提升大學物理課堂教學效果的探討

杜明潤 李澤朋

摘要：在大學物理課堂教學中，融入問題導向學習教學模式，采用貼近學生專業背景和工程實際應用的例題，同時，加強數字化課堂演示實驗資源建設。以這些措施激發學生的學習興趣，引導學生積極思考，并輔助理論教學，提升課堂教學效果。

關鍵詞：大學物理;課堂教學;問題導向學習;例題;演示實驗

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0302-03

一、引言

2016年6月2日，我國成為《華盛頓協議》的第18個正式成員，標志著我國工程教育專業認證進入了一個新的歷史發展階段。《工程教育認證標準》中對高校培養的畢業生有著一條明確的要求“能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題的能力”。[1]物理學是自然科學的重要組成部分，它的基本理論滲透在自然科學的一切領域，應用于生產技術的各個部門，是自然科學許多領域和工程技術發展的基礎。因此，以講授物理學基礎知識為主要任務的大學物理課程，作為培養高等學校理工科各個專業學生的一門重要的必修基礎課，其課堂教學效果的好壞直接影響高校是否能夠培養出符合《工程認證標準》的合格畢業生。本文中，筆者基于大學物理課堂教學的現狀和工程教育認證的基本理念，對提升課堂教學效果的措施做了一些探討和構想。

二、大學物理課堂教學的現狀

大學物理課程作為一門必修公共基礎課，向各工科專業和非物理類理科專業學生講授涵蓋經典物理、近代物理的基本原理，以及物理在科學技術上應用的初步知識等課程內容。該課程的作用和任務，在于為學生較系統地打好必要的物理基礎，初步培養和訓練科學的思維方式和研究問題的方法，同時對學生樹立辯證唯物主義的世界觀，對開闊思維、激發探索和創新精神、增強適應未來科學發展的能力、提高人才素質等方面都起著重要的作用。然而，在工程教育認證的新背景下，大學物理課堂教學由于長時間受到教學方法、教學條件和教學內容的限制，顯露出很多不足，具體表現如下。

1.教學方式有待多樣化。目前，大學物理課堂教學盡管采用了啟發式、討論式等教學方法，并結合了多媒體技術，但總體仍然采用傳統的“灌輸式”教學方法。在課堂上，仍是以教師為中心對知識進行講授，而學生在學習過程中缺乏自主思考和實踐的機會，只是被動地接受知識，記憶解題過程。包景東對這樣的教學方式做了精辟的總結：“教師在課堂上講授正確的知識，學生在課后做正確的練習，但缺乏批判性思維的訓練和科學精神的引導。”[2]在這種教學模式下，學生會認為學習物理就是在背公式和定理，學習的目的就是考試和解題，從而在腦海里認定大學物理是一門枯燥無趣的課程，降低了學習積極性，導致學生課堂表現不盡如人意，有些學生在睡覺，有些在玩手機，有些逃課，而學習的學生大多都是為了考高分、拿學分而聽講。顯然，目前主要使用的傳統教學方式違背了“以學生為中心，以學生學習成果為目標導向”[3]的工程教育認證的基本理念，難以激起學生的學習興趣，無法保障課堂教學效果，急需改善。

2.課程例題設計需要融入學生專業背景和工程實際問題。例題是在課堂上向學生講解物理知識應用的最好工具，是訓練學生利用科學的思維方式和物理基本原理研究解決問題的最佳媒介。此外，大學物理的授課對象是剛入學不久的大一和大二學生。他們對自己本專業的知識結構還沒有系統的認知，更沒有意識到物理這門基礎科學在整個理工科專業知識體系中的地位作用，導致他們對物理學習很茫然。而學習例題是使學生了解大學物理課程與后續專業課程之間的聯系，從而明確學習目的、激發學習動機的最有效的途徑。目前，大學物理課程使用的例題普遍來源于教材和參考教材，這些例題強調理論知識全面，公式推導嚴謹，注重對課本知識的掌握，但是與實際工程應用和學生專業背景脫節現象明顯。這樣的例題不利于培養學生的知識遷移能力和工程應用能力，并且容易導致學生認為大學物理課程對專業學習沒有幫助，導致學習態度不端正，降低課堂教學效果。

3.理論教學與演示實驗的相互結合需要加強。物理學是通過觀察、實驗、抽象、假設等研究方法并經實踐檢驗而建立起來的，是一門理論和實驗高度結合的學科。大學物理課堂教學與實驗緊密結合才能充分體現物理科學的發展過程、研究方法和思維方式，才能更加清晰地構建物理圖像以輔助學生理解抽象的理論知識，進而達到提高學生的物理科學素養的教學目的。美國大學通常在一堂課中要做兩三個演示實驗，有比較完善的演示設施和內容。內容豐富且新奇的演示實驗激發了學生的學習興趣，并有效地輔助理論教學。[4]筆者在實際教學工作中發現，在講授駐波能量、薄膜干涉等內容時，做過相關物理實驗的學生有著更好的學習效果，不僅能夠更快地理解相關理論知識，而且能夠自主推導出條件改變對實驗現象的影響。然而，由于課時及教學條件的限制，目前課堂上絕大部分時間都是進行理論教學，演示實驗很少進行。此外，由于實驗儀器數量和實驗室條件的限制，大學物理實驗課程與大學物理課程的教學內容和進度的普遍無法匹配。這些因素使學生在課堂上很少獲得實踐機會，造成理論學習與實驗之間存在脫節，加大了對抽象知識的理解和學習難度，使課堂教學難以獲得滿意的效果。

三、提升大學物理課堂教學效果的措施和構想

1.在課堂教學中融入問題導向學習（PBL）教學模式。PBL教學模式也稱為問題式學習，該教學模式是將學習內容置于一個問題情景之中，讓學生們以小組為單位進行合作、討論，共同解決問題，進而達到學習知識的目的。[5]與傳統教學模式相比PBL教學模式的優點為，在傳授知識的同時，能夠有效激發學生的學習興趣，提高自主學習能力，培養團隊合作意識，鍛煉科學思維和研究解決問題的能力。該方法完全符合“以學生為中心，以學生學習成果為目標導向”的工程教育認證基本理念，并且能夠改善傳統教學模式中教師主導、學生被動學習、學習能動性不足等弊端。

物理學是一切自然科學和工程技術的基礎，[6]我們身邊任何事物的變化、任何工程技術的應用都反映了物理學的基本原理和知識點。這一特點使大學物理課程教學適合使用PBL教學模式。教師可以根據學生的專業背景和實際工程應用創設問題情景，不僅更容易激發學生的學習興趣，同時也便于學生融入情景進行思考，體會物理這門基礎學科的重要地位，認識其在推進人類科學技術文明發展進程中起到的重要作用。針對我校辦學特色，可以選取民用航空領域的一些問題來創設情景，能更好地引起學生的共鳴。例如，在講授波的干涉時，引入“給降落的飛機導航”的問題情景，由教師引導學生應用無線電波的干涉給出解決飛機降落導航問題的方案，學生在教師的引導下積極思考并自主學習波的干涉知識內容，并通過分析、討論、解決問題的過程更好地理解波的干涉的物理本質，同時體會到物理原理在航空領域的重要應用，從而重視大學物理課程的學習。類似的例子還有，在講授多普勒效應時，采用“應用多普勒效應搜尋馬航MH370”的時事新聞來構建問題情景;在講授剛體定軸轉動角動量守恒部分內容時，采用“飛機利用陀螺儀來判斷飛行姿態和飛行方向”的生活實例來構建問題情景等。這種教學方式可以將課程所授理論知識與學生專業背景相關的工程實際應用結合，使學生感受到物理知識既“有趣”又“有用”，從促進思考、增強學習動機和興趣等方面提高大學物理課堂教學效果。

2.基于學生專業背景和工程實際應用改造現有例題。筆者的教學經歷和諸多研究表明[7，8]，與學生專業背景相結合是提高學生學習積極性的有效方法。將原有例題的情景進行改編，使之貼近學生專業背景和實際工程應用，不僅可以在一定程度上改變學生對課程例題枯燥古板的舊有印象，恢復學習熱情，而且還能夠保留例題原有題干和教學功能。例如，在給航空工程學院的學生上課時，可以將剛體力矩部分的例題中所研究的剛體對象設定為飛機機體;將熱學例題中的蒸汽機氣缸改為活塞式航空發動機的氣缸;將運動學的例題中的研究對象改為飛機，運動路徑改為飛機的飛行路徑等。這樣改造后的例題在課堂上能夠使學生耳目一新，更能激發他們的學習興趣，從而使學生主動回歸到課堂教學活動中來，提高課堂教學效果。在課下學生也不會因為覺得例題枯燥乏味而不會去重溫體會，使例題的教學作用得到充分發揮。此外，學生在通過例題學習應用物理知識解決具體問題的同時，還會體會到理論聯系實際的思考過程。

3.加強數字化課堂演示實驗資源建設。物理世界豐富多彩，在實際物理實驗操作中所觀察到的各種奇異的物理現象，要比書本上的描述更加生動具體，更能激發學生學習物理的興趣。[9]此外，在理論教學中，原理的推導過于抽象，而演示實驗可以將推導過程具體化、圖像化，使學生更加容易地理解接受教學內容，[10]有利于節約理論教學所耗費的時間。然而，目前大學物理課程教學與課堂演示實驗的結合并不緊密，主要原因為課堂演示實驗設備不完善，一些演示實驗操作難度大費時費力，現象不夠明顯。加強數字化課堂演示實驗資源建設是解決這一問題的理想方法。數字化課堂演示實驗資源包括多媒體及仿真、視頻、實驗模擬和錄像，虛擬儀器的使用，網絡虛擬實驗室等。[11]與傳統的實操課堂演示實驗的方式相比，數字化的課堂演示實驗可以解決教學區域、實驗技術、儀器數量、教學手段等因素的限制，能夠使學生全員參與實驗，并看到清晰的實驗結果和實驗過程。[12]此外，數字化演示實驗資源易于與多媒體教學方式相結合，便于教師在課堂教學中穿插使用。由此可見，通過建設好數字化課堂演示實驗資源，能夠實現大學物理課程理論教學與實驗的緊密結合，有利于學生對抽象物理原理的理解學習，提高課堂教學效果。

四、總結

提升大學物理課堂教學效果是一項長期的工作，需要每一名物理教師在長時間的教學實踐中不斷思考、發現問題并解決問題。本文基于工程教育認證的基本理念和大學物理課堂教學現狀，從改善教學方法、優化例題內容和加強理論教學與實驗相結合三個方面進行了探討，提出了在課堂教學中融入PBL教學模式，基于學生專業背景和工程實際問題改造現有例題，加強數字化課堂演示實驗資源建設等措施來提升課程教學效果。大學物理課程發展至今幾經變革，但是無論未來如何變化，只有堅持以學生為中心、順應教育發展趨勢、契合學校人才培養目標，才能夠培養出社會所需要的人才，體現這一課程的價值。

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Abstract：Integrating the problem-based learning and examples related to professional backgrounds of students and practical engineering problems into the College Physics teaching，and strengthening the construction of digital classroom demonstration experiment resources are probable methods to improve the teaching effect，which could stimulate students' interest in learning，guide students to think positively，and assist theoretical teaching.

Key words：College Physics;teaching;problem-based learning;examples;classroom demonstration experiment