問題驅(qū)動的類比法、互動型、研究性教學(xué)模式

摘 要 充分考慮一流課程應(yīng)具備的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特點(diǎn)與要求，作者以北京航空航天大學(xué)（北航）電磁學(xué)課程建設(shè)為例，經(jīng)過近四年在應(yīng)用物理專業(yè)強(qiáng)基計(jì)劃、物理學(xué)專業(yè)拔尖計(jì)劃學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐中，提出并實(shí)施了問題驅(qū)動的類比法、互動型、研究性的教學(xué)模式，使電磁學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到持續(xù)提升。

關(guān)鍵詞 電磁學(xué);教學(xué)模式;問題驅(qū)動;類比法;互動型;研究性

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著科技進(jìn)步尤其是第四次工業(yè)革命的展開，發(fā)達(dá)國家都在積極推進(jìn)高等教育管理的改革創(chuàng)新：（1）美國高校的本科教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生個(gè)性發(fā)展，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識與能力。因此，課程種類設(shè)置廣泛，為學(xué)生提供多種選擇;課堂采用研討方式，讓本科生提早了解科研，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力;考核方式多種多樣，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。（2）德國十分注重建立人才篩選機(jī)制，學(xué)生在經(jīng)過基礎(chǔ)階段學(xué)習(xí)后需要經(jīng)過數(shù)次分流才能進(jìn)入高校學(xué)習(xí)，因此學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識。在我國，隨著高等教育事業(yè)的迅速發(fā)展，本科生教育無論在規(guī)模和層次還是在數(shù)量和質(zhì)量上，都有了前所未有的發(fā)展和提高，培養(yǎng)出眾多基礎(chǔ)扎實(shí)、成績突出、科研創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀人才;但目前仍存在過于注重專業(yè)教育，忽略學(xué)生個(gè)性發(fā)展與品質(zhì)培養(yǎng)等問題，限制了學(xué)生視野的拓展和基礎(chǔ)能力的發(fā)展，束縛了學(xué)生思維的開拓和創(chuàng)新能力的形成。

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)離不開高等教育，高等教育中的課堂是人才培養(yǎng)的主陣地。如何在課堂教學(xué)中既讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論和基本方法，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識且激發(fā)學(xué)生科研潛力是高等教育工作者和高校課程建設(shè)的教師需要深入思考的問題。

電磁學(xué)是研究電、磁、二者的相互作用及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。其研究的內(nèi)容與我們的生活息息相關(guān)，可以說電磁現(xiàn)象無處不在，電磁現(xiàn)象的研究也為我們生活帶來了方便、快捷。學(xué)習(xí)、研究電磁學(xué)無論是對培養(yǎng)將來相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，還是提升學(xué)生綜合素養(yǎng)、創(chuàng)新能力都顯得非常必要。同時(shí)，全球已進(jìn)入或即將進(jìn)入智能時(shí)代，對芯片的需求更呈遞增趨勢，芯片的研制更離不開電磁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和高層次電磁人才。大學(xué)作為為國家各行各業(yè)輸送高層次人才的重要基地，理當(dāng)為芯片研究儲備科技后備力量，課程的開設(shè)也應(yīng)該適于培養(yǎng)所需的為國家、為社會服務(wù)的人才，以推動國家和全世界的建設(shè)和發(fā)展。

北航電磁學(xué)課程團(tuán)隊(duì)，根據(jù)“教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見”[1]和“教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見” [2]結(jié)合物理學(xué)院本科培養(yǎng)方案改革的要求，通過綜合調(diào)研、充分考慮應(yīng)用物理專業(yè)強(qiáng)基計(jì)劃、物理學(xué)專業(yè)拔尖計(jì)劃學(xué)生的特點(diǎn)，經(jīng)過近四年的教學(xué)實(shí)踐，提出并實(shí)施了問題驅(qū)動的類比法、互動型、研究性的電磁學(xué)教學(xué)模式的改革與探索，持續(xù)提升了課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)，有效地支撐了北航拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

1 課程建設(shè)總體設(shè)計(jì)

北航物理學(xué)院物理專業(yè)電磁學(xué)課程設(shè)置在大一第二學(xué)期，總課時(shí)80，內(nèi)容包括靜電場 恒定電流場、恒磁場、電磁感應(yīng)、電磁介質(zhì)、電路（重在暫態(tài)電路和交流電）、麥克斯韋電磁場理論，共六章內(nèi)容。相比同類院校電磁學(xué)課程，課時(shí)相對充足，授課對象為應(yīng)用物理專業(yè)強(qiáng)基計(jì)劃和物理學(xué)專業(yè)拔尖計(jì)劃學(xué)生，基礎(chǔ)較好，所以授課教師有時(shí)間和空間展開個(gè)性特色化的教學(xué)活動，促進(jìn)教與學(xué)的高質(zhì)量發(fā)展。課程建設(shè)注重了基礎(chǔ)知識的掌握、強(qiáng)化了課程內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用，以解決問題為導(dǎo)向、拓展相關(guān)領(lǐng)域前沿研究，有效提升了學(xué)生對電磁現(xiàn)象的整體思維，促進(jìn)了學(xué)生解決實(shí)際電磁問題能力的提高。

（1） 主要采用“問題驅(qū)動—經(jīng)典內(nèi)容講解—生活物理問題或前沿物理問題”的教學(xué)范式（見圖1），通過類比、互動和研究，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和深度探究，對創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索。

（2） 充分利用課堂翻轉(zhuǎn)、雨課堂等方式，將部分中學(xué)中作為重點(diǎn)講授的內(nèi)容調(diào)整為復(fù)習(xí)—研討模式;圍繞有效提升學(xué)生整體思維、以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向這一關(guān)鍵點(diǎn)，通過重基礎(chǔ)、強(qiáng)應(yīng)用、求拓新提升課程育人功能，開展電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識、前沿拓展、專業(yè)應(yīng)用三個(gè)模塊的綜合交叉教學(xué)改革（見圖2）。

通過上述兩個(gè)方面的持續(xù)實(shí)踐、迭代，形成了有特色的教學(xué)風(fēng)格，促進(jìn)了學(xué)生“知識、能力、素質(zhì)”的協(xié)調(diào)發(fā)展和創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高，滿足了一流課程兩性一度的要求。

2 基于問題驅(qū)動的類比法、互動型、研究性教學(xué)

高等教育著力培養(yǎng)知識面寬、應(yīng)變能力強(qiáng)、具備科研能力和創(chuàng)新意識的優(yōu)秀人才。筆者認(rèn)為電磁學(xué)課程，（1）在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)該除了強(qiáng)調(diào)經(jīng)典內(nèi)容的基礎(chǔ)地位外，還應(yīng)該向信息技術(shù)等領(lǐng)域延伸，讓課程與實(shí)際生活結(jié)合更為緊密，要與時(shí)代發(fā)展一致，穿插一些本學(xué)科的前沿動態(tài);（2）在教學(xué)方法上應(yīng)該讓學(xué)生有機(jī)會表達(dá)自己的觀點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生以論文形式就某個(gè)問題深入探究，計(jì)入平時(shí)考核中;（3）課外討論要利用信息化手段延長課程學(xué)習(xí)和討論的時(shí)間?；诖巳c(diǎn)結(jié)合課程建設(shè)整體設(shè)計(jì)思路，筆者提出電磁學(xué)課程問題驅(qū)動的類比法、互動型、研究性的教學(xué)模式。

2.1 以問題驅(qū)動的課程內(nèi)容講授

依托多媒體、雨課堂等平臺，實(shí)現(xiàn)問題驅(qū)動的教學(xué)內(nèi)容的引出，如課程內(nèi)容每章每節(jié)的講授中都先提出問題，利用問題引出所講內(nèi)容，繼而回到問題中。案例（見圖3）：靜電場中的導(dǎo)體。前面講述了靜電場的性質(zhì)，空間中除了產(chǎn)生靜電場的帶電體，別無他物。顯然，這樣的電場盡管性質(zhì)搞清楚了，但實(shí)際上是沒有多大意義的。因?yàn)橹挥写嬖谄渌镔|(zhì)的時(shí)空或場，才有豐富的物理現(xiàn)象，才值得更進(jìn)一步研究。于是問題就出來了，可以提出：如果把物質(zhì)（比如：導(dǎo)體）放入靜電場，導(dǎo)體將發(fā)生什么變化？ 靜電場又如何受導(dǎo)體的影響呢？這樣自然就把課程內(nèi)容引出來了。再如這部分內(nèi)容講完后，學(xué)生清楚了解相關(guān)知識點(diǎn)后，問題又來了，那么借助導(dǎo)體在靜電場的性質(zhì)，有何實(shí)際應(yīng)用呢？ 這樣就引出了下個(gè)知識點(diǎn)———靜電屏蔽。這是課堂知識內(nèi)容的問題驅(qū)動，課后靜電屏蔽的具體實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)研讀有關(guān)書籍和文獻(xiàn)，討論如何做到高質(zhì)量的靜電屏蔽？ 電場可以有屏蔽，和電場有相同平方反比定律的萬有引力場是否也能做到屏蔽呢？ 如果不是導(dǎo)體，而是其他的電介質(zhì)，又該如何研究呢？ 如此從課堂—課中—課后，都用問題激發(fā)學(xué)生，這樣除了高效完成課程內(nèi)容的講授外，也培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、思考問題、解決問題的能力。

2.2 以問題驅(qū)動的類比方法學(xué)習(xí)

電磁學(xué)內(nèi)容包括電和磁兩部分，在研究對象上有很強(qiáng)的相似性，在研究方法上更有類比性，教學(xué)活動中要善于抓住兩者現(xiàn)象、規(guī)律、研究方法、實(shí)際應(yīng)用等方面的相似性，充分利用類比法，無論是課堂知識的講授中還是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力都會起到事半功倍的效果。內(nèi)容的講授上，比如庫侖定律與安培定律，二者研究的都是非接觸物體之間定量的相互作用規(guī)律，都是大量猜想、實(shí)驗(yàn)、理性思維的結(jié)果。不同的是庫侖定律研究的對象是電荷，現(xiàn)實(shí)中存在，而安培定律研究的是兩個(gè)電流元之間的相互作用，電流元本身是不存在的。但兩個(gè)定律從數(shù)學(xué)形式上非常相似，都是平方反比律，前者是有心力，后者是非有心力。兩者完全可以對比學(xué)習(xí)，增強(qiáng)對規(guī)律的認(rèn)識。講授中要善于發(fā)問，從庫侖定律的提出、研究對象、結(jié)果、適用范圍等，引出安培定律要解決的問題，如何解決？ 等等。再如直流電路、暫態(tài)電路和交流電路三者的對比學(xué)習(xí)，授課中抓住三者的相似地方，都可以用基爾霍夫第一、第二定律進(jìn)行求解，同時(shí)，強(qiáng)化三者的特色與不同。教學(xué)中，要始終樹立用已有的知識去類比學(xué)習(xí)未涉及的內(nèi)容的理念。同時(shí)可以讓學(xué)生去總結(jié)歸納體會類比在電磁學(xué)學(xué)習(xí)中的強(qiáng)大用處。

事實(shí)上，除了課程內(nèi)容中的類比外，利用電和磁之間的關(guān)系以及和物質(zhì)的相互作用，也可以進(jìn)行類比法展開課程思政（見圖4）。比如，抓住知識主線：真空電（磁）→電磁相互作用→電磁感應(yīng)→電磁波，再到探討介質(zhì)中的情形。類比到思政育人主線：獨(dú)立個(gè)體→相處交往→友誼愛情→美好生活，再到不同背景環(huán)境中人與人之間的交往。

2.3 以問題驅(qū)動的互動模式教學(xué)教學(xué)

不止課堂，輔以實(shí)踐教學(xué)、成果交流的方式，拓展課堂的時(shí)間和空間，構(gòu)建教師教、學(xué)生學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐三者融合迫在眉睫。近四年教學(xué)實(shí)踐中，課程組從問題出發(fā)，以切主題、重互動和展成果為導(dǎo)向，籌劃構(gòu)建了教學(xué)研互動模式（見圖5）。比如：課堂教學(xué)中互動，重要公式的推導(dǎo)、相似現(xiàn)象的類比、每個(gè)模塊結(jié)束后的小結(jié)等;實(shí)踐教學(xué)中互動，充分利用學(xué)校演示實(shí)驗(yàn)器材資源，向?qū)W生形象展示電磁現(xiàn)象，鼓勵(lì)學(xué)生自己動手操作，互相交流;成果展示中互動，通過大作業(yè)、遴選相關(guān)的大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽題目鍛煉學(xué)生對課堂知識的運(yùn)用，采用作品交流、論文等展示成果，使師生更好交流互動。

2.4 以問題驅(qū)動的研究潛力培養(yǎng)

課堂知識不是學(xué)得越多越好，而是要注重對知識的運(yùn)用和駕馭能力，電磁學(xué)現(xiàn)象在生活中無處不在。掌握課堂知識后，如何用課堂知識去解決實(shí)際問題，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的必要考慮。課程團(tuán)隊(duì)精心醞釀、提煉生活中的相關(guān)電磁現(xiàn)象和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽有關(guān)題目，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完相應(yīng)知識點(diǎn)后，嘗試一定程度的解決。比如在課堂教學(xué)中穿插基礎(chǔ)知識關(guān)聯(lián)度很強(qiáng)的大作業(yè)：平方反比律、電屏蔽、電勢零點(diǎn)的選取、磁屏蔽等，也有偏電磁應(yīng)用的加速器、電動機(jī)、電流計(jì)等，還有科學(xué)前沿的憶阻器等，輔以大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽相關(guān)電磁學(xué)的題目，如磁力小火車等，課程相關(guān)內(nèi)容講完后，布置給學(xué)生從原理、思想、科學(xué)方法等方面進(jìn)行準(zhǔn)備和課堂展示。這些教學(xué)活動既強(qiáng)化了基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，增加學(xué)生對內(nèi)容的興趣，又強(qiáng)化了課堂知識的運(yùn)用，綜合能力得到提升（見圖6）。

3 結(jié)語

本文以筆者在北航對應(yīng)用物理專業(yè)強(qiáng)基學(xué)生和物理學(xué)專業(yè)拔尖學(xué)生講授電磁學(xué)課程為例，主要強(qiáng)調(diào)了以問題驅(qū)動的課程內(nèi)容講授和以嘗試解決的開放問題訓(xùn)練，輔以類比、互動和研究的教學(xué)模式（見圖7）。這種模式注重了學(xué)生物理思維的浸潤和引導(dǎo)，充分發(fā)現(xiàn)和挖掘具有創(chuàng)新研究潛質(zhì)的學(xué)生，除了課堂基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)外，通過演示實(shí)驗(yàn)、解決實(shí)際問題等訓(xùn)練，推薦參加大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽、北航馮如杯等，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。課程建設(shè)符合兩性一度的一流課程要求，相信此種模式會對其他相關(guān)類課程有一定的參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 教育部. 教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才

培養(yǎng)質(zhì)量的意見[Z].教高〔2019〕6號，2019-10-08.

[2] 教育部. 教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見[Z].教

高〔2019〕8號，2019-10-30.