大學物理課程節點教學法的研究與實踐

梁裕民，李正群，顧學文，郭文剛，康慧珍

(軍事交通學院 基礎部，天津300161)

教學內容與方法的改革是教學改革的核心，作為具有悠久歷史的大學物理課程，其內容的廣泛性、傳統性和基礎性卻制約了這兩方面的變革［1-2］。軍事交通學院在教學實踐中，以培養學員綜合素質為準繩，創造性地繼承經典的課程體系，切實以研究問題和處理問題的方法為導向，辨證地組織傳統的教學內容，將整體課程從方法、內容、數學工具和施教媒體4 方面系統地進行規劃，并以節點的形式有機地結合在一起，形成了以方法為導向、內容為基礎、數學為依托、媒體為載體的立體節點式的課程教學體系，在教學實踐中取得了良好的效果。

1 大學物理課程教學的定位及節點教學的概念

1.1 大學物理課程的教學定位

單門課程的教學定位應服從學員整體的培養方案。為實現數理基礎扎實、專業知識寬厚和自修能力完備的總體培養目標，大學物理課程教學應重點把握方法體系的傳授、數學工具的應用和普遍問題的研究3 個方面。

大學物理課程的教學內容涵蓋了科研及工程中的普遍問題。引導學員對不同研究對象應用恰當的研究方法，全方位地對普遍問題進行學習，在建立完備方法體系的同時，以課程中豐富的物理模型為基礎，培養學員將實際問題轉化為數學模型，進而進行定量分析，并最終利用數學工具解決問題的能力，對學員今后的實際工作具有深遠意義。這種突出方法、重視內容、強化定量的課程教學定位，使方法體系、教學內容和數學工具緊密交織、相互促進，形成以方法為導向、內容為基礎、數學為依托的教學體系。

1.2 課程節點教學的概念及體系

節點是網絡線路連接構成的物理和邏輯意義上的聯通交匯點。筆者所定義的課程節點，就是大學物理課程教學中的方法主線、內容主線、數學工具主線和媒體主線的聯通交匯點，以4 條主線聯通交匯點為中心展開的課程教學體系，即為節點教學課程體系。

節點教學體系是在建立完整的方法主線、內容主線、數學工具主線和媒體主線的基礎上展開的，整體的教學架構也變為主線定位、選擇節點、構建鏈接、主線融匯和主線歸復5 個過程。主線定位是依據課程標準，將教學目標在4 條主線中分別定位，除對方法、內容和數學工具的要求外，為實現“利用恰當的手段講解恰當的內容”的目的，還要對教學媒體進行定位;選擇節點是以1 個或幾個完整的教學單元為單位，將分立的4 條主線利用聚斂思維關聯起來，遴選物理節點;構建鏈接是以節點為中心，將4 條主線的相關內容從邏輯上進行分布，構建最佳鏈接次序;主線融匯是在1 個教學節點上，對4 條主線的內容進行綜合講解與應用，以提高學員解決實際復雜問題的能力;主線歸復是將節點關聯知識重新回歸到4 條主線上，恢復各自主線的完整性。節點課程教學體系將完備的方法主線放到了課程的導向地位，將綜合運用數理知識能力的培養作為教學的中心目的，將教學媒體的選擇提高到教學體系的高度，充分體現了教學布局的規范性，而體系中靈活的節點遴選機制又充分保證了教學實際中的可操作性。

2 大學物理課程節點教學法的實施

2.1 方法導向下4 條課程主線的構建

2.1.1 構建方法主線，引導教學進程

方法主線在教學進程中起著導向作用。筆者將大學物理課程中的隔離體法、能量法、守恒法、類比法、組合法、選系法、參考系變換法、演繹法、統計法、對稱法、力線法、特解法、旋轉矢量法、圖線法、波陣面法、波程差法、半波帶法、駐波方法、近似法及量綱法等20 余種方法，按照物理學方法論的解釋原理、簡單性原理、統一原理、守恒原理、對稱原理、數學化原理、對應原理、互補原理、可觀察性原理和基元性原理等10 大原理，以方法體系為綱，著眼于學員分析問題和解決問題能力的培養，結合內容主線，構建結構科學、層次清晰、內容充實的方法主線，為課程節點教學勾勒出綱領性脈絡。

2.1.2 構建內容主線，做實教學基礎

大學物理課程的內容體系具有很強的傳統性和經典性。在構建內容主線的過程中，針對方法主線中同一脈絡的不同部分，重組教學內容，創建新的教學節點，按照課程標準，為方法與內容的講解構建新的內容主線。例如，質點學、剛體學、振動與波、相對論4 部分的教學內容差異很大，但方法主線都是由運動學切入，進而進行動力學分析，再由時空積累效應過渡到守恒問題;數學工具主線又均為矢量、微積分和微分方程，根據其特點，構建主講質點學、類比剛體學、分析振動與波、綜合相對論的內容主線，將方法和數學工具主線與內容主線融合在一起，形成以內容為中心的教學節點，使整體教學體系建立在新的內容主線之上。

2.1.3 構建數學工具主線，提高學員數理能力

從總體培養目標出發，對學員應用數學工具研究普遍問題能力的培養，與方法能力的培養同等重要，構建完整的數學工具主線，對達到培養目標具有良好作用［3］。筆者將大學物理課程涉及的數學分析、場論、概率論、復變函數、數理方程和線性代數6 門課程中的30 多種數學工具，按照應用內容，構建數學工具主線，將物理思維和數學思維高度融合，3 條主線有機融匯，使整體課程體系更具有可操作性。例如，微積分的分析方法是大學物理課程中的基本數學工具，從質點運動學到質點動力學，從功和能到剛體轉動，從靜電場到穩恒磁場，都有用微積分來解決的問題，筆者將微積分這一數學工具作為一個教學節點，從微積分的分析思想去把握物理方法、解決物理問題，在課程內容的展開與學員數理能力的培養方面取得了良好的教學效果。

2.1.4 構建媒體主線，完善課程體系運行細節

正確的教學媒體選擇，對完善課程體系的運行細節和提高教學質量具有事半功倍的效果［4］。筆者對板書、投影片、錄像片、演示實驗和CAI 這5種大學物理課程教學媒體的特點進行研究，形成了邏輯層次性強的板書講授、結構體系強的投影片講授、動態形象化強的視頻講授、實效認知性強的演示實驗講授和參數可控的精確數據處理下的CAI 講授5 種媒體講授形式，依托方法、內容和數學工具主線，根據教學特點和媒體特色，以教學效果為根本，擇優配比，使各種媒體相互配合、相互補充，形成大學物理課程多媒體輔助教學架構方案，建立起完整的教學媒體主線，突出節點教學的環節精細化和思維發散化的宗旨，提高了教學效益。

2.2 節點選擇原則與鏈接構建的方法

2.2.1 節點選擇原則

教學節點從本質上講就是1 個或多個完整教學內容中多條主線的融匯點。當出現多個節點時，應優先遴選4 條主線完備的最佳節點;數學工具和媒體主線應遵從方法和內容主線的走向;對主線缺失的節點，應優先考慮方法主線完整，可犧牲一些內容系統性來保障思維的連續，提高學員求知狀態系數，強化其認知能力的培養。節點的選擇應充分發揮聚斂思維的效能，但應依托1 條主線發展——這條主線應保持普遍性的最大化、系統性的最優化和復雜度的最簡化，從而體現教育以人為本的理念。

2.2.2 節點鏈接構建的方法

以方法主線為節點中心的鏈接構建，重點在于與其內容主線的融合。例如，在力學、熱力學、電場、磁場和量子物理中，分別講授動量守恒、角動量守恒、機械能守恒、能量守恒、電量守恒、質能守恒等內容，雖然相關教學內容貫穿了整個課程，但它們具有1 條共同的方法主線，即以守恒法為教學節點，針對不同的守恒類型，分別選擇演示實驗、計算機模擬、理想實驗和板書為講授媒體，應用矢量、微積分、極坐標、坐標變換等數學工具，總結出守恒法中守恒量選取的規律、過程量與狀態量關聯性的確定、守恒形式的推導、守恒條件的判定4 大原則，在深化教學內容的同時，將4 條主線緊密結合在一起，使學員切實掌握守恒法在不同問題中的實際應用。

以內容主線為節點中心的鏈接構建，適用于物理體系清晰、方法和數學工具類比性好、內容對稱性和研究順序性強的內容。例如，動量和動能的講解，從物理體系上看，就是力分別對時間和空間的積累，對稱的過程量分別為沖量和功;從數學工具上講，兩量分別屬于矢量與標量，兩者既對稱又不同，矢量特性使動量定理具有方向的定義，標量的特性將勢能概念引入動能定理，進而引出功能原理。在教學過程中，筆者從內容主線出發，將動量和能量結為1 個教學節點，對不同的研究對象應用相似的分析方法、分析順序和數學工具，使分析過程具有普遍性和可推廣性。

以數學工具主線為節點中心的鏈接構建，適用于物理學與數學結合緊密的教學點。例如，重力場、萬有引力場、溫度場、熵、電場、磁場等教學內容，其數學工具均為場論;而保守力、非保守力、場強、勢能、高斯定理、環路定律、有源場、無源場、梯度、散度、旋度等概念，屬數學和物理學共有。以數學工具主線為教學節點，將物理學的方法與數學的思想融會貫通，為數學場論提供6 個不同機理和類型的實際場模型，對有源無旋和無源有旋2 種場，應用1 種數學工具進行物理分析，為抽象的數學方法賦予明確的物理意義，極大地提高了學員應用數學定量解決普遍問題的能力。

以媒體主線為節點中心的鏈接構建，應貫徹立足內容要求、結合方法特征、注重教學效果、充分發揮媒體優勢的方針。這里的教學效果不是越直觀、越明了越好，教學的本質應該是思維訓練。例如，在相對論時空觀內容的講解中，筆者就依據內容和方法特征，以媒體主線為節點，選擇板書加思想實驗作為教學媒體，從經典時空觀到伽利略相對性原理，從洛侖茲變換到時間膨脹和長度收縮，以理想的“投球實驗”(虛擬實驗)為切入點，通過嚴謹的數學變換方法，逐步呈現經典時空觀的困難，進而建立正確的相對論時空觀，雖然沒有現實生活中的實驗可舉例，而且過程抽象，但是由教員“一筆一筆”層層深入地帶領學員逐步把握住相對論的物理基礎和邏輯本質，實時處理學員在每個邏輯點可能出現的問題，教學效果遠比實施其他媒體的跳躍性講解好。

2.3 節點教學體系下主線的融匯與歸復

2.3.1 節點教學中主線融匯與歸復的目的

節點教學中的主線融匯與歸復主要指方法、內容和數學工具的融匯與歸復。主線融匯是指在教學節點上4 條主線內容的綜合應用;主線歸復是指將節點關聯的知識重新回歸到4 條主線上，恢復各自主線的完整性。主線融匯與歸復的目的分別為強化綜合能力和完善主線架構。在實際教學中，筆者重點處理方法主線，采取“捋脊骨，順肋骨”的辦法，以方法主線為“脊骨”，將同一類型的方法結合在一根“肋骨”上，將大家熟悉的內容主線以方法為基準實施整合，突出各種方法間的聯系與不同，一環一環地接牢“脊骨”，不僅在內容主線上進行橫向比較，還在方法主線上進行縱向比較，以方法為導向，切實提高學員分析問題和解決問題的能力。

2.3.2 節點教學中主線融匯與歸復的過程

節點教學中的主線融匯與歸復不但在常規教學中實施，而且還貫穿整個教學過程，貫穿于章節總結課中。在緒論課里，筆者就開始考慮章節總結課的內容，切實以勾勒各條主線為目的，統一協調、統一安排，在恰當的教學節點，應用恰當的教學方法，安排具體的內容，突出不同主線上的聯系點，并點明教學層次，確實使各條主線在課程教學中起到畫龍點睛的作用。筆者將這一作法形象地稱為“實施硬盤式教學”，即在緒論課上就給學員介紹方法、內容和數學工具主線的結構，就像硬盤的格式化;在課堂教學中按結構逐步將“硬盤”寫滿;在最后的總結課中依照“硬盤”的樹狀目錄結構，理清主線的脈絡，使整個課程渾然一體且體系清晰、層次分明。

3 應用情況和實踐效果

大學物理課程的節點教學法自2011 年在軍事交通學院實施以來，在“教”與“學”兩方面均取得了良好的效果。

一是教員的教學能力得到較大的提高。教研室在各項教學活動中屢獲殊榮，包括2 人獲軍隊院校物理教學競賽一等獎，1 人承擔軍隊院校北京協作中心物理教學觀摩課，獲軍隊院校北京協作中心物理教學競賽一、二、三等獎各1 人，1 人獲學院教學競賽一等獎，1 人獲學院課堂教學質量抽查第一名。特別是2013 年，2 人分別以高職組和中職組第一名獲得學院基礎部教學競賽特等獎，1 人獲得軍隊一等獎，充分體現了團隊的綜合教學素質，說明節點教學法對教研室整體教學能力的提高具有持續性支撐作用。

二是學員的創新能力得到較大的提高。參加4 屆天津市大學生物理競賽，獲得8 項特等獎、13項一等獎、34 項二等獎、45 項三等獎，獲獎比例高出競賽平均獲獎比例10%;參加3 屆中國大學生物理學術競賽，獲得2 項團體二等獎、1 項團體三等獎，尤其是2013 年，在以“211”和“985”院校為主體的全國38 所參賽院校中，與北京大學、清華大學、南開大學和國防科技大學等名校同場競技，最終以綜合成績第五名獲得二等獎，在參賽院校中引起廣泛關注，體現了大學物理課程節點教學法的實踐效果。

4 結 語

節點教學法作為一種新型的教學理念和形式，構建了以方法為導向、內容為基礎、數學為依托、媒體為載體的立體教學體系，對大學物理課程教學具有較好的支撐作用，在教學實踐中取得了良好的效果，具有較強的借鑒意義和推廣價值。

［1］ 教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委會. 理工科類大學物理課程教學基本要求［M］. 北京:高等教育出版社，2010:1-4.

［2］ 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［J］.物理與工程，2012，22(4):50-52.

［3］ 丁亞明，曹彥鵬，陳延德. 對大學物理中微積分應用的認識［J］.甘肅聯合大學學報，2011，25(5):100-113.

［4］ 方麗梅，祖小濤.對工科大學物理教學改革的幾點思考［J］.電子科技大學學報，2005，7(S1):93-94.