農(nóng)林院校物理學立體化教學資源和自主性學習的研究與實踐

譚佐軍 丁孺牛 陳建軍 盧 軍

(華中農(nóng)業(yè)大學理學院,湖北武漢 430070)

農(nóng)林院校物理學立體化教學資源和自主性學習的研究與實踐

譚佐軍 丁孺牛 陳建軍 盧 軍

(華中農(nóng)業(yè)大學理學院,湖北武漢 430070)

結(jié)合農(nóng)林高校的特點對物理課程教學各環(huán)節(jié)進行了深入的研究,研究教學內(nèi)容,構(gòu)建了教材和 T.A助學系統(tǒng);研究教學方法,構(gòu)建了導學系統(tǒng);研究教學狀態(tài) (包括研究教師和學生),構(gòu)建了診斷系統(tǒng);研究教學手段,提供了多途徑的學習環(huán)境;研究課程考試,建立研究和應用題庫.以能力培養(yǎng)為核心,優(yōu)化教學內(nèi)容,構(gòu)建適合農(nóng)林類大學物理教學的教學資源,全面推進自主性學習,貫徹“以知識為載體,培養(yǎng)能力為核心”的教學理念,體現(xiàn)“教師主導,學生主體”的教育思想.

高等農(nóng)林教育;物理;教學資源;自主性學習

1 引言

農(nóng)林類大學物理學課程是為農(nóng)林類各專業(yè)學生開設的一門基礎課程,該課程是以關于自然界中最基本的物理現(xiàn)象、物質(zhì)形態(tài)、物質(zhì)運動的一般規(guī)律的理論為基本內(nèi)容,同時介紹人類在科學發(fā)展的歷史長河中了解自然、認識自然、改造自然的認識論和方法論,激發(fā)學生不斷探索科學奧秘、深化對物質(zhì)世界認識的興趣和志向.作為農(nóng)林類專業(yè)的基礎課程,應努力使學生掌握最基本的物理原理和定理及其應用方法,較系統(tǒng)地了解物理學的概念、工作語言、物理圖像、其歷史、現(xiàn)狀和前沿,認識現(xiàn)代物理在農(nóng)業(yè)科學、生物科學及現(xiàn)代科技中的應用方向,它具有其他課程不可替代的基礎作用和特殊性.學好大學物理課不僅對學生在校的學習十分重要,而且對學生畢業(yè)后的工作和進一步學習新理論、新知識、新技術,不斷地進行創(chuàng)新都將發(fā)生深遠的影響.

農(nóng)林高校由于其本身的特點,在人才培養(yǎng)的要求和課程設置上與工科院校有著較大差別,在農(nóng)林高校由于大學物理課程課時較少,也基本沒有相關的后續(xù)課程,因而造成了物理教學僅忙于知識的傳授,而忽略了對學生能力的培養(yǎng),學生的學習興趣也不高的局面.如何進行改變,在現(xiàn)有條件下,既保證物理學的系統(tǒng)性和完整性,又能在教學中培養(yǎng)學生的能力,通過對物理教學各環(huán)節(jié)的研究并結(jié)合農(nóng)林高校的特點,在國家級教改項目:“21世紀中國高等農(nóng)林/醫(yī)藥類專業(yè)數(shù)理化基礎課程的創(chuàng)新與實踐”和湖北省教改項目:“農(nóng)林高校大學物理學立體化教材的研究與實踐”項目的支撐下,我們開展了農(nóng)林高校大學物理學立體化教學資源和自主性學習的研究與實踐.我們項目的基本思路是:以能力培養(yǎng)為核心,優(yōu)化教學內(nèi)容,構(gòu)建適合農(nóng)林類大學物理教學的教學資源,全面推進研究性教學和自主性學習,貫徹“以知識為載體,培養(yǎng)能力為目標”的教學理念,體現(xiàn)“教師主導,學生主體”的教育思想.

2 研究的具體內(nèi)容

2.1 研究教學內(nèi)容 建設教材和 T.A助學系統(tǒng)

2.1.1 教材建設

在理論課方面,農(nóng)林高校使用的大學物理課教材比較多的都是工科物理教材的濃縮,由于課時較少,教學中往往只注重了物理概念和規(guī)律的表述,也就是注重了結(jié)果,而對概念和規(guī)律的提出背景和提出過程則有所忽略,這很容易導致學生學習只重視機械性記憶,難以起到培養(yǎng)學生能力的作用,同時對物理學在現(xiàn)代科技特別是農(nóng)業(yè)和生命科學中的應用也難以涉及,課堂教學比較枯燥,物理學的重要性也難以體現(xiàn),由于沒有后續(xù)課程的支撐,學生很難提起興趣.為此,我們對理論課教材進行了修訂,并于 2004年 12月由高等教育出版社出版了《大學基礎物理學》(第 2版),教材首次提出了以實物的性質(zhì)和運動規(guī)律、電磁場運動規(guī)律、光和量子運動規(guī)律三部分為框架組織教學內(nèi)容體系,體現(xiàn)與生物科學、農(nóng)林科技的有效聯(lián)系的特色,體現(xiàn)既與專業(yè)教育結(jié)合又為未來農(nóng)林科學實踐奠定基礎的特色.

實驗課教材改變了傳統(tǒng)實驗教材的寫法,將實驗內(nèi)容進行整合,把測量物理量相同、測量工具相似以及測量技術或方法一致的物理實驗優(yōu)化整合在一起,每個實驗項目下面有多個相關的原理和儀器,供學生選擇,以培養(yǎng)學生的發(fā)散思維;教材中淡化了實驗方案與步驟或用一些練習題替代實驗步驟,強化實驗環(huán)節(jié),包括實驗預習、實驗操作及小論文形式實驗報告等各個環(huán)節(jié),多從科學研究的要求培養(yǎng)學生.對實驗預習環(huán)節(jié),要求學生根據(jù)實驗指導書提供的實驗原理、實驗儀器介紹、實驗內(nèi)容要求和實驗練習題,查閱相關文獻資料,初步擬訂實驗方案、實驗步驟,即形成實驗整體輪廓,并書寫預習報告;實驗操作環(huán)節(jié),要求學生結(jié)合預習報告,在熟悉實驗儀器和工具的基礎上,在教師參與討論條件下,形成詳細的實驗方案和步驟,并實施,得到正確實驗數(shù)據(jù),觀察到實驗現(xiàn)象;最后一個環(huán)節(jié)是實驗報告,則要求學生以小論文形式書寫.學生必須自行查閱資料,自主地設計實驗方案才能完成實驗.實驗課堂上也不再講解操作步驟,老師加強課堂的巡回指導,指導學生的方案設計和步驟設計,這就要求學生在課前一定要讀懂原理,并自主設計實驗方案,自主完成實驗方案,由于每個實驗室里有 10種實驗項目,每個實驗項目只有 2套設備,學生中相互抄襲的現(xiàn)象也基本杜絕.“一個整合”和“兩個自主”,將傳統(tǒng)的驗證性實驗變?yōu)榱搜芯啃詫嶒?學生通過選擇實驗原理、自主設計方案、自主完成實驗,提高了研究能力和整體解決問題的能力.

2.1.2 T.A助學系統(tǒng) (Teaching assistant system)的建設

我們深入研究了如何在現(xiàn)有條件下保持物理學的系統(tǒng)性和完整性,如何加強學生能力的培養(yǎng).我們對農(nóng)林高校大學物理教學目標和內(nèi)容進行了深入的研究,感覺到農(nóng)林高校的大學物理課程課時都較少,在以往的教材和教學中太注重物理概念和規(guī)律的表述,也就是注重了結(jié)果,而對概念和規(guī)律的提出背景和提出過程往往有所忽略,這很容易導致學生學習只重視機械性記憶,難以起到培養(yǎng)學生能力的作用,同時也難以涉及物理學在現(xiàn)代科技中的應用,課堂教學比較枯燥,物理學的重要性也難以體現(xiàn),再加上沒有后續(xù)課程的支撐,學生很難提起興趣.為此,我們首先在教材上增加了物理學與農(nóng)業(yè)科學、生命科學相結(jié)合的實例,并根據(jù)課程要求和貫徹以“學生為主體,以培養(yǎng)能力為目標”的教學理念建立了 T.A助學系統(tǒng).針對不同的教學內(nèi)容,我們進行了一定的取舍,課堂上主要是講思維、講原因,并加強了問題啟發(fā),實物、視頻和動畫的演示,引導學生對物理現(xiàn)象進行觀察、分析、質(zhì)疑,并從中得出結(jié)論,這樣學生不僅獲取了知識,也在探索知識中培養(yǎng)了能力.

助學系統(tǒng)包括圖像庫、物理學的應用知識匯編、網(wǎng)絡輔導課件和自學式實驗教學課件.圖像庫收集制作了數(shù)千幅圖片、動畫和視頻,可以形象直觀地反映物理現(xiàn)象和過程,不僅可以極大地豐富課堂教學,而且能為創(chuàng)設情境教學提供基礎,以培養(yǎng)學生的觀察、探究能力;應用知識匯編凸顯了物理學在農(nóng)林科技和生命科學中的應用性和重要性,對提高學生的學習興趣,培養(yǎng)學生的應用能力都會起到較好的作用.網(wǎng)絡輔導課件有內(nèi)容學習、學習指導、典型例題、資料檢索、自測題 5個部分;自學式實驗教學課件有實驗項目的 PPT講解和儀器使用的視頻介紹等內(nèi)容.助學系統(tǒng)能很好地豐富課堂教學,激發(fā)學生的學習興趣,并能有效地延伸課堂教學的時空,使學生的學習不再局限于課堂.教師、教材和課件構(gòu)成了學生學習課程知識的來源,使學生學習的渠道更多也更為通暢,多渠道的學習不僅能有助于學生對課程內(nèi)容的理解、拓寬學生的知識面,還對提高學生的學習能力有所幫助.

2.2 研究教學方法 建立導學系統(tǒng)

問題教學法是教學中比較倡導的教學方法,通過問題啟發(fā)學生思維,引入教學內(nèi)容,不僅針對性強,也容易激發(fā)學生的興趣,為此我們構(gòu)建了大學物理導學系統(tǒng).導學系統(tǒng)包括各章的教學要求和問題庫,問題庫的問題主要圍繞課程的各個知識點提出,包括知識點的內(nèi)容、提出過程、適用范圍及應用等,現(xiàn)已有 500個相關的問題,這些問題能幫助學生更好地理解知識點,引導學生學習、思考,使問題教學法能順利地進行,并能對啟發(fā)學生思維,培養(yǎng)學生的質(zhì)疑能力、創(chuàng)新思維有所幫助.同時為了增強學生運用知識的能力,在問題中加入了實際應用的題目,學生可以帶著問題進行學習和探究,不僅能加深對知識點的理解,而且還培養(yǎng)了學生提出問題、分析問題和解決問題的能力.結(jié)合大學物理導學系統(tǒng),課堂實物演示實驗 (比如烏龜表面點溫的測試演示等)在課堂上的大量采用,這些演示實驗結(jié)合了生命科學、農(nóng)林類專業(yè)的應用,可以引導學生對物理現(xiàn)象進行觀察分析質(zhì)疑,并從中得出結(jié)論,這樣學生不僅獲取了知識,也在探索知識中培養(yǎng)了能力,增強了學生認識物理與專業(yè)知識的聯(lián)系.

2.3 研究教學狀態(tài) 建立診斷系統(tǒng)

構(gòu)建一個教學診斷系統(tǒng),對教學狀態(tài)進行診斷,使教學更具針對性.

教學診斷系統(tǒng)由學生自我診斷和教師教學診斷兩大部分組成,實現(xiàn)了對教學狀況和教學內(nèi)容的評價和監(jiān)控的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡化、實時化.

學生自我診斷系統(tǒng):此功能通過典型例題系統(tǒng)和自測題系統(tǒng)體現(xiàn).

典型例題系統(tǒng)是分步驟給出正確過程與答案,每一步后面都有幾個答案供選擇,答錯將給出對應知識點及相關內(nèi)容的提示、錯誤可能的原因,提供給學生進行自我診斷,答對才能進入下一步,直至整個例題解答完畢.

自測題系統(tǒng)試題充分反映農(nóng)林類大學物理教學要求,由學生用自己的學號和密碼登錄,選章節(jié)進行自測,由于每道題目都考查了一個 (或多個)知識點和認知分類,因此系統(tǒng)通過分析學生在測試時的表現(xiàn),就可以知道學生在知識點上達到教學目標的范圍和程度,并在學生測試完成后反饋給學生,使學生了解自己對知識點的掌握情況和能力水平.

教師診斷系統(tǒng):此功能通過學生學習情況分析系統(tǒng)和學生學習情況反饋系統(tǒng)來體現(xiàn).

學生學習情況分析系統(tǒng)就是在整個范圍內(nèi)從各個方面的收集分析處理學生的學習情況,了解到學生群體的現(xiàn)實學習狀況,這是教師因材施教的起點.通過此系統(tǒng)學生做自測題的各種相關信息將被記錄,教師登錄后可查詢各班級對教學大綱各知識點的掌握情況,可掌握自己所教課堂的學生情況;可查詢?nèi)Ｋ袑W生對各知識點的掌握情況,進而可對自己所教班級進行比較;還可查詢每個學生登錄次數(shù)及歷史追蹤的成績,可掌握每個學生的學習情況.這樣就可使教師的教學更具針對性,從而針對具體教學情況及時地調(diào)整自己的教學.

2.4 研究教學手段 提供多途徑的學習環(huán)境

充分利用網(wǎng)絡環(huán)境和多媒體技術等現(xiàn)代教育技術,改進教學手段,為學生提供多途徑的學習環(huán)境.2001年我們就建設了大學物理課程網(wǎng)站,2006年建設了大學物理精品課程網(wǎng)站和大學物理實驗教學中心網(wǎng)站 (大學物理課程 2003被評為湖北省優(yōu)質(zhì)課程、2008年湖北省精品課程),教學資源的助學、導學和診斷系統(tǒng)均被掛在網(wǎng)站中,以供學生隨時學習,這些學習資料在內(nèi)容、時間和空間上相互補充、相互完善,使教師的課堂教學在內(nèi)容和方法上的自主性將大為提高;學生的學習途徑也將不再局限于教材和課堂,多途徑的學習使學生不僅能更好地掌握物理學知識,而且在能力的培養(yǎng)上也將受益匪淺.

2.5 研究課程考試 建立研究和應用題庫

課程考試不僅應具備對課程教學的評價作用,更重要的應是對日常教學的引導功能,根據(jù)課程教學要求并結(jié)合農(nóng)林院校的特點,我們把考試重點放在考查學生的能力上,主要考查學生對知識點的理解能力、應用能力和邏輯思維能力,并要體現(xiàn)“講一學二考三”的思想,考試要起到引導學生學習的指揮棒的作用,引導物理教學把能力培養(yǎng)放在首要地位,僅僅靠背公式,靠題海戰(zhàn)術在考試中是很難有好成績的.通過對課程內(nèi)容和要求的研究,我們建立了大學物理研究和應用型題庫,在考試中此類題目比例大概有 30%.例如:

1)2008年的 5月 12日在四川省發(fā)生了 8級大地震.在這場地震中,透出了暖暖的愛心,來自世界各地的救援小組都趕赴災區(qū),為尋求仍然存活的生命信號群策群力.請你設計至少兩種方案來幫助這些救援小組發(fā)現(xiàn)地下活的生命體.

這些題目中的現(xiàn)象均為日常生活中的所見所聞,有些則是當時所發(fā)生的事情,我們希望通過這些試題對學生起一個引導作用,使學生注重平時的觀察、注重思考物理現(xiàn)象背后的原因.

2)激光在現(xiàn)代生物醫(yī)學技術中有著廣泛應用,例如用激光手術切除病灶細胞 (或亞細胞組織)的操作.在很多情況下,要求激光僅僅作用于操作對象而不能影響到臨近的細胞組織,這就需要把激光束聚焦在微小的區(qū)域內(nèi).現(xiàn)將激光經(jīng)透鏡 (直徑為 5mm,焦距為 10mm)聚焦后用來去除某一極微小病變組織 (可近似看作點),同時不能損傷臨近的重要神經(jīng) (與病變組織的最小距離為1μm),請分析波長為 630nm(指在生物組織介質(zhì)中的波長)的激光能否滿足要求?(假設激光束近似為平行光,且其作用僅限于零級衍射明紋內(nèi)).

這些題目就體現(xiàn)了對知識的應用,學生僅僅靠背誦、記憶課本知識點顯然是無法完成此題的,學生不僅要具備對應的知識點,而且要有較強的知識應用能力.

自 2007年應用以來,在學生中引起了比較大的震動,收到了我們預期的效果.

3 結(jié)束語

由導學系統(tǒng)、助學系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、研究和應用型題庫構(gòu)成的立體化教學資源具有與生物科學、農(nóng)林科技建立有效聯(lián)系,能與專業(yè)教育結(jié)合又能為未來農(nóng)林科學實踐奠定基礎的特色.通過應用立體化教學資源,全面推廣學生的自主學習,為學生提供了優(yōu)質(zhì)的學習環(huán)境,延伸了課堂教學的時空,形成了課堂、教材、網(wǎng)絡三位一體的教學方式,配合教師的引導和教學方法、手段的改變,實施“導學—助學—診斷”的研究性教學,對學生能力的培養(yǎng)起到了較大作用.2006年建成的大學物理精品課程網(wǎng)站和大學物理實驗教學中心網(wǎng)站.自項目實施以來,課題組老師共獲得華中農(nóng)業(yè)大學教學質(zhì)量二等獎 4項,三等獎 4項,教學研究與改革獎 1項,青年教師講課競賽二等獎 1項,優(yōu)秀獎 1項,電子教案三等獎 2項.從校內(nèi)管理部門提供的近三年學生評價結(jié)果可見,教學效果受到全校師生的贊譽.近三年主講教師教學評分均居同職前列.

[1] 譚佐軍,丁儒牛,羅賢清,陳建軍.高等農(nóng)林院校大學物理立體化教材的建設研究 [J],物理與工程,2005,15(6):65～68

[2] 王海嬰.大學基礎物理學 (第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004

[3] 王海嬰,羅賢清,王人勝.面向未來,腳踏實地,探索物理課程體系和教學內(nèi)容的改革[M].構(gòu)建 21世紀高等農(nóng)林教育體系的探索與實踐 1,北京:高等教育出版社,1997.1

[4] 柴成剛等.大學物理實驗[M].北京:科學出版社,2004

[5] 譚佐軍,丁儒牛,羅賢清.積極進行教學資源立體化建設全面推進農(nóng)林類物理教學改革[A].高等教育出版社,大學物理課程報告論壇文集,2006:45～48

2010-09-24)

湖北省高等學校省級教學研究項目(20100133).

譚佐軍 (1977年出生),男 (土家族),湖北利川人,副教授,博士,主要從事生物物理、光電技術、圖像處理研究.