以“安培環(huán)路定理”為例談大學(xué)物理“SEFDS”教學(xué)模式

劉文彥,張海月,齊麗晶

(1.吉林化工學(xué)院 理學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.吉林毓文中學(xué),吉林 吉林 132000)

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,2017年2月18日教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育研討會,對新時期工程人才的培養(yǎng)進行了討論,提出了“新工科”建設(shè)[1]。并于2017年2月20日發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》[2]。“新工科”的提出,反映出現(xiàn)有的高等工程教育培養(yǎng)的人才不能滿足新時期經(jīng)濟發(fā)展的需求,需要尋求高等工程教育的創(chuàng)新與變革[3]。大學(xué)物理作為“新工科”專業(yè)必修的一門公共基礎(chǔ)課,主要培養(yǎng)工科學(xué)生的科學(xué)思維方式和研究問題的方法,使學(xué)生具備一定的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力,為今后專業(yè)領(lǐng)域廣度和深度的發(fā)展打下基礎(chǔ)[4]。因而,對“新工科”背景下大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段進行改革迫在眉睫[5-10]。

1 “SEFDS”教學(xué)法

文章聚焦“新工科”背景下大學(xué)物理教學(xué)改革過程中的“痛點”問題,立足教學(xué)實踐,結(jié)合線上線下混合式教學(xué)的教學(xué)特點,提出了“SEFDS”教學(xué)模式,即自主學(xué)習(xí)(Self-taught)——實驗設(shè)計(Exprimental design)——翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped classroom)——討論(Discuss)——歸納總結(jié)(Summary),見圖1?，F(xiàn)以“穩(wěn)恒磁場的安培環(huán)路定理”這節(jié)課為例,探討該教學(xué)模式在教學(xué)實踐中的應(yīng)用。

圖1 “SEFDS”教學(xué)模式

2 章節(jié)背景

大學(xué)物理課程在講授內(nèi)容上分為力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)與近代物理基礎(chǔ)五部分,“穩(wěn)恒磁場的安培環(huán)路定理”是穩(wěn)恒磁場中的一個章節(jié)。該定理是研究穩(wěn)恒磁場性質(zhì)的一個重要的基本定理,也是求解載流導(dǎo)線周圍磁場的基本方法,與靜電場環(huán)路定理、電磁場全電流安培環(huán)路定理一起貫穿了整個電磁場理論。因而安培環(huán)路定理的學(xué)習(xí)對學(xué)生掌握電磁場理論,掌握整個電磁場的性質(zhì)有著重要意義,也有利于學(xué)生凝練物理學(xué)基本研究方法與生成物理思維。

磁場是一種人們無法直接通過五感去感知但又客觀存在的一種特殊物質(zhì),如何使學(xué)生“感知到磁場的存在”是本節(jié)課的教學(xué)難點;而如何使學(xué)生通過安培環(huán)路定理去定性地理解穩(wěn)恒磁場的有旋性則是教學(xué)中的另一個難點所在。

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 線上課前

教師任務(wù):設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)清單;在線發(fā)起課前研討并參與討論;查看平臺智能統(tǒng)計數(shù)據(jù),分析學(xué)生預(yù)習(xí)情況和學(xué)習(xí)難點。

學(xué)生任務(wù)(Self-taught):完成課前的預(yù)習(xí)任務(wù),包括觀看課程視頻、完成單元測試、討論區(qū)發(fā)帖參與討論、以組為單位設(shè)計一個小實驗(自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)造力)。

該環(huán)節(jié)注重學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)。

3.2 線下課堂設(shè)計

該環(huán)節(jié)注重啟發(fā)學(xué)生智慧,注重能力培養(yǎng)。

3.2.1 以實驗設(shè)情景(Exprimental design)

學(xué)生展示自己實踐的奧斯特實驗(語言表達能力),如圖2所示,在使學(xué)生“感受”磁場的同時,引導(dǎo)學(xué)生進一步深入思考:如果轉(zhuǎn)動導(dǎo)線,小磁針的指向會發(fā)生改變嗎?進而引出本節(jié)課的內(nèi)容——載流導(dǎo)線的有旋性。

圖2 學(xué)生錄制奧斯特小實驗視頻

3.2.2 類比引新知

圖3 類比引新知

3.2.3 翻轉(zhuǎn)教學(xué)學(xué)新知(Flipped classroom)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線,小磁針的指向會發(fā)生變化嗎?改變環(huán)路的繞行方向會怎樣?電流在回路外會怎么樣?教師以問題引導(dǎo)學(xué)生自行證明穩(wěn)恒磁場安培環(huán)路定理,見圖4。將枯燥的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生階梯式小任務(wù),強化了學(xué)生的認知參與度與知識的生成過程。

圖4 階梯式小任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生翻轉(zhuǎn)學(xué)新知

3.2.4 討論練新知(Discuss)

通過發(fā)布“小組PK活動”——“利用穩(wěn)恒磁場安培定理求解均勻帶電球面/球體的空間磁場分布”,提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度,注重培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識。

3.2.5 歸納總結(jié)(Summary)

通過“小組活動”引導(dǎo)學(xué)生利用思維導(dǎo)圖對本節(jié)課的內(nèi)容進行總結(jié)與講解,培養(yǎng)學(xué)生的語言表達能力與歸納總結(jié)能力。

3.3 線上課后

教師任務(wù):布置線上作業(yè);在討論區(qū)組織課后研討。

學(xué)生任務(wù):完成線上作業(yè);參加線上課后研討。

該環(huán)節(jié)注重學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

4 結(jié) 論

“SEFDS教學(xué)模式是聚焦“新工科”人才培養(yǎng)需求,改變傳統(tǒng)“一言堂”教學(xué)模式的單調(diào)沉悶,以學(xué)生為中心,在教學(xué)過程中注重學(xué)生知識的參與度、知識體系的生成過程與產(chǎn)出度,強化對學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)與鍛煉。