高校物理課堂中如何有效教與學

裴麗婭

（北京化工大學 數(shù)理學院，北京 100029）

物理學是人們在探索自然奧秘過程中形成的重要基礎(chǔ)科學，它的各個分支學科已經(jīng)高度滲透到提高現(xiàn)代生產(chǎn)生活質(zhì)量的方方面面。在信息化高度發(fā)展的今天，大學生的興趣點和關(guān)注點更加多元，因而人才培養(yǎng)的模式發(fā)生了重大變化。同時，在人工智能和大數(shù)據(jù)的時代洪流中，與現(xiàn)代科學文明相關(guān)的專業(yè)知識的精細化和交叉化，對人們的當下和未來提出了更高的能力要求：信息甄別，獨立思考，終身學習。高校物理課堂作為培養(yǎng)新時代高素質(zhì)科學創(chuàng)新青年人才的重要場所，適應于過去時代的知識“滿堂灌”［1］不再適應當前時代的發(fā)展需要，而致力于挖掘和增強學生提出與解決問題的內(nèi)驅(qū)力才是本科教學與人才培養(yǎng)的核心任務。

一、高校物理教與學的現(xiàn)狀及反思

（一）關(guān)于“教”

學生學習有勤有惰，高校教師亦有“用心”授課與否的區(qū)別。當然，這里面存在著有無充分時間、意愿和能力，以及是否能得到必要的管理支持等多種原因。物理學科是基礎(chǔ)學科，北京化工大學物理系的教師除了針對本院系專業(yè)的本科生開設(shè)相關(guān)專業(yè)課和核心課，還需要面對全校開設(shè)“普通物理”及實驗課程作為通識基礎(chǔ)課供各院系各專業(yè)的本科生進行必修。就筆者而言，四年時間內(nèi)先后講授過“半導體物理”“普通物理”“大學物理實驗”和“固體電子學”等課程，另有針對物理文獻閱讀相關(guān)的“科技英語”。面對繁重的課程任務及不同專業(yè)或興趣背景的學生，還有教師個人或團隊的物理科研任務及職業(yè)理想，使得教師一直在完善授課內(nèi)容和思路，以及在推進科研進度的路上廢寢忘食。然而，在目前的物理課堂上，往往是教師講得“頭頭是道”，平時測試和結(jié)課考試的結(jié)果卻常常不盡如人意。課堂教學作為實施本科教育最重要的一環(huán)，達不到教師備課時期待的育人效果，總是憾事。有物理教育研究［2］表明，以傳授知識為目的的傳統(tǒng)教學方式，學生的學習成效和困難基本上與授課教師沒有關(guān)系。

（二）關(guān)于“學”

通過匿名問卷和課下談話等不同形式，針對學生“不想學”或“學不好”物理相關(guān)課程的現(xiàn)象進行探究，我們發(fā)現(xiàn)學生在主觀上的學習內(nèi)驅(qū)力較弱是核心原因。比如，在“普通物理”課程中，部分學生表示學習物理的過程比較枯燥，上課只是為了應付考試拿到學分，找不到“我為什么要學”的深層次原因。需要知識具備眼前認知能力之內(nèi)所識別的實用性的想法，與大學的辦學宗旨或功能是相矛盾的。在這個瞬息萬變的信息時代，這樣的想法尤其危險。還有部分學生覺得課堂上似乎都聽明白了，下課就糊涂了，知識留存率較低。對于最終考試成績好的學生，從平時互動表現(xiàn)來看，可能也只是分數(shù)高，并不意味著他們在生活的大課堂中可以學以致用、舉一反三，知識失去了作為創(chuàng)新“源頭”的作用。

（三）“教”與“學”換位思考

人在嬰幼兒時期，對自然界是有著非常強烈的探索愿望的。大學生各種表現(xiàn)形式的惰學現(xiàn)象，來自后天環(huán)境對其學習內(nèi)驅(qū)力的磨滅，本質(zhì)上涉及的是“如何有效學習”的問題。教師應該試著站在學生的角度接受這些學習狀態(tài)，并理解其背后的原因。學生如無法對物理相關(guān)課程進行有效學習，重要的原因主要有：教師的“教”打開方式不對，沒有引導學生主動要學的內(nèi)驅(qū)力；學生的“學”找不到價值入口，沒有找到“我為什么要學”的真正支撐點，更談不上學以致用。高校物理課堂的教與學，面臨著嚴峻的考驗，亟須改革與創(chuàng)新以滿足社會和人類發(fā)展的需求。

二、科學社會與課程思政

細菌和病毒永遠是人類需要應對的挑戰(zhàn)。人類要在這個地球上高質(zhì)量地生活，基礎(chǔ)科學是最重要的支撐。作為青年力量的我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)個人價值，在這個過程中能為社會做些什么呢？19世紀，法國微生物學家巴斯德開啟了人類治療狂犬病的歷史，被世人稱頌為“進入科學王國的最完美無缺的人”。他取得多項重大歷史成就的秘訣在于，他招募世界各地不同科學背景的人，追蹤社會需求中亟須解決的重大問題，推進“跨學科研究”，既解決了實踐的應用問題造福社會，又在基礎(chǔ)研究上獲得重大成就。

2022年6月，新東方旗下直播間“東方甄選”用做教育的理念做上課式雙語直播帶貨，短時間內(nèi)就受到了人們大量的關(guān)注與喜歡。俞敏洪讓人們知道相比于“表演”，知識底蘊和文化素養(yǎng)才是大浪淘沙之后最終能留下的金子，人需要不斷地學習和創(chuàng)新，韜光養(yǎng)晦才能厚積薄發(fā)。

拓寬視野和跨學科式關(guān)注前沿科學與社會問題，是激發(fā)學生提出與解決問題的內(nèi)驅(qū)力的重要一步。20世紀頂尖的物理大師費曼在其著名的《費曼物理學講義》中，傳達了他的重要教學理念：物理課不能單純講物理本身，也需要定性地將物理學的各個方面及與其他學科和生活周邊的聯(lián)系介紹出來。這也是如今逐漸受到高校重視的物理教育觀念轉(zhuǎn)變的問題［3］。大學校園不是“象牙塔”，作為即將步入社會各個崗位或進一步專業(yè)深造的大學生，應當具有強烈的社會責任感和造福人類的心理傾向，要為自己的“學”找到價值入口，從而獲得進行有效學習的力量源泉。

三、引導“課堂”向“學堂”轉(zhuǎn)型

（一）規(guī)劃微課圖景助力學生自主學習

微課［1］是以微視頻為主要形式，輔助以文字講解知識點的教學形式，表現(xiàn)力和感染力明顯優(yōu)于以板書和PPT為主的教學形式。在教學過程中，微課就像是精練的課程“細胞”，便于學生專注重點；分享性強，推動以灌輸書本知識為主的“課堂”向以學生自主學習為主的“學堂”轉(zhuǎn)型。

針對同一系或?qū)I(yè)的物理課程，如果院校管理層面可以多方位支持組織教師聯(lián)合團隊，對重要知識點進行分工梳理和集中整合，共同制定有邏輯管理規(guī)劃的微課圖景，教學將會事半功倍。在這個微課圖景中，知識點之間的關(guān)系盡可能清晰明了，先行的學習往往使得后行的學習更為容易。在先后具體實施的課程中，師生可按需取用相關(guān)微課小視頻，便于學生建立自己的知識體系，也避免浪費時間重復教學。

（二）形象類比法助力學生消化知識點

在物理教學過程中，如果只是對知識點進行常規(guī)描述，學生即便明白了邏輯或推導，也常常因為應付考試而使得學習過程較痛苦，從而導致部分學生結(jié)課之后很快地遺忘該課程教授的內(nèi)容，更不用說課堂知識能夠幫助學生解決課堂外遇到的問題。認知科學告訴我們，當人們接觸到新知識時，如果可以與其先前的認知——所謂的“經(jīng)驗”或“知識庫”產(chǎn)生“鏈接”，則更容易讓大腦理解、接納和留存。而形象類比法，就是一種很好的“鏈接”新知識與舊經(jīng)驗的橋梁。譬如，“費米能級EF”是在與固體物理相關(guān)的課程中有所涉及的重要概念，在一定溫度下EF能完全確定電子在量子態(tài)上的統(tǒng)計分布，然而在課堂上學生常常無法真正接納和運用。但如果把“費米能級”類比為特定水位線，把電子類比為水分子，則與此概念有關(guān)的內(nèi)容在學生大腦中就有了畫面感。當熱力學溫度T=0時，“水分子”全都被“凍住”在“水位線”以下；當T＞0（溫度不很高）時，極少數(shù)“水分子”從“水位線”附近逃離，成為處于“水位線”以上自由的“蒸汽”。學生亦更容易掌握兩塊半導體接觸結(jié)合形成p-n結(jié)時，其能帶和勢壘高度的形成：在接觸之初，兩個“河堤”（導帶底）高度相同，但由于“水位線”高度不同，“水”將從“水位線”高的n區(qū)流向“水位線”低的p區(qū)，因而n區(qū)“水位線EFn”不斷下移，p區(qū)“水位線EFp”不斷上移，直至二者等高即達到平衡狀態(tài)，此時p-n結(jié)中有統(tǒng)一的“水位線”（費米能級處處相等）。在這個過程中，接觸區(qū)之外的仍然是p區(qū)和n區(qū)，所以只能是p區(qū)能帶與n區(qū)能帶相對整體移動。因此，在接觸區(qū)形成一個彎曲的“河堤”，彎曲量（p-n結(jié)勢壘高度）為EFn-EFp。我們可以制作相應的微課視頻幫助學生對“費米能級”概念及其相關(guān)內(nèi)容形成深刻印象。

（三）提供知識點與物理現(xiàn)象之間的鏈接

一般來說，每門課程都設(shè)定了固定的學時，授課教師為了按時完成教學大綱內(nèi)容任務量的要求，往往會進行知識“滿堂灌”。但在當前信息網(wǎng)絡時代，搜索到物理知識并不是難事，難的是如何進行獨立思考和甄別，有效學習及將知識轉(zhuǎn)化為自己的思想。而高校物理課堂就應該也必須肩負著培養(yǎng)學生該方面能力的重擔。

物理是實驗科學，是人們在生產(chǎn)實踐過程中對自然規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和總結(jié)，再完美的理論模型都不能脫離實驗事實。而在非實驗課的教學中，基本是偏重物理理論及結(jié)論的傳授，而忽略了物理思維歷程的探究和實驗感官經(jīng)驗的建立。后者正是打開學生學習物理大門的鑰匙，學習的過程應該是體驗“看得見摸得著的生動有趣”，而不是想象高深的概念和煩瑣的公式堆砌起來的“空中樓閣”。以面向全校開設(shè)的理論課“普通物理”為例，雖然在“大學物理實驗”課程中有不少內(nèi)容與其呼應，但因課時有限，使得多數(shù)學生的目標僅是盡快按照課本上的實驗步驟獲得數(shù)據(jù)完成報告，幾乎無“有趣”可言；同時更重要的是，因為是不同的課程，在教學計劃安排上是否將相關(guān)內(nèi)容進行了高度有機結(jié)合并沒有引起足夠的關(guān)注。

然而，物理作為自然科學的上游學科［3］，其高校教育是現(xiàn)今時代培養(yǎng)科學創(chuàng)新素質(zhì)人才的首要基石。針對當下物理教學現(xiàn)狀，我們應該有所認識，繼而有所改善。首先，院校應該足夠重視實驗在物理教學中的地位，開設(shè)多種類型的實驗，除了開設(shè)普通物理實驗外，還需開設(shè)近代物理實驗和前沿物理實驗，并且面對全校實行預約制開放，每個實驗配備專門的助教，定期有教師在場并預告開放時間，從而提供學生根據(jù)興趣接近或深入高端與前沿物理的機會和渠道，制定規(guī)則靈活地給完成相應實驗探索的學生計入必修或選修學分。

以激光為例。激光理論早在1916年就被愛因斯坦提出，第一臺激光器也在1960年被梅曼研制出來，現(xiàn)如今激光的應用已非常廣泛。然而，我們的課堂基本還停留在僅讓學生從PPT中理解激光產(chǎn)生的三要素，很少有學校提供平臺讓學生有體驗制作激光的機會。是因為制作非常煩瑣且需要耗費很多時間嗎？非也。早在十年前德國的卡爾斯魯厄理工學院，助教為實驗教室搭建的簡易氮分子激光器在空氣中就可以工作［4］，所用的基本器材除了高壓電源外，僅僅是兩塊鋁板、一片鋁箔、一張塑料薄膜、一個電阻和兩顆螺絲釘。為了在實驗室順利制作激光，學生必然會主動提前了解激光器的原理，在操作中遇到困難又會讓他們主動思考對理論是否理解到位。最終，學生回到理論課堂進行討論總結(jié)或深入拓展，在整個學習過程中學生建立了自己的感官經(jīng)驗，物理知識才會真正沉淀為他們自己的思想。

另一方面，也可以根據(jù)理論課內(nèi)容設(shè)計簡潔小巧但內(nèi)涵豐富且物理概念清晰的隨堂實驗。當然，這需要授課教師深厚的物理功底，并投入大量的時間設(shè)計課堂內(nèi)容（包括相關(guān)的實驗小道具）。在課前預習部分，可以要求學生先行針對知識點嘗試設(shè)計小實驗，并寫出課前預習報告，作為該門課程考核的參考。這樣一來，學習的過程是獨立思考先行并在課堂中能夠與師生的思想進行“碰撞”，而不是課前未預習、課中被動接受教師的灌輸。

在高度信息化的時代背景下，提供資源和平臺引導“課堂”向“學堂”轉(zhuǎn)型，使得學生能夠進行“有效學習”，是增強學生提出與解決問題的內(nèi)驅(qū)力的主要任務。

四、授課教師應持續(xù)推進教學研究

本校從2021級開始，實行本科第一年大類統(tǒng)一培養(yǎng)，在此階段堅持夯實數(shù)理基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生學習興趣和主動學習意識，初步養(yǎng)成獨立思考和善于分析問題的習慣。經(jīng)過一年的大類培養(yǎng)，要求掌握數(shù)學、物理等自然科學的基礎(chǔ)知識，并能運用相關(guān)知識表述、推演和分析相關(guān)專業(yè)問題。無論專業(yè)分流后學生是否選擇與物理相關(guān)的專業(yè)，物理基礎(chǔ)知識是每一個理工科學生必修的內(nèi)容，也與每一個人的生活息息相關(guān)。當今科技與社會高速發(fā)展，授課教師應跟隨時代變化而推進教學研究，才能為持續(xù)挖掘?qū)W生學習的內(nèi)驅(qū)力提供源源不斷的動力。

（一）物理教學與科研的關(guān)系

在本科物理教學過程中，讓學生獲得知識和培養(yǎng)學生探索未知的能力同等重要［5］，在這個需要終身學習的信息時代，后者甚至更加重要。作為高校教師，除了需要學習先進的教學理念，注重教授能力的提高外，更要意識到“培養(yǎng)學生探索未知的能力”與“科學研究”是一脈相通的。要將教學與科研有機結(jié)合起來，以科研思維帶動教學，以教學思維促進科研。與科學研究一樣，教學研究同樣需要“較真”的精神，每一位授課教師都應該有意識地開展和推進教學研究，把培養(yǎng)學生“想學、學透、學以致用、學無止境、終身學習”的意識作為自己的教育使命和追求。有些高校專門設(shè)置純教學崗的做法有待商榷，高校教師如果只是純教學，教授課本中清楚描述的知識點，沒有科研思考作為“活水源頭”，就必然不能成為真正意義上新時代終身學習的帶頭人。

（二）“滲透式”教學與“透徹式”教學

在物理教學過程中，教師常常重視對知識點進行邏輯嚴密地描述，為了完成教學大綱的任務要求，而把課堂45分鐘安排得滿滿當當，盡量不要讓學生還留有困惑，可以稱之為“透徹式”教學。作為重頭戲的期末考試基本就是在檢驗學生“教師教的內(nèi)容記住了多少”。楊振寧在他1998年出版的《楊振寧文集》當中曾指出，這樣的學習過程“過多地強調(diào)引導或啟發(fā)學生，你一本接一本地讀書，卻讓迷障遮住雙眼。你不想探究其他事物，也沒有人告訴你要深入思考，結(jié)果只能是學生學完這一步后還希望有人會告訴他們下一步怎么辦?！?/p>

與“透徹式”學習不同，“滲透式”作為另一種學習方式，也應該受到重視。很多東西常常是在不知不覺中，經(jīng)過了長時期的接觸，慢慢地就懂了。這是人們從出生以來在經(jīng)歷中不斷學習的常態(tài)。與之相應的“滲透式”教學，應該也在課堂上占有一席之地。在課堂上不必將所有知識點講全、講深、講透，留下時間讓學生自己發(fā)現(xiàn)問題、主動思考和互相討論，最后自己解決問題的成就感，有利于進一步增強學生學習的內(nèi)驅(qū)力，這符合以學生的“學”為中心的思想。

五、以“教”帶“學”，基于知識點制作展演作品貢獻科普力量

在傳統(tǒng)課堂中，學生習慣聽教師講課，是被動學習者的角色。為了提高教學成效，也可以反過來讓學生扮演傳授知識的角色，在用自己的語言向外輸出知識之前，學生就從被動學習者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習者，知識留存率將會大幅提高。費曼和愛因斯坦都表達過類似的觀點——“如果你不能向其他人簡單地解釋一件事，那么你就還沒有真正弄懂它”。物理不是晦澀的，體現(xiàn)在生產(chǎn)生活、國防、體育及醫(yī)學等各個方面，學生若能將其中涉及的物理知識點以通俗易懂的語言表達出來，使非專業(yè)人士或社會大眾也能領(lǐng)會和接納，那么該知識才算是真正成為學生的思想，這就是以“教”帶“學”。

所謂科普，是將專業(yè)知識和科學前沿的內(nèi)容用簡潔易懂的方式傳達給社會大眾。若能帶動大學生面向公眾科普專業(yè)知識，則可謂一舉兩得，既可以作為實踐以“教”帶“學”的重要方式，又能讓學生群體作為高等教育的受益者為社會貢獻一份科普力量，從而增強社會責任感和成就感，進一步增強了學生學習的內(nèi)驅(qū)力。

社會大眾并不會對復雜抽象的物理公式和概念感興趣，要想實現(xiàn)有效科普，學生只是記住了公式會考試是遠遠不夠的，重要的是要能給出明了的“道理”（物理圖像）讓人建立“新的感官經(jīng)驗”（新知識與先前的經(jīng)驗或知識庫產(chǎn)生鏈接）。有趣的“故事”或“表演”總是吸引人的，物理大師費曼常在輕松的主題故事中完成了對自然法則原汁原味的、深刻理解的表述［6］。在課程學習的過程中，盡可能地提供機會和平臺，讓學生基于知識點思考如何制作科普展演小作品，其中易于操作的方式有以物理學院或?qū)I(yè)為單元建立公眾號，將優(yōu)秀科普作品發(fā)布出來；篩選作品的過程也可作為課程考核的一部分。

六、問題及思考

物理教育是高校教學的難點之一，為了更好地科學地改進物理教學，美國在1999年正式將物理教育［7］作為一個研究分支，從而發(fā)展出后來的很多教學理論。十年以來，國內(nèi)一些先行者倡導了其中的很多做法［8］，譬如“同伴教學法”及以學生為中心的主動學習環(huán)境與“翻轉(zhuǎn)教學”等。但在國內(nèi)高校晉升制度和壓力之下［9］，好的教學理論在實踐之中受重視程度以及成效如何［3］不得而知。最終，衡量教學成功與否的標準，還要看學生學到了什么，是否提高了對物理的興趣，是否增強了善于獨立思考及分析與解決問題的能力。不過，綜觀高校物理教學的過去與當下，從課程要求、教材建設(shè)、課程實施到課程考核等，我們要思考是否仍然有不少的環(huán)節(jié)是在消耗學生學習的內(nèi)驅(qū)力，學生修完課程后能夠留下什么知識。以其中的教材建設(shè)為例，教學當中是否必須依靠一兩本教材，所用教材多久才會更新，教材內(nèi)容的呈現(xiàn)方式是否用心激發(fā)了學生的學習興趣，以及對社會問題的關(guān)注及思考探索的欲望［10］。教學改革是慢工細活［3］，需要多方位人員的支持與協(xié)作。而在這個過程中，授課教師作為學習的引路人，是否得到了必要的支持以不斷提高自身的學識和能力，更是需要重點關(guān)注的問題。