基于“物理過程”的文科物理教學(xué)方法改革*

王曉鷗 張伶莉 曹永印 黃喜強(qiáng) 劉志國 王天鴻 張子靜 趙遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

文科物理是為高校人文及社科等專業(yè)學(xué)生(即文科類學(xué)生)開設(shè)的物理課程，屬于通識(shí)課程.文科學(xué)生與理工科學(xué)生不同，其一，他們的數(shù)學(xué)功底薄；其二，他們將來不從事具體的技術(shù)工作.他們需要彌補(bǔ)的是物理學(xué)的思維方法，需要提升的是邏輯思維能力.物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，其研究方法適用于一切科學(xué)領(lǐng)域(包括人文科學(xué)).給文科學(xué)生開設(shè)物理課的目的是引導(dǎo)文科學(xué)生用科學(xué)的思維方法分析問題,重在拓展文科學(xué)生的科學(xué)視野[1～4].因此,在文科物理教學(xué)中,一要突破物理的常規(guī)教學(xué)方式,不要求嚴(yán)格的推理和計(jì)算；二要重新優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建以知識(shí)、素質(zhì)、能力為目的課程體系；三要將教學(xué)的重點(diǎn)放在物理學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響.

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是先介紹物理概念，然后進(jìn)行理論推導(dǎo)，最后講解例題.這樣的講課方式，雖然邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，但對(duì)文科學(xué)生來說顯得枯燥、乏味.因此，文科物理的教學(xué)方法應(yīng)與理工科學(xué)生的教學(xué)方法不同.為了了解文科學(xué)生對(duì)物理課的需求，2017年我們對(duì)外語學(xué)院學(xué)習(xí)文科物理的學(xué)生做了調(diào)研，其結(jié)果如圖1和圖2所示.

圖1 學(xué)生希望學(xué)到什么及其占比

圖2 學(xué)生希望的課程教學(xué)

從調(diào)查結(jié)果看，絕大多數(shù)文科學(xué)生希望學(xué)到物理常識(shí)和理性思維，這也是我們開設(shè)文科物理課程的宗旨；對(duì)于課程教學(xué)45.70%的學(xué)生希望理論講解與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，25.70%的學(xué)生希望教師講解與學(xué)生討論相結(jié)合，17.10%的學(xué)生希望生動(dòng)有趣有實(shí)例講解.

針對(duì)絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)文科物理課程教學(xué)的需求：“理論講解與實(shí)驗(yàn)結(jié)合、教師講解與學(xué)生討論相結(jié)合、生動(dòng)有趣有實(shí)例講解”，2018年，我們?cè)谖目莆锢斫虒W(xué)中實(shí)施了基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法.這是以物理過程為引領(lǐng)，讓文科學(xué)生在操作、觀看、思考物理過程中學(xué)習(xí)物理規(guī)律，建立物理思維方法，提升科學(xué)思維能力.

2 基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法

“物理過程”是指研究對(duì)象在研究期間發(fā)生的各種物理變化.基于“物理過程”學(xué)習(xí)就是：第一步，先將物理過程(如演示實(shí)驗(yàn)、物理過程視頻或展示物理過程的動(dòng)畫以及生活中的事例)展示給學(xué)生；第二步，引導(dǎo)學(xué)生分析各種物理量變化，從分析中找出各種物理量的變化關(guān)系；歸納總結(jié)出物理規(guī)律(如定理、定律等);第三步，再將物理過程展示給學(xué)生，目的是:(1)驗(yàn)證定理、定律的合理性、正確性.(2)加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解和記憶；第四步，深入研究物理過程的變化(這部分課利用視頻演示變化過程，既能加深理解，又形象生動(dòng))；最后，理論聯(lián)系實(shí)際，介紹物理規(guī)律在社會(huì)生活、生產(chǎn)、工程技術(shù)等實(shí)踐過程中的應(yīng)用.

基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法突出物理現(xiàn)象，而物理現(xiàn)象可以引發(fā)思考、激發(fā)興趣.例如光的雙縫干涉現(xiàn)象，首先將一束光射到屏幕上，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，然后再將另一束光射到屏幕上的同一區(qū)域觀察現(xiàn)象(光照區(qū)域亮度普遍增加)；將以上兩束光換成兩束相干光重新射到屏幕上觀察現(xiàn)象(光照區(qū)域出現(xiàn)明暗相間的圖樣)，比較、分析兩者的差別，從而引出相干光、相干光源、相干現(xiàn)象等概念，以及光的干涉理論.這種通過物理現(xiàn)象介紹物理概念的方法符合文科學(xué)生的形象思維，易于文科生接受；然后，再視頻重新展示物理過程，用來驗(yàn)證理論的正確性，以增強(qiáng)學(xué)生的記憶；最后，學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)際，達(dá)到開拓學(xué)生視野和提升學(xué)生創(chuàng)新能力的要求.

3 教學(xué)實(shí)踐

部分文科學(xué)生對(duì)物理有畏懼情緒，是因?yàn)樗麄兣磺宄锢磉^程，所以對(duì)物理不感興趣；也有一部分文科學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象非常感興趣，但就是學(xué)不明白.基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法采用的是，先給學(xué)生一個(gè)視覺上的沖擊(如展示物理過程的演示實(shí)驗(yàn)或展示物理過程的視頻)，激發(fā)興趣，然后討論、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，引導(dǎo)學(xué)生掌握物理學(xué)的基本概念、基本原理.

例如，在講解動(dòng)量定理時(shí)，先視頻展示：清晨,鳥語花香，邁步林蔭道，一片樹葉落下,你是什么態(tài)度和感覺呢？當(dāng)然是：毫不在意, 漫不經(jīng)心. 好不悠閑！如圖3所示.但是，若落下的不是一片樹葉，而是籃球或鉛球，你又是什么態(tài)度呢？還能漫不經(jīng)心嗎？一定是快速逃離的，如圖4所示.為什么呢？請(qǐng)學(xué)生們解釋.從而引出動(dòng)量、沖量和沖力的概念以及動(dòng)量定理：力的沖量等于受力物體動(dòng)量的增量.這種方式生動(dòng)、形象、有趣，既可以吸引學(xué)生的注意力，又能非常清楚地介紹物理規(guī)律.然后，為了加深學(xué)生的理解，再演示一遍視頻.最后，演示視頻驗(yàn)證物理規(guī)律，如圖5和圖6所示，將套有瓦楞紙的燈泡和不套瓦楞紙的燈泡從同一高度(如高的凳子上)推下(如圖5)，燈泡落地后發(fā)現(xiàn)沒套瓦楞紙的燈泡碎了，而套瓦楞紙的燈泡卻完好(如圖6).

圖3 飄下落葉

圖4 飛來藍(lán)球

圖5 處于同一高度的套瓦楞紙和不套瓦楞紙的燈泡

圖6 套瓦楞紙和不套瓦楞紙的燈泡落地后的效果

看完視頻后，引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)量定理的角度分析為什么沒套瓦楞紙的燈泡碎了，而套瓦楞紙的燈泡卻完好？學(xué)生很容易掌握沖量、沖力的概念以及動(dòng)量定理，然后再讓學(xué)生舉出生活中與沖量、沖力以及動(dòng)量定理相關(guān)的事例，用于加深印象和理解.

再如，前面提到的光的雙縫干涉，在了解了相干光、相干光源、相干現(xiàn)象等概念后，為突出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，吸引學(xué)生的注意力，先讓干涉條紋閃爍幾次，引起學(xué)生注意后，再簡單介紹相關(guān)的光的雙縫干涉理論.這里需要注意的是，對(duì)文科學(xué)生一定不要給出太多的公式推導(dǎo)，要多介紹物理圖像和物理思維方法.如引起干涉條紋變化的因素有：雙縫的縫寬、雙縫到觀察屏的距離以及入射光的波長λ等.

圖7給出了入射光波長λ=632.8 nm的紅光和λ=532.0 nm的綠光的干涉條紋對(duì)比圖，由圖可明顯看到條紋寬度與波長成正比；此外還可以看到，除中央明條紋外，其他條紋的位置隨波長的減小向中央明紋處移動(dòng)，從而引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想若用波長更短的藍(lán)光、紫光會(huì)看到什么現(xiàn)象？若將所有波長的光(即白光)照射到雙縫上又會(huì)看到什么現(xiàn)象？在學(xué)生給出答案后，播放白光雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的視頻，驗(yàn)證學(xué)生的答案.學(xué)生看完視頻后都非常興奮.

需要注意的是，選擇物理過程時(shí)，要盡量選擇那些與日常生活關(guān)系密切的，這對(duì)文科學(xué)生來說更容易接受.如講薄膜干涉時(shí)，先讓學(xué)生觀察肥皂泡，色彩斑斕的肥皂泡引起學(xué)生極大的興趣(如果有條件的話，可以讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，效果更好)，然后講解肥皂泡上產(chǎn)生彩色圖案的原理(薄膜干涉).

圖7 入射光波長λ=632.8 nm的紅光和λ=532.0 nm的綠光的干涉條紋的對(duì)比

4 學(xué)生反饋

這種基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，不僅將理論講解與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，也與學(xué)生的討論相結(jié)合，同時(shí)還融入反應(yīng)物理過程的實(shí)驗(yàn)或視頻，這種講解方法針對(duì)的是具體的物理過程，直觀、生動(dòng)，更易于文科學(xué)生接受；同時(shí)也是文科學(xué)生希望的教學(xué)方法，如圖2所示.

以下摘錄一些學(xué)生的反饋意見.

(1)講熵的時(shí)候，用一張分成多個(gè)部分的無序圖片，讓我們猜測圖片內(nèi)容，再將答案揭曉，讓我們生動(dòng)地體驗(yàn)什么叫熵.

(2)物理過程展示，……更有脈絡(luò)，邏輯更清晰易懂，而且確實(shí)更能激發(fā)我們的興趣.

(3)因?yàn)檎故緯r(shí)，頭不暈了，眼皮不打架了，手機(jī)也不玩了呢.大家都全神貫注地參與到實(shí)驗(yàn)中.兩次演示能加深我們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握.

(4)新的物理過程展示更好，在講解理論之前先展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能激發(fā)我們對(duì)問題的探索；以前的演示實(shí)驗(yàn)是先把理論講解清楚，再演示現(xiàn)象，我認(rèn)為新的展示更能引發(fā)我們對(duì)問題的思考.

(5)課前課中都有展示，課前激起學(xué)生興趣和探知欲，在課中通過物理理論的講解指導(dǎo)學(xué)生逐步理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因.在課中也有展示，可以加深學(xué)生印象.

(6)課堂氛圍生動(dòng)活躍，上課積極性提升.課堂演示實(shí)驗(yàn)引入物理原理，理解知識(shí)更加透徹.……

(7)……物理過程的記憶更完整.尤其是物理過程描述中的重要的原理部分.

(8)……演示實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使我們更直觀地認(rèn)識(shí)所學(xué)知識(shí)，對(duì)生活中一些物理現(xiàn)象有了更大興趣.

總之，基于“物理過程”的教學(xué)方法，切實(shí)貫徹了教師引導(dǎo)、學(xué)生參與的互動(dòng)式教學(xué)宗旨，符合認(rèn)知心理學(xué)原理，有效地提升了文科學(xué)生的科學(xué)思維能力.