“等離子體物理基礎”課程討論教學實踐研究

李經菊 胡曉娟 蓋艷琴(中國礦業大學材料與物理學院 江蘇 徐州 221116)

1 引言

課堂討論教學一直是本科教學中的重要環節，它對課程的掌握及擴展起到積極作用[1].作為工科院校開設“等離子體物理基礎”這門專業選修課程，由于課時設置的短時性，且涉及知識廣泛，部分學生認為這門課枯燥，常常學完課程只記得結論，中間過程模糊不清，更是覺得與之前學過的電磁學完全脫鉤.這種情況下，為了取得更好的教學效果，使學生們更好地理解這門課，課程中我們應用已學過的其他課程方法，對章節中的某些知識點加以課堂討論，通過討論參與，使學生們對知識點加深理解，同時對等離子體模型滿足的條件有了更深刻的認識.

本文以“等離子體物理基礎”課程為目標開展討論教學，總結了討論教學的過程和實施方法.同時就該課程中討論教學的幾點體會展開評述，期望得到同行的批評指正，也希望對其他類似課程起到拋磚引玉的作用.

2 討論教學的基本原則與方法

2.1 目標的明確

開展討論教學是培養本科生學生獨立思考和動手能力的一個有力手段，同時討論課可以激發學生們的興趣，培養他們的獨立思考和創新能力.討論教學由于具有開放性，因此必須具有明確的目標，需要依據課程目標確定討論教學內容[2,3].

2.2 選題的可執行性

隨著課程的深入，教學中不同章節的知識點都可以用類似的思路啟發學生們的思路，使得他們不再局限于理論結果.但是選題必須要考慮可執行性，即在學生的能力范圍之內選擇議題.一般遵循由易到難的原則，逐漸加深難度.開始可取一個簡單的例子，比如大家熟知的電磁學中的知識點.

2.3 選題的可討論性

討論教學對知識的探索性尤其重要，通過對議題的探討拓展認識，特別是與目前研究相關領域的前沿課題聯系起來，使學生們擺脫課程的枯燥感，增加課程的新意和新鮮感，拓展學生們的視野和學習興趣[4].對于有一定難度的選題，可以讓學生們組成小組，以小組的形式來完成一個選題的討論.

3 討論教學的基本流程

討論教學不同于理論教學的基本流程，其主要過程包括5個重要階段：提出問題、優選議題、條件討論、解析實踐和分析問題階段(圖1).

提出問題是討論教學的起點，該階段主要是對教學內容進行討論和拓展，由于討論教學內容具有開放性，提出問題階段具有較大的挑戰性，因此需要對重要知識點的外延具有清晰的把握度.

優選議題是在提出議題之后，進行內容篩選，選擇議題的過程.該過程要按照討論教學的基本原則(目標明確、可執行性、可討論性)進行綜合比較，選擇最終的討論議題.

條件討論是深刻認識物理模型的基礎，通過問題分析，對不同條件進行討論，學生們會對模型的變化及適應性有更深刻的認識.

解析實踐是關鍵，很多時候實際模型較為復雜，我們常常可以取某種近似使模型進一步簡化，若不加以簡化，往往解析不出結果.模型簡化后，通常會與其他已知模型類似，因而較容易得到結果.通過簡化模型動手實踐(推導、模擬、程序等)，能極大地鍛煉學生們的思維和實踐能力.

分析問題是教學討論中期望得到的最終目標.通過分析問題，學生們才能對整個知識點有一個全貌的認識，提高了理解力.而這一階段內容正好可以在課堂上展示，通過展示和進一步討論，增加了教學效果，拓展了學生們的視野，對他們的進一步學習有一定的啟示意義.

圖1 討論教學基本流程圖

3.1 討論教學的議題選擇

討論教學議題選擇具有開放性，但是為更好達到教學目標，需要根據教學目標比對理論教學內容，提出討論教學議題.討論議題可以是理論內容的補充、理論內容的深化、理論內容需要的實踐以及理論內容的前沿發展等.在具體議題選擇中，兼顧形式多樣、實踐方式和組合方式多樣變化，讓議題保持既有知識性又有新鮮感.根據等離子物理基礎課程的特點選擇的議題如表1所示.

表1 課程內容及議題選擇

3.2 討論教學議題的比較與優選

討論教學是理論課程內容的補充，因此討論教學內容具有較大的開放性，比較和優選議題具有非常重要的意義.合適的議題能夠提高教學的效果，深化理論內容的理解和掌握.錯誤的議題可能會影響學生們的實踐積極性，重挫學生們的學習興趣.選題過程可以按照如下過程進行：

(1)議題提出與列示，根據課程理論內容進行重點知識的列表，包括新理論、新方法及與生活科技有關議題.

(2)議題比較，在上述議題中按照教學目標的要求，比較每個議題可能涉及的知識點，通過討論可以達到和提升的能力.

(3)議題優選，選擇適合課程總體目標的議題，在課程整體目標相似的情況下，通過對比議題的難易程度，選擇能由簡到難的議題，通過議題的啟發，使得學生們有興趣和信心參與其中.

4 討論教學案例的設計

4.1 討論教學內容

這里我們以表1中第1個議題中的單粒子軌道運動中的電漂移運動為例加以討論.前期電磁學學習中帶電粒子在電磁場中的運動規律學生們已有了比較好的了解，但是主要討論的是電場或磁場獨立存在的情況，對于它們同時存在時粒子運動滿足的規律學生們只有一個定性的大致了解，它們的綜合作用涉及較少，與科技生活中的聯系也比較少.通過選擇該議題，運用程序語言實現算法的功能，通過改變電磁場參數深入理解不同模型下帶電粒子的運動規律.由此建立電磁場對帶電粒子的綜合作用，結合物理場景，討論其在科技和自然中的影響.

4.2 實踐過程

對于工科本科學生來說，提升實踐能力一直具有特殊重要的意義.通過確定的議題，選擇可以實踐的技術和方法(比如制作、算法編程、軟件使用等)提升學生的動手能力.以上述帶電粒子在電磁場中的漂移運動為例，通過改變模型、控制物理參數，可以討論電磁場中的粒子運動規律，實踐過程圖如圖2所示.從圖中可以看到，既有前期已知均勻電磁場對帶電粒子的作用，也有非均勻電磁場綜合作用對帶電粒子的影響，即我們所期望得到的漂移運動，包括均勻電磁場中的電漂移、磁場梯度漂移及非均勻電場引起的電漂移等.經過前期基礎課程的學習，開展上述實踐是可行的，對于大部分未參與過數值計算的工科本科生來說，課堂討論準備提供了參與實踐的機會，參與的實踐過程讓他們體驗到一種不同于理論學習的全新感受.當第一個討論議題能夠順利開展下去后，學生們對后續議題的開展就會比較有信心了，通過課堂結果展示，極大地鍛煉了他們的動手和獨立思考的能力.同時由于討論教學的開放性，課堂教學中的理論結果變得較為直觀，學生們對內容的理解更為深刻，課堂也更顯生動.

圖2 實踐過程圖

4.3 討論過程安排

對待解決問題的結果進行分析時，學生們可能會得出出乎意料的不同于理論結論的錯誤結果，或者某些定性分析結果并未出現.這時集體討論的重要性就體現出來了.為什么會出現這種錯誤，錯誤在哪里？只有分析了原因、修正錯誤之后，學生們才會對理論有更深刻的認識，同時也拓展了思路.對于較難的選題，為了較好地解決問題，可以讓學生們分組，以3～4人一組為宜，分工合作，通過查閱資料，分析討論問題，得到結果，最后推薦代表在課堂上總結匯報.課堂討論教學中師生可以充分互動，評選優秀小組，最后綜合各小組成果，完善選題內容.當學生們都參與其中后，不僅開拓了他們的視野，也鍛煉了他們獨立思考的能力，甚至有的時候可能會得到一個新的未涉及的結果，具有一定的學術意義.

5 討論教學效果分析

討論教學不同于傳統課堂教學，傳統課堂可以通過試卷成績評價學生們的掌握情況，討論教學由于內容的開放性和培養目標的長期性，難以通過簡單的考試方式進行評價，因此討論式教學的結果和評價需要加強對過程的管理和考核，通過過程的管理和考核實現對最終目標效果的掌控.這里常常需要結合組內評價、課內評價、結果評價相結合的方式進行.這里以“單粒子在電磁場中的軌道運動”知識點作為案例，通過改變電磁場條件，對討論教學案例進行了詳細設計，通過該設計表明討論教學過程是可控的，教學效果是可評價的.

在組織整個討論教學的過程中，學生和教師都付出了比傳統課堂教學更多的精力，達到了所追求的“教學相長”的目的，既鍛煉了學生們獨立思考和創新的能力，也豐富了教學手段，提高了教學效果，教師和學生在教學中不斷進步.