本了解不到物理的魅力.

三是講授方法方面.物理學(xué)其實(shí)是與實(shí)際生活聯(lián)系比較緊密的一門科學(xué)，之所以有44.91%的被調(diào)查學(xué)生認(rèn)為其“脫離生活實(shí)際，過于抽象”，與教師的講授方法有很大關(guān)系.超過60%的被調(diào)查學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理應(yīng)側(cè)重于“概念的深度講解、疑難點(diǎn)的詳細(xì)分析以及理論知識與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合案例”(見圖6).可見，知識點(diǎn)講不透、疑難點(diǎn)說不明是目前大學(xué)物理教學(xué)過程中存在的問題.如果教師能夠?qū)⒅R點(diǎn)拆分講解，按照相關(guān)性將知識專題化進(jìn)行講解，并將抽象內(nèi)容具體化、深奧內(nèi)容生活化、枯燥內(nèi)容活潑化，必能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有助于學(xué)生對物理知識的掌握和吸收.

圖6 被調(diào)查學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理需要側(cè)重的內(nèi)容分布

2.5 大學(xué)物理單純線上教學(xué)難度較大

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)已經(jīng)成為當(dāng)代大學(xué)生獲取知識的一個(gè)重要途徑，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)大學(xué)物理的實(shí)踐與探索也已經(jīng)有很多報(bào)道[2～4].根據(jù)本次調(diào)查回收的問卷數(shù)據(jù)，大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)教學(xué)設(shè)計(jì)和在線課程建設(shè)必須注意以下幾點(diǎn).

一是教學(xué)方式必須是線上線下相結(jié)合的模式.關(guān)于大學(xué)物理課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，僅有31.62%的受訪者認(rèn)為通過網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)完全可以學(xué)好大學(xué)物理；58.78%的受訪者認(rèn)為單純的在線學(xué)習(xí)有一定難度，輔以線下輔導(dǎo)可以學(xué)好；另外還有9.6%的受訪學(xué)生認(rèn)為在線學(xué)習(xí)大學(xué)物理難度很大，必須實(shí)地課堂講授(見圖7).

圖7 在線學(xué)習(xí)大學(xué)物理的可行性

二是在線課程建設(shè)必須運(yùn)用多種媒體輔助手段.包括文本、圖片、PPT等教學(xué)媒體，視頻動畫，模擬仿真軟件以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等(如圖8所示)，在呈現(xiàn)方式上應(yīng)以圖片、動畫和教師講解視頻為主，少量文本為輔(如圖9所示).

圖8 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)需要提供的輔助工具

圖9 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程呈現(xiàn)知識的方式

三是在線教學(xué)資源中呈現(xiàn)字幕.有60.23%的受訪學(xué)生認(rèn)為需要全程呈現(xiàn)字幕(見圖10)，但對教師形象的呈現(xiàn)沒有明顯性傾向.

圖10 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程視頻資源中需要呈現(xiàn)字幕的占比

3 工科專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)改革探究

為了更好地發(fā)揮大學(xué)物理為工科專業(yè)建設(shè)服務(wù)的作用，應(yīng)打破大學(xué)物理課程的內(nèi)容體系，加強(qiáng)大學(xué)物理與專業(yè)課程的銜接，改進(jìn)教學(xué)方式，多方位提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動力.

3.1 突出知識的更新和知識體系的銜接 改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容

在新工科背景下，大學(xué)物理的教學(xué)既要強(qiáng)調(diào)物理基礎(chǔ)知識、基本概念的講解以及科學(xué)素養(yǎng)和邏輯思維的培養(yǎng)，又要注重課程內(nèi)容和專業(yè)知識的銜接，為專業(yè)課程的開設(shè)提供有力的知識支撐.這就要求根據(jù)不同專業(yè)的需求，適當(dāng)調(diào)整大學(xué)物理課程的教授內(nèi)容，促進(jìn)大學(xué)物理課程與專業(yè)知識的融合，幫助學(xué)生建立所在專業(yè)需要的知識體系.如機(jī)械類專業(yè)可以側(cè)重講解力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)，電磁學(xué)中的穩(wěn)恒電流、電磁場，熱學(xué)中的熱力學(xué)等內(nèi)容，適當(dāng)弱化光學(xué)、量子物理學(xué)等方面的內(nèi)容，同時(shí)控制好難度和廣度，對于理論性強(qiáng)的內(nèi)容適當(dāng)進(jìn)行變化，重點(diǎn)講解物理思想濃、專業(yè)應(yīng)用廣的內(nèi)容.在具體授課時(shí)引入專業(yè)具體情境，如講解電磁學(xué)時(shí)引入各類型的傳感器，研究其特性；講解剛體轉(zhuǎn)動時(shí)引用齒輪在設(shè)備中的運(yùn)用等.如果能為某專業(yè)量身打造適用的大學(xué)物理課程內(nèi)容，勢必能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提升教學(xué)效果，從而更加有效地服務(wù)于專業(yè)建設(shè).關(guān)于這方面的研究也已有諸多報(bào)道，如大學(xué)物理課程模塊化教學(xué)改革[5]，結(jié)合專業(yè)特色的大學(xué)物理教學(xué)改革研究[6]，“新工科”視域下土木工程專業(yè)“大學(xué)物理”課程改革等[7].

另外，考慮到工科專業(yè)的應(yīng)用性，應(yīng)適當(dāng)刪減經(jīng)典物理學(xué)的內(nèi)容，添加近代物理學(xué)和物理應(yīng)用知識的內(nèi)容.尤其是近些年來科技和工業(yè)發(fā)展迅速，高新技術(shù)中往往包含了基礎(chǔ)物理知識，前沿課題中往往蘊(yùn)含了基礎(chǔ)物理理論.因此，大學(xué)物理課程可以根據(jù)各專業(yè)領(lǐng)域的新技術(shù)、新發(fā)展，結(jié)合教材內(nèi)容，不斷地將生產(chǎn)生活中發(fā)展出的新知識和工程實(shí)踐中正在使用的新技術(shù)充實(shí)到課堂教學(xué)中來.

3.2 充分利用現(xiàn)代信息技術(shù) 改革教學(xué)手段

問卷調(diào)查結(jié)果顯示，在大學(xué)物理學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)，71.87%的學(xué)生通過“網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)資源”來解決問題，超過了“請教老師或同學(xué)”的比例.可見，信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，多媒體資源能夠從視覺、聽覺等方面對學(xué)生不同感官產(chǎn)生有效刺激，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)欲望，而紙質(zhì)教材加黑板板書的傳統(tǒng)教學(xué)形式已經(jīng)很難抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)和注意力.因此，要想改善教學(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量，大學(xué)物理教學(xué)應(yīng)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)改革教學(xué)手段，開展網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)，將聲像處理技術(shù)、視聽技術(shù)與課堂教學(xué)科學(xué)合理地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)過程最優(yōu)化.一方面，網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)能打破時(shí)間、空間和資源的限制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，不僅能夠形成多元化的教學(xué)環(huán)境，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足，學(xué)生也可以根據(jù)自身基礎(chǔ)，選擇所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和適合自己的練習(xí)形式，滿足不同層次的學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和研究的需要.另一方面，網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)采用多媒體技術(shù)可以更完整、更形象地展示物理模型，甚至是利用動畫技術(shù)模擬演示器件的運(yùn)行、提供靜態(tài)圖形缺少的運(yùn)動景象，從而將晦澀難懂的物理知識、理論、模型直觀地展示出來，更有利于學(xué)生從本質(zhì)上把握物理規(guī)律、掌握物理原理.

需要強(qiáng)調(diào)的是，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)只能是輔助.由于物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)和觀察為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，具有模型化和實(shí)踐性的特點(diǎn)，概念理論等理解難度大，因此，課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能少.正如調(diào)查結(jié)果顯示的，單純的在線學(xué)習(xí)大學(xué)物理有一定難度，必須線上線下相結(jié)合(見圖7).

3.3 強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際 增加實(shí)踐環(huán)節(jié) 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

總之，對于工科大學(xué)物理的教學(xué)，必須從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方式等各方面進(jìn)行改革，使之符合工科專業(yè)的知識體系，符合工科學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn).尤其是內(nèi)容體系的設(shè)計(jì)，要強(qiáng)調(diào)理論在實(shí)際中的應(yīng)用，做到理論聯(lián)系實(shí)際，同時(shí)加強(qiáng)與各專業(yè)課程的銜接，充分發(fā)揮該課程為專業(yè)建設(shè)服務(wù)的作用.