費曼學習技巧在自然科學基礎(chǔ)物理部分中的教學實踐

張雷 蔡彬卓 鄧歡 李行

[摘 要]自然科學基礎(chǔ)課程學科、專業(yè)跨度大，知識點多，尤其是物理學部分，這給教師教學和學生學習增加了難度。翻轉(zhuǎn)課堂、對分課堂等教學模式能在一定程度上提高學生的學習積極性和學習效果，但在知識運用方面還有待進一步提高。費曼學習技巧不僅具備發(fā)揮學生主觀能動性的特性，更能夠通過其反饋環(huán)節(jié)，提高新知識的學習效率，而通過通俗語言的講授和類比拓展，能進一步提高學生的知識運用水平。自然科學基礎(chǔ)物理學部分的教學實踐表明，費曼學習技巧顯著提高了學生的學習積極性和學習效率。該方法的運用為自然科學基礎(chǔ)及相關(guān)課程教學的深入開展和學生綜合素質(zhì)的提高提供了有意義的參考。

[關(guān)鍵詞]自然科學基礎(chǔ);費曼學習技巧;物理學;學習效率

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）08-0110-03

黨的十九大報告中明確提出了優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化[1]。習近平總書記在2018年全國教育大會上再次強調(diào)，建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎(chǔ)工程[2]。自然科學基礎(chǔ)作為一門綜合性的通識基礎(chǔ)課程，能夠提高受教育者對各個學科基礎(chǔ)知識的認知。課程涵蓋了物理學、生物學、化學、天文學、地理學等自然科學領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，范圍較寬，內(nèi)容雜，這對承擔這門課程教學任務的教師提出了更高的要求。如何處理好各學科的專業(yè)問題，教師通過不斷地嘗試，采取不同的教學方法，取得了一定的成效[3]。陸建新等人[4]引入的學導式教學法、黃曉雷等人[5]應用的基于網(wǎng)頁形式WebQuest探究教學模式和蓋爽爽[6]采用的對分課堂教學模式等，都對提高學生學習主動性和學習效果產(chǎn)生了積極的影響，但是自然科學基礎(chǔ)課程的教學在整體上還是存在學生重視不夠、教學過程占用時間較長、教學效果不夠好等問題。

物理學是其他自然科學以及工程技術(shù)的基礎(chǔ)，也是高等院校理工科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。趙凱華[7]將物理學概括為提出命題、推測答案、理論預言、實驗檢驗和修改理論五個步驟，既體現(xiàn)了物理學知識的認知過程，也反映了科學研究的基本方法。物理學部分在自然科學基礎(chǔ)課程中占據(jù)相當大的比例。物理學中包含的眾多概念、公式以及與數(shù)學工具的使用給大學生帶來了相當大的挑戰(zhàn)，探討如何提高物理學的教學效果依然具有重要意義。Pradhan等人[8]通過以問題為基礎(chǔ)的教學方法進行本科階段的物理教學，通過問題的挑戰(zhàn)，讓學生構(gòu)建起自己的知識體系，這大大改善了學生對物理學習的態(tài)度。王青[9]在大學物理教學中通過小班教學和翻轉(zhuǎn)課堂教學法，從以教師為中心的傳統(tǒng)課堂授課模式轉(zhuǎn)變成以學生為中心的教學模式，為基礎(chǔ)物理教學提供了有意義的嘗試。事實上，諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼在基礎(chǔ)物理教學中進行改革，他從自己思考解決問題的方法出發(fā)，設法把不同部分有機地組織在一起，用通俗易懂的語言表達出來，這種有特色的教學風格深受學生的歡迎。Leighton和Sands將費曼的基礎(chǔ)物理教學整理、編寫，出版了《費曼物理學講義》[10]，成為經(jīng)典的物理學教材。不少學者總結(jié)歸納了費曼在學習及教學過程中使用的方法，稱為費曼學習技巧，將其運用于課程教學中，取得了良好的效果[11-13]。本文闡述了運用費曼學習技巧開展自然科學基礎(chǔ)物理學部分的教學方法，最大限度地調(diào)動學生的學習積極性，為推動相關(guān)課程教學改革提供了有意義的指導。

一、費曼學習技巧

費曼學習技巧主要概括為四個環(huán)節(jié)：新知識的學習，強化記憶、掌握，講授和類比拓展[11]。這四個方面聯(lián)系緊密，環(huán)環(huán)相扣，如圖1所示。新知識的學習強調(diào)的是對新事物的認知。強化記憶和掌握則是對新知識的學習進行質(zhì)的提升，必須理解和熟練掌握，為下一環(huán)節(jié)做準備。講授則是用盡量少的術(shù)語、用更通俗的語言將核心知識點進行描述，該環(huán)節(jié)是難度最大的，或多或少的會存在解釋不清或理解錯誤的情況，此時就必須回到上一環(huán)節(jié)繼續(xù)強化、掌握知識點，這稱之為反饋。反饋環(huán)節(jié)可以進一步強化對知識的理解。類比拓展強調(diào)運用，簡單說就是能夠舉一反三。顯然，講授和類比拓展環(huán)節(jié)對各方面的要求較高，但也正因為這樣，學習效果才能得到最大限度的提高，這正是費曼學習技巧與其他學習方法所不同的地方。

近十年來，受益于開放教育資源的不斷豐富，翻轉(zhuǎn)課堂教學方法發(fā)展得非常快，也得到了不少學者的認可[14]。該方法主要是課下利用信息技術(shù)進行知識的傳授，課上通過師生討論來實現(xiàn)知識內(nèi)化[15]。這兩種教學方法都能夠調(diào)動學生的學習積極性，翻轉(zhuǎn)課堂突出的是課上、課下的結(jié)合，費曼學習技巧更有意義的是講授及類比拓展部分，應用在教學中可以不限于課上還是課下，但出于減輕學生學習負擔的考慮，更多是在課上時間使用。

二、自然科學基礎(chǔ)物理學部分的教學實施

課程物理學部分主要以經(jīng)典物理為主，其中力學部分占比最大，還包括部分熱學、波動學基礎(chǔ)、電磁學等。雖然學生中學階段經(jīng)過了較系統(tǒng)地學習，但中學階段涉及的很多定理、定律沒有復雜的數(shù)學處理過程，學生更多是機械記憶，相關(guān)知識的運用有較大短板，特別是無法將所學知識運用到生活中去，這也正是提高科學素養(yǎng)中極為重要的一點。該問題歸根結(jié)底是對基本概念和定理的理解不夠深入，對事物的觀察不夠仔細。

（一）費曼學習技巧在物理學教學中的實施方法

秉承提高科學素養(yǎng)這一宗旨，我們在教學過程中盡量安排跟生活接觸更緊密的部分來使用費曼學習技巧，這樣效果更好。在整個教學過程中，學生才是主體，在很多時候可能還要扮演教師的角色，這樣才能實現(xiàn)費曼學習技巧中的講授和類比拓展環(huán)節(jié);教師起到的是引導的作用，更確切地說是在最重要的反饋環(huán)節(jié)和類比拓展部分引導好學生對概念的理解和類比的正確性。

案例1：以動量定理說明費曼學習技巧的運用

1.先布置學生利用前期所學知識結(jié)合網(wǎng)絡資源進一步學習掌握動量定理，準備完畢后向教師匯報，描述定理的基本概念，舉例說明定理有何應用（費曼學習技巧環(huán)節(jié)一）。

2.將課上時間留給學生進行學習、準備，以5～6人一組進行組內(nèi)討論，且盡量以文字形式將本組學到的內(nèi)容概括、歸納（費曼學習技巧環(huán)節(jié)二）。

3.小組向教師匯報，從定理的基本概念、公式以及定理在某個實例中的應用進行匯報。匯報可以使教師及時掌握學生對知識點的理解程度，能夠更好地實施引導。教師根據(jù)具體情況對專業(yè)知識進行把關(guān)、糾錯，盡量以啟發(fā)的形式開展，如果直接告知答案，學生很難做到自行查找資料來解決問題;同時要特別注意定理在實例中的應用過程是否分析正確，這將影響到后面的類比拓展。學生得到啟發(fā)后進行二次準備再次向教師匯報，直至較順暢地用通俗語言將概念和實例應用描述出來（費曼學習技巧環(huán)節(jié)三及反饋環(huán)節(jié)）。

4.學生準備類比拓展，結(jié)合實際生活分析定理在其間的應用，但要求類比實例盡量避免過于相近（費曼學習技巧環(huán)節(jié)四）。例如，學生利用動量定理來分析運動員跳遠中使用沙坑實現(xiàn)緩沖，由動量定理的表達式F△t=△mv可知，不論落地時是沙地還是硬地，可近似認為運動員落地時的動量改變量△mv不變，而落地時地面性質(zhì)不同會引起接觸時間△t的變化。顯然，落入沙坑時△t會明顯增加，由于△mv不變，得到作用力F減小，實現(xiàn)了緩沖效果，保護了運動員。在類比拓展中，學生可能會找到生活中用鐵錘錘釘子的例子，該現(xiàn)象確實運用了動量定理，應對學生予以鼓勵，但仔細分析后不難發(fā)現(xiàn)，鐵錘錘釘子是通過減少接觸時間△t來增大作用力F，與上一個例子在本質(zhì)上是相同的，這就是所謂的過于相近的例子。可引導學生從基本公式出發(fā)，前面跳遠使用沙坑緩沖和錘釘子的例子是考慮△t具備一定數(shù)值時的情況，是否可考慮△t為零的情況？大多數(shù)學生在查閱資料后都可以較快地給出答案，對于系統(tǒng)而言，當系統(tǒng)沖量為零時，系統(tǒng)動量該變量也為零，此時系統(tǒng)動量守恒。此時，進一步引導學生對動量守恒定律的充要條件進行分析（系統(tǒng)所受合外力為零或某個方向合外力為零），并找出對應的應用實例。至此，學生能夠深入地理解動量定理，而動量守恒定律是動量定律在特殊條件下的一個特例。

在小組完成以上四個部分后，實際上學生已經(jīng)較好地掌握了動量定理。這時由小組派代表，采用上課的形式，以向教師匯報、討論、類比拓展的內(nèi)容為藍本，利用簡單的PPT課件向全班同學完整地講授動量定理。

案例2：以電影為素材，結(jié)合費曼學習技巧體會動量守恒

將書籍、電影資料、網(wǎng)絡素材等課外資源融入教學過程已經(jīng)是比較常見的教學手段，這樣做最大的好處就是能夠吸引學生，改善課堂氣氛。從影像素材中用費曼學習技巧挖掘物理學知識，可以讓學生覺得物理學更加親近。

《火星救援》是一部物理基礎(chǔ)相當扎實的科幻電影。電影講述了馬克與他的團隊成員在火星上執(zhí)行任務時遭遇了火星風暴，導致其被遺漏于火星，進而想方設法回地球的故事。教學中可以利用上課時間給學生播放電影，絕大多數(shù)學生對此類題材的電影還是感興趣的，至少電影在情節(jié)上能夠吸引學生。但觀影時要先布置給學生一些任務，要求學生要從電影找出跟物理學定律相關(guān)聯(lián)的情節(jié)。起初學生會專注于電影的情節(jié)，對于任務的安排可能不會太在意。教師此時可以在電影對應的地方做示范，例如，大型空間站中的旋轉(zhuǎn)部分是用于在太空失重狀態(tài)下模擬地球重力環(huán)境，可以結(jié)合經(jīng)典力學中的相關(guān)知識進行分析。在轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中，宇航員相對于轉(zhuǎn)動艙靜止，與其共同做繞軸運動，為了提供做繞軸運動的向心力，宇航員與地板的接觸面間會產(chǎn)生作用力，地板會提供給宇航員支持力作為旋轉(zhuǎn)時的向心力，所以宇航員可以僅僅接觸到旋轉(zhuǎn)艙地面，相當于是進入到了重力環(huán)境。當然要跟學生聲明，該技術(shù)雖然理論可行，但目前還無法實現(xiàn)，教師只要提醒學生更多地關(guān)注電影中的情節(jié)與物理學知識的結(jié)合就足夠了。

通過拋磚引玉，學生大致明白如何把教師的任務開展下去。此時教師可再提出問題，影片中阿瑞斯計劃中的升空器以及中國提供的太陽神號是如何飛行的？要求學生結(jié)合所學物理學知識進行分析，并在影片中找出其他的利用相同物理原理的類似案例（費曼學習技巧環(huán)節(jié)一、二）。觀影完畢后，很多學生是可以大致描述出以上問題的答案，基本都能將航天器的飛行與動量守恒定律聯(lián)系起來，且能夠舉出不少案例。例如，在片尾部分赫爾墨斯號在燃料極度緊缺的情況下通過炸開一個空間站的密閉艙來釋放艙內(nèi)空氣實現(xiàn)強行減速;馬克在升入太空后處于失重狀態(tài)，又沒有現(xiàn)成的動力驅(qū)動，此時可以通過戳破宇航服釋放氣體，使身體具備反向動量飛向赫爾墨斯號等。學生在觀影中的思考以及觀影后的討論具有較強的目的性，很好地體現(xiàn)了費曼學習技巧中的講授和類比拓展（費曼學習技巧環(huán)節(jié)三、四）。學生在掌握動量守恒定律的基礎(chǔ)上，既要運用定律分析飛船飛行機理，又要在影片中找出同樣是運用該定律的情節(jié)。可見，在教學中適當結(jié)合影像資料、發(fā)揮學生自主學習的積極性，可以使整個課程氣氛活躍、學生學習興趣濃厚。

（二）費曼學習技巧在實施過程中的注意事項

首先，費曼學習技巧在教學中實施時不確定因素較多，且學生的基礎(chǔ)知識和參與度都會對教學環(huán)節(jié)產(chǎn)生很大影響，這會占用更多的課上時間，因此如何合理把控時間對教師有較高的要求。其次，學生在教學中幾乎處于絕對的主體地位，特別是在面向全班學生的講授階段，教師務必要在反饋及類比拓展環(huán)節(jié)做好嚴格的審查，不允許出現(xiàn)科學性錯誤，這也是教書育人的基本原則。再次，教學內(nèi)容的多樣性使得不是所有的知識點都適合應用費曼教學技巧進行教學，畢竟最后一個環(huán)節(jié)需要類比，如果知識點僅僅是單純的概念或是介紹性質(zhì)的內(nèi)容，就不太適合類比，所以在教學實施中，教師必須提前對知識點進行研判。

三、結(jié)語

雖然自然科學基礎(chǔ)物理學部分的教學相對于傳統(tǒng)大學物理課程的教學來說深度有所下降，但是依然具有范圍寬、公式定律多的特點。科學素養(yǎng)的培養(yǎng)更傾向于結(jié)合生活實際，基礎(chǔ)知識在生活中的運用具有重要意義。通過在教學過程中運用費曼學習技巧，將學生置于課堂的絕對主體地位，教師承擔糾錯、釋疑、引導的作用，提高學生的學習興趣，這樣可以讓學生運用知識的能力增強，學習效率得到提升。費曼學習技巧的合理應用對提高課堂活躍性和學生的綜合能力有很重要的意義。

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[責任編輯：陳 明]