基于實例的應用型大學物理教學模式改革*

孫 輝 韓玉龍 孫金芳(安徽信息工程學院基礎教學部 安徽 蕪湖 241000)

基于實例的應用型大學物理教學模式改革*

孫 輝 韓玉龍 孫金芳
(安徽信息工程學院基礎教學部 安徽 蕪湖 241000)

應用型高等教育要求大學物理的教學模式要圍繞應用型進行改革.基于物理應用實例打造的應用型大學物理教學模式，其主要內涵是教師在知識講授的基礎上運用實例教學，采取學生小組合作學習的方式，完成基于實例的課程項目，以此促進教學向以學為主轉變，全面提升學生的綜合素質.

物理實例 應用型 大學物理 改革

地方高校在向應用型轉型的過程中，對于基礎的數學類和物理類課程也相應提出了應用型課程教學改革的要求[1].由于應用型本科高校更加注重培養學生的實踐能力和綜合素質，所以以學科知識要求為導向的課程教學模式，也就是傳統的講授型教學，對于是否滿足應用型人才培養要求值得商榷[2].以大學物理教學為例，雖然講授的方式可以在課時壓縮的情況下仍能保證學生系統地接觸力、熱、電、磁、光等物理知識，但是從教學實踐來看，效果往往欠佳：首先是學生較難融入課堂，因為缺乏有效載體進行互動，大多數學生在課堂上對于新知識的接受程度很低；其次，學生往往會把物理課程當成是理論和公式的堆砌，難以聯系實際，因為認識不到實用價值而喪失學習的動機；最后，教師也僅僅關注學生利用理論解決習題的能力，同樣忽略了物理的實用性.

針對這些問題，我們提出了基于實例的應用型大學物理教學模式，即Practical Applications of Physics (簡稱PAP)模式.這種模式易于實現和推廣，尤其是針對地方應用型本科高校的學生，其教學效果較傳統講授式更加明顯.

1 內容和講授方式的優化

我們參照國外高校物理基礎課程的教學大綱和優秀教材(H. D. Young, R. A. Freedman, and A. L. Ford, Sears and Zemansky′s university physics with modern physics, 13th edition)，將大學物理的教學內容進一步凝練；同時在講授理論的過程中，使用由特殊到一般和歸納類比的方法，而不是進行冗長的推導.比如，講授靜電場高斯定理時，從特殊的點電荷出發；講授磁力做功時，從特殊的一邊可滑動的導線框開始.再如，學生學習剛體轉動和恒定電流磁場這類中學階段未接觸或未深入討論的新知識時，教師通過類比平動和靜電場中的物理量和理論，讓學生在繁雜的公式間建立起明晰的映射關系.

2 基于實例的應用型物理教學模式

我們按照物理學科知識體系分別編寫了相應模塊的物理應用實例.比如力學中包含多級火箭、陀螺儀和四旋翼無人機等，熱學中包含內燃機、空氣能設備和熱電偶等，電磁學中包含電阻式傳感器、電容式傳感器、霍爾傳感器和無線充電等，光學中包含3D眼鏡、虛擬現實和增強現實技術等.這些實例具有注重實用和貼近科技前沿的特點，能夠扭轉應用型本科高校學生對于大學物理“老、舊、虛”的成見.除了實例，我們還整理了一些易于在課堂上實現的演示實驗，這些演示實驗無需成品化的實驗器材，利用一些日常材料即可實現.目前我們已經編寫了22個應用實例和5個演示實驗，在后續的教學過程中還會不斷完善更新它們.

在課堂教學過程中，當學生掌握了相應物理分支的知識點之后，我們會利用實例組織研討教學[3].教師先將實例中包含的物理原理做簡要說明，然后列舉它的實際用途.接下來開展學生討論，重點啟發學生思考實例的拓展應用、組合應用以及實例的改進，發掘學生的創意，訓練學生的創新意識和能力.比如教師在講授完靜電場章節內容后，學生已基本掌握了平行板電容器和圓柱形電容器的相關知識.在此基礎上，教師從理論公式的形式出發，先啟發學生思考增大電容器電容的方法，進而分析真實電容器采用卷繞式包裝的原因.接下來，教師通過講解改變極板極距從而進行信息采集的電容式傳感器的原理，進而啟發學生思考和分析其他可行的測量原理，如改變極板面積或介電常數來進行傳感.在學生理清原理的基礎上，教師激勵學生發散思維，分析不同原理傳感器的可能應用，比如非接觸的開關裝置和當下流行的手機指紋識別功能等等.學生在這個過程中可以深刻地體會物理理論的實用性，同時其創新意識得到了明顯增強.

利用課堂演示實驗也可以達到同樣的效果.如在講解完力學部分知識后，教師通過紙盒和玻璃啤酒瓶組合成的簡易裝置進行剛體轉動和平衡的演示，如圖1所示.由于瓶子質量分布不均勻，如果開始將輕的一側放在下面，無論學生如何嘗試都不可能用撐桿立起瓶子.教師通過組織學生親自動手嘗試，學生在反復失敗后會主動思考原因，教師啟發學生分析瓶子所受的力和力矩，并結合牛頓運動定律找出答案.利用這種自制的簡單演示裝置，教師可以有效調動起學生的積極性，打造充分互動的課堂，激發學生進行頭腦風暴，同時寓教于樂，學生普遍反映受益匪淺.

圖1 課堂演示實驗——“立不起”的瓶子

3 小組合作學習強化綜合素質

在學生學習的環節中，教師給學生分組，采取小組合作學習的方式完成課后作業，激發學生自主學習，實現從教到學的轉變；并且在每章結束后安排一次過程測驗，通過作業和過程測驗跟蹤學生對于知識的掌握程度.學生小組的組長由教師指定，并按照小組成員的要求以及小組的作業和測驗結果適時調整組長人選.教師在學生學習的過程中承擔一定量的為全組成員輔導答疑的任務，但大多數情況下鼓勵組內成員自行解決問題.針對在過程測驗中表現較差的小組，教師會與小組成員及時進行溝通，并介紹表現較好的小組進行經驗交流或一定的幫扶.

PAP教學模式非常強調學生綜合素質訓練貫穿教學始終.我們借鑒了國外課程教學利用課程項目作為載體，增加學生課外學習時間，增強學生自主學習能力.在每學期開始，教師會下達該學期的課程項目，課程項目均以小組合作形式完成.在第一學期，由于學生文獻搜索、文檔撰寫和邏輯組織等能力較弱，所以課程項目的題目相對來說較寬泛，要求也較低.該學期的課程項目一般是要求學生撰寫一個自己感興趣的應用實例，解析其原理和應用；或者針對課堂未講授的內容撰寫一份學習筆記，并制作相應課件在課堂上進行翻轉課堂嘗試.在第二學期，由于學生素質和能力得到了提高，所以課程項目更加專業化.我們采用已經有相應參考文獻的國際青年物理學家錦標賽(即IYPT)原題(也是一種實例)作為課程項目，讓學生撰寫一篇較為專業的論文，論文的格式參照全國大學生數學建模競賽的要求.同一個教學班會布置兩個題目供學生選擇.比如我們在一學期內分別以“書頁交疊的兩本書合攏后難以分開這一現象的影響因素和原因分析”[4]以及“電軌小車運動原因分析和速度影響因素”[5]為課程項目的題目.

綜上所述，我們繪制了PAP教學模式的示意圖，如圖2所示.改進了傳統的講授式教學，通過漸進式的綜合訓練，學生的自主學習能力、對知識的運用能力和綜合素質都得到了明顯提升.

4 結束語

PAP教學模式的教學實踐效果可以從我院全國大學生數學建模競賽的成績中得到體現.2016年，我院共獲得省級一等獎7項，國家獎3項.作為一所以工科為主的民辦高校，省級一等獎以上數量在安徽省內45所本科院校中排名第5，創造了省內同類院校的歷史新高度.在從以教為主向以學為主的轉變過程中，我們的基礎物理課程做了大膽且有效的嘗試，且PAP模式易于實行，希望可以為應用型大學物理教學提供借鑒.

1 陶薇, 謝柏林, 萬士保. 基于應用型人才培養的民辦高校大學物理教學方法探討與實踐. 教育教學論壇, 2015(12):182～183

2 馮友君. 新建應用型本科高校大學物理教學改革探索. 四川旅游學院學報, 2015(4):87～89

3 李宏榮, 王小力, 田蓬勃,等. 以創新人才培養為目標的大學物理教學改革.中國大學教學, 2013(8):19～21

4 Alarcón H, Salez T, Poulard C, et al. Self-Amplification of Solid Friction in Interleaved Assemblies.. Physical Review Letters, 2015, 116(1):015502

5 Criado C, Alamo N. World’s simplest electric train. American Journal of Physics, 2016, 84(1):21～25

2017-03-17)

*安徽省教育廳教學研究項目“應用型本科大學物理教學改革——以安徽工程大學機電學院為例”的階段性成果，項目編號：2015jyxm726

孫輝(1986- )，男，博士,講師，從事大學物理教學研究.