MBE理念在大學物理課程教學中的探索與實踐

關鍵詞 物理思維;教學理念;大學物理

大學物理是理工類專業學生開設的一門公共基礎課，主要內容涵蓋力、熱、光、電、磁、近代物理等基礎知識，在夯實學生物理素養、構建理科思維、培養創新能力、塑造辯證唯物主義價值觀方面發揮著重要的基礎作用。一直以來，大學物理的教學多以“教師講學生聽”“機械式講授”為主，學生的學習多為聽課加做題的形式，缺乏學習興趣和熱情，導致學習效果不甚理想，出現跟不上教學進度過程、不能完成課后學習任務、考試成績不理想等現象，無法為后續高年級專業課學習打好基礎。

物 理的學習不僅是知識的理解，更是思維的構建。基于物理的學習特點，有學者提出基于混合式學習模型[1]、基于變構學習模型[2]、ETA 教學方法[3-4]、加強過程考核[5]等，通過理論分析和實踐研究力圖使物理的教學更精細化，改變學生的學習認知，引導學生在學習中積極思考，提高教學效果。學習認知的重構是一個長期而復雜的過程，需要結合知識的特點和相互關聯來進行。近年來，我們教學團隊根據學生學習成長規律和物理知識結構特點，提出基于思維導向的教學理念（Mindset-Based Education，MBE），并在青島科技大學部分理工科專業中推廣實施，幫助學生在大學物理的學習過程中，構建物理思維、培養學習興趣、養好學習習慣，享受大學物理學習的快樂，夯實物理基礎素養。

1 物理教學的問題及困境

作為一門公共基礎課，大學物理的教學在“科研為主”“專業為王”的大學學術體系主導下，地位越來越輕，應發揮的育人作用無法凸顯，呈現出一些教學問題，主要表現在下述3個方面。

1.1 基礎學科地位不受重視

雖然教育主管部門多次強調物理等基礎學科在育人方面的重要作用和地位，但是隨著高校分類考核的實施，專業認證、一流專業建設等任務要求，專業所突出的作用越來越重要，專業相關的科研成果、科研論文在考核中占比越來越高，而基礎學科的比例和重視程度越來越低。物理基礎學科的育人作用，無法在短時間內進行量化考核，更不能說學習了大學物理，就會立竿見影地看到學生進步，所以導致許多理工專業的培養方案中，將物理的學時數一再壓縮，將其定義為最普通的課程，甚至部分學校將其列為選修或直接去掉了物理課，導致知識內容講不完、學不透，物理基礎夯不實、筑不牢。

1.2 教師思想保守，不能與時俱進更新知識和教學

大學教師尤其是青年教師肩負著教學和科研的雙重任務，科研考核壓力大，論文、項目等量化指標幾乎年年考核。面對繁重的科研任務，多數青年教師無法拿出更多時間和精力投入到教學和教研，加之許多教師從博士畢業進入高校便開始走上講臺，缺乏教育理論的支撐和教育方法的了解，未能掌握教育規律和學生學習規律，導致教學過程單純是完成任務、過過流程。部分年長教師教學思想保守，不愿意接受混合式教學、反轉課堂、微課慕課等新穎的教學形式[6]，他們認為一支粉筆、一張黑板，原原本本推導物理公式、扎扎實實做好物理題目，就可以把教學做好。這部分老師往往忽略了學生的性格特點和知識基礎，把教學過程單獨演繹成“教”，從而導致教學效果不佳，甚至進入到了“教師拼命講、學生一臉懵”物理教學的死胡同。

1.3 學生學習惰性大、方法差，學習效果不佳

學生在大學物理的學習過程中，課堂聽課效果較低，學習過程中無法克服中學物理的思維定勢，往往嘗試利用中學的知識和方法去解決問題，尤其是遇到微積分、公式推導和應用等知識，沒法真正打破舊認知、構建新體系，從而無法理解掌握、不能應用計算，導致學不會、興趣低，跟不上課程的進度，產生學習惰性，出現學習的問題。一學期需要學習的課程較多，無法保障課下的復習鞏固，不能有效建立知識的前后聯系。在較多學生心中，大學物理是一門特別難的課，即便努力聽講、認真做題，也無法完全跟上，加上課程教學進度快，沒有中學時候“一節三測”的題海訓練，陷入到“知識能聽懂、做題沒思路”的學習怪圈。

2 MBE教學理念的提出及內涵

2.1 MBE教學理念的提出

大學物理的知識學習是一個打破舊認知、構建新體系的過程，需要把碎片化的內容整理成相互關聯的知識，需要在構建的過程中注重思維的關聯、物理思維的塑造。正是由于物理的課程和學科特點，我們提出基于思維導向的教學理念，針對性開展物理思維模式培養和訓練，發揮物理基礎學科作用，培養學生的理工素養。

2.2 MBE教學理念的內涵

基于思維導向的教學理念，英文全稱為Mindset-Based Education，簡稱MBE，是在教學過程中以思維培養為導向、以知識框架重構為途徑，打破學生舊的認知，形成新的知識體系，采用“框架建構知識增加要點關聯”立體化模式的教學理念。MBE理念的教育核心及實施原則如表1 所示。大學物理學習中主要包含的十種思維及進階模型如圖1所示。

3 MBE教學理念的實施要點

大學物理知識具有模塊化的特點，不同知識模塊之間相對獨立又有一定的聯系，如力學中包含質點運動學、動力學、動量能量等，彼此密不可分，多需要利用微積分去解決物理問題，因此模型思維、極限思維、整體與隔離思維的塑造非常重要。而光學內容和運動學內容差別較大，溯源于質點的振動，從機械振動引申到電磁振動，從機械波延伸到光波，知識的學習主要基于振動方程和三角函數的變換，因此圖像思維、類比思維、歸納總結思維對掌握光學知識更顯重要。MBE 教學理念實施的特點就是時刻與物理知識相聯系，注重關聯、逐級塑造。

3.1 設計知識結構

大學物理的教學過程，既要做好知識的講解，又要提前做好教學設計，沿著何種思路講授非常關鍵。在哪些過程中調動學生參與、哪些環節中激發學生思考、哪些內容上督促學生做題，都要根據知識特點和依賴的物理思維進行設計。基于MBE理念的教學，并非將純粹的思維凌駕于知識之上，也不是實現知識和思維的單一對應，通常情況下，一個內容模塊包含多個知識點，涉及多種思維模式的鍛煉和塑造。

在剛體的轉動學習中，知識點涵蓋剛體的概念、轉動定律、角動量等多個知識點，且是中學從未接觸過的，因此剛體章節的學習往往是較難內容之一。在設計本部分知識結構時，需從基本的模型出發，以動畫、圖像的形式幫助學生弄清剛體的概念，通過開門關門、陀螺轉動等生活中常見的剛體轉動現象引發學生思考，將現象模型化，從圖像和運動動畫中發現物理問題，如圖2所示。

轉動定律的設計中，要結合類比思維的鍛煉去實施。剛體是由大量的質點組成的，因此剛體的轉動也可以看成大量質點的運動，在轉動定律推導、轉動定律理解、轉動慣量引入的過程中，將F=ma 與M =Jα 逐一對比，既關注定律整體的內容，又聚焦每一個對應的物理量，幫助學生進行前后的知識關聯，讓剛體的知識體系在質點的基礎之上逐步構建起來。引發學生有意識地從轉動定律的角度去思考，明白現象、把握規律、弄清成因，更好地促進知識體系的構建。

3.2 完善框架內容

物理知識的講授和學習要從知識框架的構建開始，首先要破除學生中學舊的知識體系，然后結合課堂教學過程構建新的知識框架。知識模塊講解初期，要有提綱挈領的介紹，講解過程中要有內容的填充，總結復習時要有梳理反饋，不斷引導學生構筑新體系、完善物理內容。

在恒定磁場章節的教學過程中，磁場和電場的關聯是密不可分的，而磁場又有自身的特殊性質。以磁場為中心，首先建立與之相關的知識點體系，磁場的來源（上游）：電流、電動勢、畢奧薩伐爾定律、安培環路定理;磁場本身的特點（中游）：安培定律、安培力、洛倫茲力、磁介質;磁場性質的應用（下游）：載流線圈、螺線管等，通過脈絡在知識體系中建立框架。

在框架的基礎上，課堂教學過程中，把每一部分知識完善更新。如畢奧薩伐爾定律中，需要利用微積分工具來解決電流元周圍的磁場，通過整體與隔離思維的訓練，引導學生建立Idl 電流元的概念，如何去選擇和確定電流元，為何是Idl 而不是ldI。計算帶電導線的磁場，從電流元出發，利用微積分計算有限或無限帶電體周圍的磁場。把框架中磁感強度的計算部分進行知識內容的填充，如：導線、電流圓環和半圓環、長直螺線管、螺繞環等，進而歸納總結各類計算磁感強度的模型。圖3是章節學完以后，教師指導學生設計的知識框架圖，可以一目了然地把握恒定磁場的主要內容。

3.3 推動逐級教學

大學物理的知識具有遞進性，多為從淺到深或沿著某一條知識定理主線去展開，因此在教學的過程中，基于知識所承載的思維，逐級推動教學。先把基礎的現象以物理語言模型化、歸類化，引導學生拋開現象本身，聚焦于物理模型;然后對物理模型中各元素特點、規律、性質進行分析，由此推導出核心的定理和定律;在此基礎上，圍繞物理模型中的變量進一步展開討論，從特殊到一般進行歸納總結，進一步學懂弄通知識;基于知識和模型的物理范疇，針對其應用展開訓練，在逐級教學互動活動中，促進學生建立新知識體系。

高斯定理是電學模塊中的重要內容，是計算帶電體周圍電場強度最常用的方法。在本部分內容講授的過程中，從一個最基本的模型開始，點電荷位于球心處，計算通過球面的電場強度通量，在此過程中基于圖像和量化的計算，很容易獲得下述表達式：Ф_e=q/ε₀。通過分析模型中的變量，講解中按各個量的改變來分析推導，如：點電荷不在球心而是其他位置、閉合曲面不是球面而是任意曲面、點電荷不唯一而是有多個、點電荷不在曲面內而在曲面外等，把情形羅列出來引導學生思考和推導。

為方便學生理解，講授過程中采用類比方式，從定性的角度引導學生去分析。如圖4所示，模型分析中將點電荷看作一顆會發光的“夜明珠”，發出的“光線”就是一條條電場線，則通過整個閉合球面的電場強度通量就是“光線的數目”。分析“夜明珠”一顆且在中心、不在球心、不在面內、多顆以及不是球面的場景，來判斷光線出射的規律，簡單明了推導出電場強度通量為Ф_e=q/ε₀、不隨電荷位置和閉合曲面形狀而改變的結論。通過類比，能有效促進學生對物理現象和規律的理解認識，簡化推導流程。講授完各類情形獲得高斯定理的形式以后，再輔以嚴密的數學推導驗證，使得逐級教學的過程更加簡化、大大降低了數學推導功底弱對物理知識學習的限制和阻礙。

3.4 聯動要點脈絡

大學物理的教學不可將各部分孤立化，而是要十分注重前后的知識關聯，引導學生在知識體系中給每個知識點都找準位置。在教學過程中，通過舊知識來推導新知識，學習新知識來夯實舊知識，建立各個知識點之間的聯動脈絡，形成一張密織的物理知識網。

光的干涉是光學知識模塊的重點內容，其涉及的知識點包含干涉的現象和本質，如楊氏雙縫干涉、薄膜干涉等多種干涉類型。按照傳統的逐一機械式講解方式，可以把每一部分都講清楚，但較難促進學生建立有效的聯系、形成新的知識建構。基于MBE理念的教學實施中，以光束干涉的本質為核心，將各類干涉有效串聯。無論哪一類干涉，都可以歸為兩束光波的相干疊加，分析干涉強度的增強和減弱，就是判斷疊加后的振幅，其決定性因素就是相位差，對光束而言即光程差。在光程差的概念下，進一步培養學生的類比和歸納總結思維，楊氏雙縫干涉中兩束光的光程差計算及分析、薄膜干涉中光程差的計算及分析，從而跳出具體的例子去分析干涉現象和規律。

通過光的干涉可以促成多個知識點的聯動，在幫助學生建立了干涉模型以后，就可以進一步擴展，引導學生自主分析劈尖、牛頓環等特殊的干涉模型了。在所有干涉模型全部學習完成以后，以干涉和光程差的計算為主線，對所有干涉現象和規律進行總結、對比，并與前述波動知識相互關聯，形成光學的知識體系。在此基礎上，由干涉引發學生對光的本質的思考，波動性有何體現、粒子性有何體現，進而為后續量子物理的學習埋下伏筆。

3.5 健全完整體系

在學生重構物理體系、建立新的物理認知的過程中，對知識整體的把握、全局性的思考尤其重要。好比用一條線就可以把所有知識點串起來，每一個節點處都包含著細致的物理知識。MBE理念實施的過程中，要助力學生健全完整的知識體系，以各類思維的鍛煉為基礎建立物理知識樹。

經典物理學是大學物理的核心內容，在章節中包含質點運動學、牛頓定律等，教學的過程中按照不同知識點之間的關系建立框架，然后健全知識內容。從運動現象入手建立不同模型，分析質點運動的現象、過程和規律;解密現象背后的本質，探究質點運動的成因，引入動力學，即牛頓運動定律;基于守恒思維，分析運動過程中力對時間和空間的累積，延伸到動量和能量的概念，由此經典物理學中的基礎知識體系就建立起來了。

由質點引申到質點系進而到剛體、由自由運動引申到受迫運動（振動）進而到波動，既有特殊和一般的思維訓練，又有歸納和總結的思維塑造。整個教學過程中，一直圍繞經典物理的大體系，描繪一棵枝繁葉茂的知識樹。學生在學習的過程中，不是因為課程章節設置而進行某些內容的學習，而是基于下一步的思維需求和物理知識探索，逐一構建、有序進階，能夠實現隨學隨練、隨構隨建，不斷把課程中的零散知識填充到自己的物理體系中。

4 結語

近年來，通過基于MBE 理念的物理教學探索，教師和學生的積極性和參與度得到明顯提升，大學物理的學習不再是一個枯燥無味的過程，形成了類似“搭積木”“游戲闖關”“思維導圖描繪”的有序化教學過程。隨著時代的發展，不同年齡和年級的學生特點也在不斷發生變化，對教師的教學設計、教學研究、教學實施提出了更高的要求。無論是教務部門還是不同專業所在的院系，應該與任課教師一起參與到教學過程，形成多方聯動。MBE教學理念，基于思維導向重構知識，依托物理課程又融合物理思維，在大學物理教學過程中具有很強的針對性和實用性。我們將以大學物理教學改革為己任，不斷構建好、豐富好學生的知識體系，實現課程所承載的培養學生創新能力、理科思維、科學素養的目標，培養更多道德情操高、理工素養好、邏輯思維敏的新型理工人才。