結合專業特色的大學物理課程教學改革探索

李 宏 谷建生 莫文玲

（1河北聯合大學理學院，河北 唐山 063000；2河北聯合大學以升創新教育基地 ，河北 唐山 063000）

物理學是一門和自然界基本規律直接相關的科學，它是研究其他自然科學的重要基礎.物理學不僅蘊含著先進生產力，同時也蘊含著先進文化，對人類的未來將起決定性的作用.

在大學物理教學中，結合專業特色，將物理學的知識與學生后續專業課程的相關內容結合起來，讓學生體會到學有所用的樂趣，對學生學習大學物理課程和后續專業課程都會有事半功倍的效果.

1 目前大學物理課程的教學現狀

1.1 課堂隨機調查結果

筆者對大學本科生作了20節課的課堂隨機調查，結果如下：

遲到8%；早退2%；認真聽課48%；做筆記17%.

玩手機6%；睡覺9%；心不在焉、交頭接耳2%.

吃東西2%；接電話、聽音樂等做其他事6%.

到課率：一年級94.6%，二年級83.7%.（大學物理課程一般都在大一下半年和大二上半年跨年度開設）.

學生在課堂能認真聽課的，只近一半；學生的出勤率呈現高年級比低年級下降的趨勢.

1.2 教師中存在的問題和學生的意見

大部分教師的科研任務重，在教學上投入不足，青年教師在教學法上急需提升等原因，直接影響課堂教學的質量.

對教學效果不佳的老師，學生的反映有：老師的講課不吸引人，上課單調；照本宣科，枯燥無味滿堂灌；把PPT當講稿，面對著大屏幕，不理會學生的反應.

老師不關心學生怎樣學習，學習效果如何；學生不知道學這門課有何用；……如此種種現象導致學生沒有學習的興趣和動力，教師也有失講課的信心和激情.

如何提高課堂教學質量？我們認為：課堂教學關鍵在于激發學生的學習興趣，把好奇心（人的本能）向對知識的探索方向引導（求知欲）.根據學生專業課程特點、結合學生需求精選教學內容，讓學生感受到學以致用.

2 大學物理課程與專業課程知識相結合的教學改革

物理學是自然科學的核心，是新技術的源泉.在大學物理課程教學過程中，不僅要注意物理學的系統性，同時也要注重與后續專業課程的結合.下面是筆者的一些體會。

2.1 把大學物理課程的特點與作用講到位

大學物理課程是高等院校理工科各專業學生的一門重要的基礎課，其內容包括力學和相對論、波動學、熱學、電磁學、近代物理5部分.有幾種重要思想：一是微積分的思想.公式推導定量表示時廣泛運用微分、積分的知識.二是矢量的思想.大學物理課程中大量的物理量的表示都采用矢量，把物理量的矢量放到適當的坐標系中分析，如直角坐標系、平面極坐標系、切法向坐標系、球坐標系、柱坐標系等.三是理想模型的思想.物理中分析問題為了簡化，常采用一些理想的模型，如力學中質點模型和剛體模型，熱學中理想氣體和孤立系統模型，電磁學中點電荷、電流元、電偶極子模型等等.當然，大學物理課程中還存在大量無法直觀反映的模型，必須通過發揮自己的想象力來構造出來.

通過大學物理課程的學習，不僅對自然界各種最基本的運動形態及其所遵守的規律能獲得較全面系統的認識，同時在研究方法、實驗技能、運算技巧、分析能力和獨立工作能力方面，也將獲得基本的訓練.因此，學生學好必要的物理知識，將為更好地學習專業知識和近代科學技術打下堅實的基礎，同時通過該課程的學習培養科學的思維方法及分析問題和解決問題的能力.

2.2 讓學生了解大學物理課程與其他自然科學及生產技術的關系

物理學和其他自然科學及生產技術是互相促進和互相滲透的關系，是理論和實踐的關系.物理學不像有些學科能較易產生直接經濟效益，它屬于基礎學科，但它一旦出現突破，便引起工業革命、技術革命，因而推動社會生產力向前飛躍地發展.例如，18世紀的以機器代替人工繁重體力勞動的工業革命推動了熱學的發展.19世紀的電磁學把人類社會帶進了電氣化時代.20世紀核物理的成果迎來了原子能時代；激光這種新型光源的出現并很快在生產和科學技術中得到廣泛應用，對人類社會文明產生了劃時代的影響；以半導體物理為基礎的電子信息技術，它所引起的技術革命比歷史上任何一次對社會帶來的沖擊都更為巨大，等等.

基于物理學對各種科技領域發展的巨大推動作用，大學物理課程教學中應該注重引導學生關注物理科學的前沿領域，以及物理學與其他學科的交叉和向其他學科的滲透.

2.3 及早提出一些相關專業問題，讓學生用大學物理課所學到的知識進行合理解釋

2009年，筆者給“光源與照明”專業講授大學物理課程，在教學中筆者讓學生用物理知識合理解釋如下的問題：你關注了人們日常生活不能缺少的照明用燈嗎？說說白熾燈和熒光燈的發光機理有什么區別？為什么國家推廣使用節能燈？你了解當前異軍突起的照明新光源LED嗎？學生需要查閱熱輻射的原理、原子的發光原理，才能了解白熾燈和熒光燈發光機理的區別；需要查閱節能燈的相關知識，了解節能燈的優勢；需要查閱LED的熱點問題，了解LED的發展趨勢等.合理地結合生活實例，巧妙引入專業知識進行提問，將有利于物理教學的深入淺出和因材施教.

類比諸如應用干涉現象測量微小的尺寸，靜電屏蔽現象對精密儀器的防護作用等工程應用，引導學生找出自己專業領域能夠正確使用物理學理論合理解釋的相關難題.例如對“光源與照明”專業的學生，筆者提出如下工程問題：機器上的主軸斷了，應從力學的哪個角度分析？發光二極管的理論依據是什么？激光刻錄和激光點焊的原理是什么？引導學生帶著問題去學習，反過來更能提高他們學習大學物理的積極性.

2.4 注重結合專業問題的講解，讓學生體會到專業課程對大學物理課程的相依性

給“光源與照明”專業講授大學物理課程，筆者注意到光學理論是進行燈具設計的重要理論依據.一方面照明主要是為人的視覺服務，為此需要了解人眼的視覺功效，對于視覺敏銳度（即視力）可從波動光學的角度進行更精確的分析.由于幾何光學的成像是一個物點對應一個像點，而波動光學是一個物點對應一個艾里斑，筆者在講到圓孔衍射時，結合人眼視力的評定標準使學生容易理解瑞利判據，也對人眼視力的概念有了更深刻的認識.另一方面因為偏振光是產生眩光的重要因素，為減少眩光的作用，在燈具中須采用特殊設計的反射罩，使其射出的光線成為豎直方向振動的偏振光，這種光在工作面上反射時，沒有水平方向的偏振光，因而就沒有眩光.在講到偏振時重點介紹自然光和偏振光的區別，以及如何獲得偏振光，幫助學生理解特殊反射罩的設計.

2.5 突出強調物理學的研究方法是突破新學科理論研究瓶頸的切入點

物理學中建立理想模型的思想和方法，在學科的理論研究中起到了重要作用.突出主要因素，忽略次要因素，才能總結出符合實際的規律和理論，使規律和理論更具普遍性.例如“光源與照明”專業的“陰極電子學”課程中在講解純金屬熱電子發射模型的建立時，總結出用鎢做純金屬陰極的熱電子發射規律，就是一個成功建立理想模型的應用實例.

在物理學研究中形成和發展了多種形式的科學方法，比如類比的方法，德布羅意運用類比的方法把實物粒子與光進行類比，由光的波粒二象性預言實物粒子的波粒二象性，最后導致波動力學的建立，這是物理學運用類比方法的光輝典范.再比如假說的方法，假說是物理學創造力的表現，1861年麥克斯韋對變化電場產生感應電動勢的現象作了深入研究，大膽地提出了“位移電流”假說，位移電流的引入是建立電磁場和電磁波理論的關鍵一步.

對于復雜的物理問題，常常需要建立積分方程來解決.解決問題的關鍵是找“微元”，質點、分子、電子等可稱作“微元”，元位移、元功、元電荷產生的元電場、元電荷產生的元電勢、元電通量、元電流產生的元磁場、元磁通量等等也是“微元”.“微元”的重要性在于：一旦找到了“微元”，問題無論多么復雜都可以解決，后面的工作就是如何運用數學工具，乃至利用電腦編程去解決問題獲得結果了.同樣，復雜的工程問題在找到“微元”之后，就找到了解決辦法.例如在“光源與照明”專業的“照明技術”課程中“電光源照度的復雜計算”一節，其中的點光源就是“微元”.

在科學研究中恰當運用相應的科學方法，能夠在新領域不斷產生新的科技成果.例如光源與照明領域利用原子的激發輻射發光，科學家研制出多種氣體放電光源，類比帶電粒子復合發光，成功研制出半導體場致發光二極管LED，LED作為備受推崇的綠色照明光源，正在開啟人類照明的嶄新時代.

2.6 引導學生重視物理學提供的科學研究的基本訓練

物理實驗的獨到設計，反映出科學大師嚴密的邏輯推理和超乎尋常的創造性思維.比如歷史上著名的夫蘭克－赫茲實驗，它是玻爾量子化能級假設的一個決定性證據，也是原子能量的發射和吸收具有量子化特征的一個重要證明.實驗證實，當外界提供的能量正好等于原子內兩能量狀態的能量之差時，才被原子吸收.遵循物理實驗的設計思路，在科學研究過程中合理設計實驗，對科研開發的成功具有重要意義.

3 結語

我們來描繪這樣一棵知識大樹：基礎科學是樹根，應用科學是樹干，有效益的科技成果是果實.物理學這門理論和實驗高度結合的精密基礎學科正在用它巨大的根基為知識大樹輸送著豐富的營養，結出累累碩果，使得科技成果頻出.正因如此，大學物理課程教學與專業課程的合理結合，不失為給學生描繪知識大樹的有效模式.

當然這樣的教學改革對教師也是一個很大的挑戰，教師要了解所授課學生的專業課程內容，進行精心的教學設計，巧妙銜接物理學理論和專業課程知識.通過在不同專業學生中實施這種教學改革，取得了很好的效果.學生的出勤率有所提高，認真聽課的學生人數明顯增多.學生知道了為什么要學習大學物理，不僅能夠積極主動地思考問題了，而且能想方設法去尋找解決問題的辦法.

［1］ 趙凱華.20世紀物理學對科學、技術的影響，物理學照亮世界［M］.北京：北京大學出版社，2005：1－28.

［2］ 韓仙華，等.人才培養的復雜性和物理教學，大學物理課程報告論壇文集［M］.北京：高等教育出版社，2005：325－328.

［3］ 劉敏薔.物理教學中運用“微元法”培養學生分析問題的能力，大學物理課程報告論壇文集［M］.北京：高等教育出版社，2005：98－100.

［4］ 張春華，范仰才，譚誠臣.應用型人才培養模式下的工科大學物理教學改革探索［J］.物理與工程，2012，22（4）：50－52.

［5］ 羅文華.大學物理教學改革的對策［J］.物理與工程，2013，23（4）：34－36.