新時代熱學課程教學改革的探索與實踐*

王麗娜

(伊犁師范大學物理科學與技術(shù)學院 新疆 伊寧 835000;新疆凝聚態(tài)相變與微結(jié)構(gòu)實驗室 新疆 伊寧 835000)

1 引言

新時代十分重視教育、科技和人才,對其工作也提出了新要求,課程教學是做好上述三方面工作的重要抓手.熱學課程作為物理類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程和核心課程,其教學工作一直受到教育者的重視.文獻[1]指出,在熱學教學中突出熱力學與統(tǒng)計物理的研究方法,注重復雜問題的適當簡化與理想化模型的建立,對學生構(gòu)建熱學知識結(jié)構(gòu)和理解物質(zhì)本質(zhì)具有十分關(guān)鍵的作用.文獻[2]強調(diào)應(yīng)該在熱學課程中從物理現(xiàn)象著手教好活的物理學,利用好課堂討論以給予學生發(fā)表個人意見和相互討論的機會.文獻[3]以自己所在學校的熱學課程為例,具體介紹了如何培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力、分析處理實際問題的能力以及學生的科學素質(zhì)等的做法.文獻[4]對熱學課程的教學方法、教學內(nèi)容以及習題和試題配置的現(xiàn)代化等進行了探討.文獻[5]以信息技術(shù)為手段,依托網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建了課堂講授與網(wǎng)絡(luò)學習相結(jié)合的熱學課程混合學習模式.文獻[6]在“課程思政”背景下,開展了轉(zhuǎn)變教學理念、創(chuàng)新教學設(shè)計、構(gòu)建教學評價的實踐,促進了專業(yè)學習與思政教育的協(xié)同發(fā)展.

結(jié)合上述工作,針對我校的學生與教學情況,我們發(fā)現(xiàn)在熱學課程的教學中,還存在一些急需改進之處.(1)傳統(tǒng)教學中注重知識傳授,而對學生的創(chuàng)新能力和意識的培養(yǎng)方面有待加強;(2)學生感覺知識抽象,對知識的現(xiàn)實價值感受較弱;(3)利用現(xiàn)代技術(shù)手段提升教與學的效率有待提高;(4)熱學課程的育人功能發(fā)揮需要進一步挖掘.針對這些問題,我們在熱學教學中進行了一些探索與實踐,以更好實現(xiàn)知識傳承、學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和熱學課程的育人功能.

2 融入創(chuàng)新要素 感知創(chuàng)新過程

2.1 教學內(nèi)容與現(xiàn)代化大型設(shè)備相結(jié)合 鋪設(shè)通向創(chuàng)新之路

在傳統(tǒng)教學中,教師注重知識傳授多,而在學生的創(chuàng)新能力和意識的培養(yǎng)方面則有所欠缺.針對這一問題,教師可以將科研創(chuàng)新要素引入教學過程,促進教學,也為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)產(chǎn)生促進作用.

以我校選用的《熱學》教材為例[7],在講解晶體中粒子的熱運動和液體的徹體性質(zhì)時,將涉及到晶體和液體的熱容、熱膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)和擴散系數(shù)等物理量,這時我們會把本單位擁有的同步熱分析儀、熱膨脹儀和激光閃射導熱儀等熱學儀器的情況介紹給學生.例如,在講解熱膨脹系數(shù)時,我們會簡單介紹設(shè)備構(gòu)成,并闡述清楚關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的獲得方式.針對測量線膨脹系數(shù)的設(shè)備,我們會告訴學生計算線膨脹系數(shù)所需要的溫度與長度的變化情況是分別通過熱電偶和位移傳感器來測得的.另外,還會簡單介紹該儀器在陶瓷、玻璃、橡膠和建筑材料等方面的應(yīng)用.通過這些講解,學生不僅知道了物理量的定義、物理意義以及如何根據(jù)習題中的已知條件來計算它們,而且也知道了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息在實踐中是如何得到的.這樣的做法既有助于學生對物理量的理解與認知,也讓學生在這樣的潛移默化的過程中就已經(jīng)對科技創(chuàng)新設(shè)備有了認知,為學生將來的畢業(yè)設(shè)計等創(chuàng)新活動鋪路奠基.

2.2 適度引入翻轉(zhuǎn)課堂 兼顧創(chuàng)新能力培養(yǎng)

翻轉(zhuǎn)課堂是一種以學生為中心的教學模式,教師可以將翻轉(zhuǎn)課堂用于熱學課程的改革和探索中.在教學中,根據(jù)我校的人才培養(yǎng)方案和熱學教學大綱的要求,在保持課程的科學性和系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上,我們對教學內(nèi)容有所取舍,講精講細、講深講透熱學課程的重點與難點,同時,對于教材中已詳細介紹的、淺顯易懂的內(nèi)容,教師可以借助翻轉(zhuǎn)課堂,讓學生自行學習.

例如,在講解用分子射線實驗驗證麥克斯韋速度分布律時,我們可以選用翻轉(zhuǎn)課堂模式,以學生為中心,給予學生關(guān)于分子射線實驗、密勒·庫士實驗等問題設(shè)置的提綱,讓學生根據(jù)問題查找資料,制作PPT,完成這些工作后交給教師進行相應(yīng)地指導,之后將其錄制視頻并發(fā)至學習平臺供其他學生學習.對于上述這些問題,雖然在學科體系中已經(jīng)屬于已知內(nèi)容,但是具體到學生個體來說,依然是新知識、待解問題.因此,學生對這些問題的自主解決,相對于自身來說就是一個體驗創(chuàng)新的過程,明顯區(qū)別于教師講、學生聽的被動接受式教學模式.在熱學課程中還有很多這樣的內(nèi)容可供學生自主學習,例如,利用麥克斯韋速率分布函數(shù)求解最概然速率、平均速率、速率倒數(shù)的平均和方均根速率等,熱力學過程的介紹、晶體中粒子的結(jié)合力等等.

與傳統(tǒng)教學方式相比,引入翻轉(zhuǎn)課堂之后,學生要想完成相應(yīng)知識點的學習必然會多花費一些時間,但這也是培養(yǎng)學生的探究新問題、新現(xiàn)象能力的一個有效途徑.學生也反映,雖然他們花費更多的時間,但是通過實踐也體驗到了一步步解決問題的過程,鍛煉了深入思考、資料查找、分析推理、溝通交流和語言表達等能力,有了與“聽講”不一樣的感受.

3 建構(gòu)知識支撐體系 感知知識現(xiàn)實價值

3.1 與初高中熱學知識有機銜接 構(gòu)建完整的知識認知體系

大學課程熱學知識的學習需要在高中相應(yīng)知識的基礎(chǔ)之上進行,高中舊知識是支撐大學新知識認知的支柱.另外,由于高中物理課程具有不同的選學模式,導致學生進入大學時,熱學知識的水平不盡相同.因此需要做好大學熱學知識與初高中熱學內(nèi)容的銜接,以實現(xiàn)在大學熱學課程中掌握更加深入與綜合的知識.

在具體的教學中,我們開展了將初高中熱學知識適當嵌入熱學課程中的嘗試.例如,理想氣體的物態(tài)方程、理想氣體的壓強、物質(zhì)的相變在高中時都有所涉及,但未進行深入研究,基于此基礎(chǔ),教師在大學階段可以闡述其來源、推導過程、深入分析及應(yīng)用.再如,通過熱力學第一定律研究不同過程中理想氣體的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化時,初高中階段所接觸到的比熱是常量,利用代數(shù)關(guān)系可直接求解出熱量,將這特殊情況作為引子,可以推廣關(guān)于熱量的一般計算,比熱是溫度的函數(shù),需要通過比熱對溫度的積分才可求出不同過程中的熱量問題.做功亦是如此,一般情況下,壓強對體積的定積分才可以求出外界對系統(tǒng)所做的功.……這樣不僅有利于學生將整個熱學知識構(gòu)建成一個整體,而且也有利于高中未選學到相應(yīng)知識的學生能夠?qū)@些知識有更為充分的理解.

3.2 聯(lián)系生活實際 感受知識現(xiàn)實價值

熱學是一門有著悠久歷史的學科,它包含著人類自古以來對熱現(xiàn)象研究的豐碩成果.而學生在學習熱學時,存在感覺知識抽象,不能感受知識的現(xiàn)實價值的情況,使得學生的學習動力欠缺,興趣有待提高.因此,教師可以將生活、生產(chǎn)和工作中經(jīng)常遇到的熱學問題用于熱學教學.

教師根據(jù)學生的認知水平與學習能力,將常見熱學現(xiàn)象和典型實例與學生所學的熱學知識進行銜接與應(yīng)用,透過現(xiàn)象揭示事物本質(zhì).例如海拔高度與空氣密度之間有著怎樣的關(guān)系,通過低壓情形下的熱傳導問題如何解釋保溫杯的隔熱保溫作用,通過冰箱、空調(diào)等的工作原理如何求解循環(huán)過程的效率,樟腦丸揮發(fā)是怎樣的揮發(fā)過程等問題.將實例與理論進行結(jié)合,一方面發(fā)揮了教學內(nèi)容的科學性和實用性的特點,幫助學生理解抽象的熱學理論,理論指導實踐,也體現(xiàn)了物理來源于生活、應(yīng)用于生活的理念,另一方面使學生在學習熱學知識的過程中形成正確的方法論和思維方式,來提升解決問題的能力.

4 借助現(xiàn)代化通訊和智能化平臺 提升教與學的效率

4.1 利用現(xiàn)代化通訊方式 提高學習效率

在學習環(huán)境逐步演變成新型的智慧學習環(huán)境時,在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育背景下,教師可以依靠互聯(lián)網(wǎng)、各種學習平臺等現(xiàn)代信息技術(shù)手段提升教與學的效率.

在傳統(tǒng)的教學過程中,學生與教師之間進行問題交流主要集中在課前、課間和課后,由于時間有限,對于有些問題可能不能進行深入、詳細地解決,而且時效性也不強.現(xiàn)如今,教師可以依靠互聯(lián)網(wǎng)通過微信、釘釘?shù)冉涣骱蛯W習平臺來實現(xiàn)學生的答疑.采取這種方式來提問和答疑,不再受時間和空間的限制,并且討論和解決問題的細節(jié)還可以長時間保存.因此,利用現(xiàn)代化通訊方式,可以架起時空之橋,縮短空間距離,彌補時間脫節(jié),增強對接效率,從而更為有力地支撐學生的高效學習.

教師也可以依靠互聯(lián)網(wǎng)借助微信、釘釘、學習通等平臺進行作業(yè)的布置和批改,實現(xiàn)了無紙化的批改作業(yè).為了讓學生相互學習、相互借鑒,教師可以在平臺上設(shè)置生生互評,最后教師對批改的作業(yè)進行審核把關(guān).在生生互評方面,我們采取的是匿名互評,也就是既隱藏做作業(yè)人姓名,又隱藏批作業(yè)人姓名,使學生放心評價,盡量做到客觀公正,避免礙于情面打高分.學生也認為匿名互評的方式比較好,避免人情分,而且也有了相互學習的機會,可以在發(fā)現(xiàn)別人內(nèi)容錯誤的過程中不斷規(guī)范自己的認知.

4.2 利用智能化平臺 增強學習針對性

及時了解和掌握學生對知識的掌握情況,是開展有效教與學的重要基礎(chǔ),但是在傳統(tǒng)教與學中,學生知識掌握情況的反饋往往時效性不強,而且費時費力.我們可以利用智能化平臺,改變以往的考核和評價方式.例如,在問卷星、學習通等平臺上發(fā)布課前測試、單元測驗等,要求學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成測試.學生提交之后可以立即獲得反饋結(jié)果,知道自己哪些知識已經(jīng)掌握,哪些知識還尚未解決、仍需繼續(xù)學習,提高了學生學習的針對性.另外,有些平臺會自動生成統(tǒng)計結(jié)果,匯總出學生的答題成績,并且對每一題的正確率、每一選項的比例進行分析,讓教師及時方便地了解學生對知識的掌握情況,由此我們可以進行有的放矢的教學,也有助于對學生的學習過程和學習結(jié)果形成更全面的評價.

需要說明的是,雖然通過線上進行考評具有便捷性,但在進行線上考評時,也要注重監(jiān)督,以使考評結(jié)果能更為真實地反映學生的學習情況,我們一般是在教師的巡視下開展線上測試的.另外,這些結(jié)果只是作為過程性考核來使用,仍然保留著傳統(tǒng)式的課程期末考試,以在更為公正、嚴格的情況下考查出學生真實的知識掌握程度.

5 挖掘與嵌入熱學課程思政元素

5.1 深入挖掘熱學課程思政 發(fā)揮思想價值引領(lǐng)作用

習近平總書記強調(diào)“用好課堂教學這個主渠道,使各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協(xié)同效應(yīng)”.熱學課程作為一門專業(yè)課程,教師也應(yīng)深入挖掘熱學課程思政,將教書與育人相結(jié)合,發(fā)揮熱學課程的育人作用.

在物理學的發(fā)展過程中,涌現(xiàn)出了很多物理學家,他們的生平與科研經(jīng)歷,都是涵養(yǎng)學生精神世界的最好素材.在介紹物質(zhì)的微觀模型這一節(jié)時,可以穿插王淦昌院士作出的成就及其生平.王淦昌,“兩彈一星”元勛,提出了一個驗證中微子存在的方案;他隱姓埋名17年,唯愿以身報國,為中國原子彈和氫彈等核武器的試驗作出了偉大的貢獻.在介紹葛正權(quán)實驗時,我們將葛正權(quán)先生的生平簡歷、學習過程、技術(shù)成就融入課程.葛正權(quán)先生在獲得博士學位后,就迫切回國實現(xiàn)其“教育救國”“工業(yè)救國”的志向,不僅通過實測數(shù)據(jù)定量地驗證了麥克斯韋速度分布律,而且還奠定了中國的制氧工業(yè)基礎(chǔ),是奠基中國雷達工業(yè)的“破土者”,為物理學教學和科研奉獻一生.在介紹固體這一章時,可以介紹黃昆教授的主要成就.黃昆教授是中國固體物理學的奠基人,提出了著名的“黃方程”和“聲子極化激元”概念以及“黃-里斯理論”;同時也是半導體物理的開創(chuàng)者之一.這樣的物理學家還有很多很多,我們要學習和發(fā)揚科學家實事求是、刻苦鉆研、探索真理的精神,學習和發(fā)揚科學家胸懷祖國、愛國奉獻、淡泊名利的精神,引導學生樹立正確的科學發(fā)展觀和家國情懷.

在全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的過程中,一些關(guān)鍵核心技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),如載人航天、探月探火、核電技術(shù)、大飛機制造等都會涉及與熱學相關(guān)的問題,我們要對這些國家重大工程進行深入挖掘,并將這些內(nèi)容恰如其分地貫穿于熱學課程中,把培育和踐行社會主義核心價值觀、科學精神與人文情懷、愛國主義教育等內(nèi)容融入教書育人全過程,潛移默化地、“潤物細無聲”地影響學生的思想行為和言行舉止,增強學生熱愛祖國和振興中華的責任擔當.

5.2 通過自我實踐 促進學生全面發(fā)展

在熱學授課時,教師可以通過讓學生查閱圖書資料、搜尋網(wǎng)絡(luò)資源,或者教師推薦優(yōu)秀教材[8]、中國慕課等資源,了解和關(guān)注自己感興趣的熱學問題、熱學現(xiàn)象,了解自己崇拜敬佩的物理學家的生平、成就等,并錄制相應(yīng)的視頻進行闡述.通過這樣的方式,進一步貫徹以學生為中心的教學理念,激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)學生的鉆研精神和科學精神,也促進了學生獨立思考、思維邏輯和語言表達等更為全面的能力的提升.與翻轉(zhuǎn)課堂一樣,在開展這些活動時,學生也需要多花費時間,但是活動開展后,學生也反映通過自己的查詢、整理和講解,他們有了更深的感悟和理解,體會也更加深刻.

6 結(jié)論

在熱學課程的講授過程中,普遍存在著如下一些問題:教師重視知識傳授,對學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)關(guān)注不夠;學生感覺熱學抽象,體驗不到知識的現(xiàn)實價值;教學效率的提升有待進一步加強;育人功能發(fā)揮仍需要挖掘等.針對這些問題,我們對熱學課程從融入現(xiàn)代大型儀器要素、適當使用翻轉(zhuǎn)課堂、貫穿初高中熱學知識、將聯(lián)系實際生活中的熱學現(xiàn)象融入熱學課程、利用現(xiàn)代技術(shù)手段、嵌入課程思政元素等方面進行了探索與實踐.通過改革,學生對創(chuàng)新有了一些了解,在開展畢業(yè)設(shè)計等創(chuàng)新活動中,對現(xiàn)代化設(shè)備的認知不再空白;在學習中也感受到了科技帶來的便利性和效率提升.學生也反映有了高中知識和實際生活中熱學現(xiàn)象的融入,他們更易于接受大學熱學知識,進一步體會到知識的價值;通過翻轉(zhuǎn)課堂和課程思政的融入與實踐,鍛煉了他們獨立思考、資料查找、分析推理、溝通交流和語言表達等能力,也對鉆研精神和科學精神有了切身體會.總之,通過學生的反映、學業(yè)成績以及后續(xù)發(fā)展等來看,熱學課程的改革與實踐,解決了課程中所面臨的一些問題,實現(xiàn)了改革的目標.我們的做法具有可操作性,對其他課程的建設(shè)具有借鑒意義.