問題驅動的類比法、互動型、研究性教學模式

摘 要 充分考慮一流課程應具備的高階性、創新性和挑戰度的特點與要求，作者以北京航空航天大學（北航）電磁學課程建設為例，經過近四年在應用物理專業強基計劃、物理學專業拔尖計劃學生的教學實踐中，提出并實施了問題驅動的類比法、互動型、研究性的教學模式，使電磁學課程的教學質量、學生綜合素質和創新能力得到持續提升。

關鍵詞 電磁學;教學模式;問題驅動;類比法;互動型;研究性

通過調研發現，隨著科技進步尤其是第四次工業革命的展開，發達國家都在積極推進高等教育管理的改革創新：（1）美國高校的本科教學強調學生個性發展，著重培養學生創新意識與能力。因此，課程種類設置廣泛，為學生提供多種選擇;課堂采用研討方式，讓本科生提早了解科研，鍛煉學生的創造力;考核方式多種多樣，注重學生綜合能力的培養。（2）德國十分注重建立人才篩選機制，學生在經過基礎階段學習后需要經過數次分流才能進入高校學習，因此學生具備扎實的基礎知識。在我國，隨著高等教育事業的迅速發展，本科生教育無論在規模和層次還是在數量和質量上，都有了前所未有的發展和提高，培養出眾多基礎扎實、成績突出、科研創新能力強的優秀人才;但目前仍存在過于注重專業教育，忽略學生個性發展與品質培養等問題，限制了學生視野的拓展和基礎能力的發展，束縛了學生思維的開拓和創新能力的形成。

創新人才的培養離不開高等教育，高等教育中的課堂是人才培養的主陣地。如何在課堂教學中既讓學生掌握基礎理論和基本方法，又能培養學生的創新意識且激發學生科研潛力是高等教育工作者和高校課程建設的教師需要深入思考的問題。

電磁學是研究電、磁、二者的相互作用及其規律和應用的物理學分支學科。其研究的內容與我們的生活息息相關，可以說電磁現象無處不在，電磁現象的研究也為我們生活帶來了方便、快捷。學習、研究電磁學無論是對培養將來相關專業技術人員，還是提升學生綜合素養、創新能力都顯得非常必要。同時，全球已進入或即將進入智能時代，對芯片的需求更呈遞增趨勢，芯片的研制更離不開電磁產業的發展和高層次電磁人才。大學作為為國家各行各業輸送高層次人才的重要基地，理當為芯片研究儲備科技后備力量，課程的開設也應該適于培養所需的為國家、為社會服務的人才，以推動國家和全世界的建設和發展。

北航電磁學課程團隊，根據“教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見”[1]和“教育部關于一流本科課程建設的實施意見” [2]結合物理學院本科培養方案改革的要求，通過綜合調研、充分考慮應用物理專業強基計劃、物理學專業拔尖計劃學生的特點，經過近四年的教學實踐，提出并實施了問題驅動的類比法、互動型、研究性的電磁學教學模式的改革與探索，持續提升了課程的教學質量和學生的綜合素質，有效地支撐了北航拔尖創新人才培養。

1 課程建設總體設計

北航物理學院物理專業電磁學課程設置在大一第二學期，總課時80，內容包括靜電場 恒定電流場、恒磁場、電磁感應、電磁介質、電路（重在暫態電路和交流電）、麥克斯韋電磁場理論，共六章內容。相比同類院校電磁學課程，課時相對充足，授課對象為應用物理專業強基計劃和物理學專業拔尖計劃學生，基礎較好，所以授課教師有時間和空間展開個性特色化的教學活動，促進教與學的高質量發展。課程建設注重了基礎知識的掌握、強化了課程內容的實際應用，以解決問題為導向、拓展相關領域前沿研究，有效提升了學生對電磁現象的整體思維，促進了學生解決實際電磁問題能力的提高。

（1） 主要采用“問題驅動—經典內容講解—生活物理問題或前沿物理問題”的教學范式（見圖1），通過類比、互動和研究，引導學生自主學習和深度探究，對創新性人才培養模式進行了探索。

（2） 充分利用課堂翻轉、雨課堂等方式，將部分中學中作為重點講授的內容調整為復習—研討模式;圍繞有效提升學生整體思維、以解決實際問題為導向這一關鍵點，通過重基礎、強應用、求拓新提升課程育人功能，開展電磁學的基礎知識、前沿拓展、專業應用三個模塊的綜合交叉教學改革（見圖2）。

通過上述兩個方面的持續實踐、迭代，形成了有特色的教學風格，促進了學生“知識、能力、素質”的協調發展和創新實踐能力的提高，滿足了一流課程兩性一度的要求。

2 基于問題驅動的類比法、互動型、研究性教學

高等教育著力培養知識面寬、應變能力強、具備科研能力和創新意識的優秀人才。筆者認為電磁學課程，（1）在教學內容上應該除了強調經典內容的基礎地位外，還應該向信息技術等領域延伸，讓課程與實際生活結合更為緊密，要與時代發展一致，穿插一些本學科的前沿動態;（2）在教學方法上應該讓學生有機會表達自己的觀點，鼓勵學生以論文形式就某個問題深入探究，計入平時考核中;（3）課外討論要利用信息化手段延長課程學習和討論的時間。基于此三點結合課程建設整體設計思路，筆者提出電磁學課程問題驅動的類比法、互動型、研究性的教學模式。

2.1 以問題驅動的課程內容講授

依托多媒體、雨課堂等平臺，實現問題驅動的教學內容的引出，如課程內容每章每節的講授中都先提出問題，利用問題引出所講內容，繼而回到問題中。案例（見圖3）：靜電場中的導體。前面講述了靜電場的性質，空間中除了產生靜電場的帶電體，別無他物。顯然，這樣的電場盡管性質搞清楚了，但實際上是沒有多大意義的。因為只有存在其他物質的時空或場，才有豐富的物理現象，才值得更進一步研究。于是問題就出來了，可以提出：如果把物質（比如：導體）放入靜電場，導體將發生什么變化？ 靜電場又如何受導體的影響呢？這樣自然就把課程內容引出來了。再如這部分內容講完后，學生清楚了解相關知識點后，問題又來了，那么借助導體在靜電場的性質，有何實際應用呢？ 這樣就引出了下個知識點———靜電屏蔽。這是課堂知識內容的問題驅動，課后靜電屏蔽的具體實現，詳細研讀有關書籍和文獻，討論如何做到高質量的靜電屏蔽？ 電場可以有屏蔽，和電場有相同平方反比定律的萬有引力場是否也能做到屏蔽呢？ 如果不是導體，而是其他的電介質，又該如何研究呢？ 如此從課堂—課中—課后，都用問題激發學生，這樣除了高效完成課程內容的講授外，也培養了學生提出問題、思考問題、解決問題的能力。

2.2 以問題驅動的類比方法學習

電磁學內容包括電和磁兩部分，在研究對象上有很強的相似性，在研究方法上更有類比性，教學活動中要善于抓住兩者現象、規律、研究方法、實際應用等方面的相似性，充分利用類比法，無論是課堂知識的講授中還是培養學生綜合能力都會起到事半功倍的效果。內容的講授上，比如庫侖定律與安培定律，二者研究的都是非接觸物體之間定量的相互作用規律，都是大量猜想、實驗、理性思維的結果。不同的是庫侖定律研究的對象是電荷，現實中存在，而安培定律研究的是兩個電流元之間的相互作用，電流元本身是不存在的。但兩個定律從數學形式上非常相似，都是平方反比律，前者是有心力，后者是非有心力。兩者完全可以對比學習，增強對規律的認識。講授中要善于發問，從庫侖定律的提出、研究對象、結果、適用范圍等，引出安培定律要解決的問題，如何解決？ 等等。再如直流電路、暫態電路和交流電路三者的對比學習，授課中抓住三者的相似地方，都可以用基爾霍夫第一、第二定律進行求解，同時，強化三者的特色與不同。教學中，要始終樹立用已有的知識去類比學習未涉及的內容的理念。同時可以讓學生去總結歸納體會類比在電磁學學習中的強大用處。

事實上，除了課程內容中的類比外，利用電和磁之間的關系以及和物質的相互作用，也可以進行類比法展開課程思政（見圖4）。比如，抓住知識主線：真空電（磁）→電磁相互作用→電磁感應→電磁波，再到探討介質中的情形。類比到思政育人主線：獨立個體→相處交往→友誼愛情→美好生活，再到不同背景環境中人與人之間的交往。

2.3 以問題驅動的互動模式教學教學

不止課堂，輔以實踐教學、成果交流的方式，拓展課堂的時間和空間，構建教師教、學生學和創新實踐三者融合迫在眉睫。近四年教學實踐中，課程組從問題出發，以切主題、重互動和展成果為導向，籌劃構建了教學研互動模式（見圖5）。比如：課堂教學中互動，重要公式的推導、相似現象的類比、每個模塊結束后的小結等;實踐教學中互動，充分利用學校演示實驗器材資源，向學生形象展示電磁現象，鼓勵學生自己動手操作，互相交流;成果展示中互動，通過大作業、遴選相關的大學生物理學術競賽題目鍛煉學生對課堂知識的運用，采用作品交流、論文等展示成果，使師生更好交流互動。

2.4 以問題驅動的研究潛力培養

課堂知識不是學得越多越好，而是要注重對知識的運用和駕馭能力，電磁學現象在生活中無處不在。掌握課堂知識后，如何用課堂知識去解決實際問題，是培養創新人才的必要考慮。課程團隊精心醞釀、提煉生活中的相關電磁現象和大學生物理學術競賽有關題目，讓學生在學習完相應知識點后，嘗試一定程度的解決。比如在課堂教學中穿插基礎知識關聯度很強的大作業：平方反比律、電屏蔽、電勢零點的選取、磁屏蔽等，也有偏電磁應用的加速器、電動機、電流計等，還有科學前沿的憶阻器等，輔以大學生物理學術競賽相關電磁學的題目，如磁力小火車等，課程相關內容講完后，布置給學生從原理、思想、科學方法等方面進行準備和課堂展示。這些教學活動既強化了基礎知識的學習，增加學生對內容的興趣，又強化了課堂知識的運用，綜合能力得到提升（見圖6）。

3 結語

本文以筆者在北航對應用物理專業強基學生和物理學專業拔尖學生講授電磁學課程為例，主要強調了以問題驅動的課程內容講授和以嘗試解決的開放問題訓練，輔以類比、互動和研究的教學模式（見圖7）。這種模式注重了學生物理思維的浸潤和引導，充分發現和挖掘具有創新研究潛質的學生，除了課堂基礎知識的學習外，通過演示實驗、解決實際問題等訓練，推薦參加大學生物理學術競賽、北航馮如杯等，提升了學生的綜合素質。課程建設符合兩性一度的一流課程要求，相信此種模式會對其他相關類課程有一定的參考。

參 考 文 獻

[1] 教育部. 教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才

培養質量的意見[Z].教高〔2019〕6號，2019-10-08.

[2] 教育部. 教育部關于一流本科課程建設的實施意見[Z].教

高〔2019〕8號，2019-10-30.