大學(xué)物理個性化研究性教學(xué)探討

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摘要：作為高等院校理工科專業(yè)學(xué)生的一門必修基礎(chǔ)課，大學(xué)物理可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和研究方法，對于后續(xù)專業(yè)課的深入學(xué)習(xí)非常重要。文章以中國民航大學(xué)普通物理課程教學(xué)為例，較為系統(tǒng)地分析了物理教學(xué)中存在的問題，通過具體實例給出了改進(jìn)方法。同時，結(jié)合教學(xué)實際討論了個性化研究性教學(xué)的意義和局限性。

關(guān)鍵詞：個性化；研究性；物理教學(xué)

一、中國民航大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀

中國民航大學(xué)坐落于天津市，是中國民航局直屬的以培養(yǎng)民航高級工程技術(shù)和管理人才為主的高等學(xué)府。目前在校學(xué)生28000余人，專職教師1500余人，其中普通物理授課教師30余人。中國民航大學(xué)開設(shè)有34個本科專業(yè)，6個?？茖I(yè)，大學(xué)物理是絕大部分專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，每學(xué)期在學(xué)人數(shù)（含重修班學(xué)生）約6000人。課程內(nèi)容涵蓋力學(xué)、簡諧振動、波動、波動光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、狹義相對論和量子力學(xué)基礎(chǔ)，共計120學(xué)時，分別在大一下學(xué)期和大二上學(xué)期開課。基于上述數(shù)據(jù)，大學(xué)物理教學(xué)中存在班級容量大（通常大于120人/班）、課程內(nèi)容豐富、課時緊張等特點。大學(xué)物理的教學(xué)改革已進(jìn)行了多年，在教學(xué)理念、教學(xué)模式等方面都有一定的進(jìn)步，但仍然存在一些問題，例如：（1）傳統(tǒng)的課堂教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識的重點、難點，而且過于注重教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、邏輯性、數(shù)學(xué)演繹等理論知識，與當(dāng)今高新科技、實際應(yīng)用脫節(jié)，和專業(yè)融合不緊密，因而工科學(xué)生對學(xué)習(xí)物理課的興趣淡漠。（2）教學(xué)中缺乏分層次教學(xué)，教師課堂講授過細(xì)，用于舉例和題解的時間多，留給學(xué)生獨立思考和分析的時間少，學(xué)生的主動性沒有得到發(fā)揮，遠(yuǎn)不足以使學(xué)生有能力運用知識，這不利于學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。（3）在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生雖然掌握了基本的理論知識，但在面對實際問題時不知道該如何入手，解決問題能力差。尤其是在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練中，同樣發(fā)現(xiàn)學(xué)生無法很好地將物理知識與其它學(xué)科知識相互結(jié)合去解決實際問題。由此可見，為了培養(yǎng)復(fù)合型的工程人才，為了提升課程質(zhì)量，針對上述存在的問題，對大學(xué)物理教學(xué)進(jìn)行更深層次的改革亟需探索和實踐。

二、個性化研究性教學(xué)實例

個性化研究性教學(xué)，是以學(xué)生成長目標(biāo)為導(dǎo)向，根據(jù)學(xué)生的個性、興趣及發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行個性化培養(yǎng)[1-3]，形成“以學(xué)生為中心、以探索為導(dǎo)向、以教學(xué)科研相結(jié)合”的教育教學(xué)模式，其目的是借助多元化的教學(xué)手段來激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和動力，挖掘及發(fā)揮學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生個人能力特色，促進(jìn)學(xué)生全方位、個性化成長。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師的主要任務(wù)是將物理知識傳授給學(xué)生，增加學(xué)生的知識儲備，而忽略對學(xué)生對知識遷移能力的培養(yǎng)。我們認(rèn)識到，個性化培養(yǎng)模式是提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力的內(nèi)在要求。我們應(yīng)尊重學(xué)生作為個體的發(fā)展需要，充分考慮每個學(xué)生的個體差異，在學(xué)生自愿深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，給予部分學(xué)生充分的機(jī)會提升自己，進(jìn)而達(dá)到更高層次的學(xué)習(xí)效果。例如：在教學(xué)中，我們會在部分課后布置與課程知識點相關(guān)的研究性課題（結(jié)合教師自身的科研背景），該類課題不同于常見的課后作業(yè)題，它具有一定的綜合性、前沿性、應(yīng)用性，需要學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識，如高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、計算機(jī)等，去解決實際問題。例如，在講授電磁學(xué)內(nèi)容時，教師會引導(dǎo)學(xué)生利用電磁學(xué)基本知識去分析帶電粒子的運動問題，通過計算機(jī)實現(xiàn)可視化的帶電粒子的運動軌跡，從而使學(xué)生對知識的理解和運用達(dá)到融會貫通，不僅如此，還可以鍛煉學(xué)生運用綜合知識解決復(fù)雜問題的能力。為了幫助學(xué)生順利達(dá)到課程目標(biāo)，任課教師對課題由淺入深做了如下設(shè)計：（1）帶電粒子庫倫勢的空間結(jié)構(gòu)；（2）帶電粒子在均勻磁場下的運動軌跡；（3）帶電粒子在均勻電磁場下的運動軌跡；（4）帶電粒子在不均勻電場場下的運動軌跡。上述四個物理內(nèi)容的分析如下：假定一個帶電粒子的電量為Q，放置于一個二維x-y空間，根據(jù)庫倫勢基本公式，在Matlab中寫出庫倫勢的表達(dá)方式，最后利用直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換關(guān)系，做出庫倫勢的空間分布，如圖1所示。在該環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生理解庫倫勢的表達(dá)形式，能夠運用Matlab編程語言，同時還需要學(xué)生掌握坐標(biāo)變換的方法。圖1庫倫勢的空間結(jié)構(gòu)為了強(qiáng)化學(xué)生對運動學(xué)和電磁學(xué)的結(jié)合運用，我們在第二、三、四設(shè)計了不同層次的分析過程，即在第二個環(huán)節(jié)中，我們設(shè)計了較為簡單的情況：帶電粒子Q在均勻磁場B中的運動，假定粒子的初速度分別有垂直于磁場和平行于磁場的分量，利用Matlab語言，圖2給出了帶電粒子的螺旋進(jìn)動軌跡。該環(huán)節(jié)需要學(xué)生能夠推導(dǎo)出粒子的軌跡方程、并且靈活運用Matlab語言實現(xiàn)粒子的運動過程。第三個環(huán)節(jié)中，在均勻磁場的基礎(chǔ)上，增加了垂直于B的均勻電場E，同時考慮兩種質(zhì)量不同的帶電粒子。該環(huán)節(jié)同樣要求學(xué)生推導(dǎo)出粒子的軌跡方程，相比第二個環(huán)節(jié)難度要大很多，圖3給出了這種情況下帶電粒子的漂移進(jìn)動軌跡。圖2帶電粒子在均勻磁場下的運動軌跡最后，第四個環(huán)節(jié)中，我們考慮更為復(fù)雜的情況，即磁場為反剪切形式，電場具有一定梯度，同時兩者方向垂直。根據(jù)粒子的運動方程，圖4給出了不同磁場剪切情況下帶電粒子的運動軌跡。在該環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生自學(xué)龍格庫塔或者與預(yù)報修正方法對粒子的運動軌跡加以分析，這極大地鍛煉了學(xué)生的鉆研精神。通過上述四個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生綜合運用物理、數(shù)學(xué)、計算機(jī)編程、數(shù)值方法的能力大大加強(qiáng)。在上述訓(xùn)練中，教師給出研究性課題，同時給出課題的結(jié)果，中間實現(xiàn)過程交由學(xué)生去完成。該種教學(xué)模式的出發(fā)點如下：（1）通過生動的圖像抓住學(xué)生的注意力，無形之中激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣；（2）通過圖像的展示，讓學(xué)生大致了解本課題的結(jié)果，從而有明確的努力方向，并且主動搜集資料補(bǔ)充自己知識庫；（3）通過結(jié)果展示，使得學(xué)生知曉老師有充足的知識儲備，可以為他們的研究性學(xué)習(xí)做深入指導(dǎo)；（4）通過結(jié)果展示，激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進(jìn)教師和學(xué)生更深入地交流；（5）通過結(jié)果展示，帶動更多的學(xué)生投入物理學(xué)習(xí)，從而提升班級整體學(xué)習(xí)效果。上述教學(xué)方法開闊了學(xué)生的眼界，有利于學(xué)生發(fā)散思維的訓(xùn)練以及分析問題、解決問題的能力的培養(yǎng)，學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣得到了一定程度的提高，特別是在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，參與訓(xùn)練的學(xué)生表現(xiàn)較好，不僅能夠通過自主性學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作順利完成上述課題，并以此為基礎(chǔ)開展下一步的研究工作。在天津市大學(xué)生物理競賽中，很多學(xué)生也獲得了很好的成績，其中有多人次獲特等獎和一等獎。

三、新工科背景下個性化研究性培養(yǎng)的探索

新工科是根據(jù)國家發(fā)展戰(zhàn)略新需求、國際競爭新形勢及立德樹人新要求而提出的國家工程教育改革的方向[4-5]，重中之重是培養(yǎng)大量具有匠人精神的創(chuàng)新性卓越工程人才，然而學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[6-7]仍是我國工程教育的主要短板。我校以航空工程學(xué)院和電子信息與自動化學(xué)院兩個學(xué)院中的四個專業(yè)開展新工科試點班的建設(shè)，這四個特色專業(yè)分別是飛行器制造工程專業(yè)、飛行器動力工程專業(yè)、電氣工程與自動化專業(yè)和自動化專業(yè)。大學(xué)物理是理工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新型人才的知識結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著先導(dǎo)性與根基性的作用，其教學(xué)質(zhì)量的好壞會直接影響工程人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在新工科背景下，各高校紛紛進(jìn)行大學(xué)物理課程教育教學(xué)改革的探索[8-11]。為滿足新工科專業(yè)對創(chuàng)新型工程技術(shù)人才的新要求，我們重新設(shè)計了教學(xué)大綱。第一，將大學(xué)物理和物理實驗合并為一門課程，使物理實驗變成課內(nèi)實驗，二者相互配合與協(xié)調(diào)，加強(qiáng)理論聯(lián)系工程實際；第二，對大學(xué)物理內(nèi)容進(jìn)行了梳理，并且進(jìn)行了模塊化的設(shè)計，由通識模塊和選增專業(yè)模塊構(gòu)成。第三，在理論課程教學(xué)中，采用雙課堂。第一課堂大班授課，采用啟發(fā)與討論式教學(xué)方法，在課程教學(xué)設(shè)計時體現(xiàn)“教師指導(dǎo)－學(xué)生探究－培養(yǎng)能力”的教學(xué)特點，同時有意識地培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的世界觀和方法論去認(rèn)識和解決物理問題，并結(jié)合講授內(nèi)容使物理原理與科學(xué)技術(shù)、自然現(xiàn)象等領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和初步的工程意識。第二課堂小組討論，鼓勵通過查找網(wǎng)絡(luò)資源、習(xí)題/案例討論、探索性實踐等多種方式開展探究式學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對學(xué)生分析和解決問題能力的培養(yǎng)，可以適當(dāng)安排學(xué)生在計算機(jī)上使用仿真物理實驗軟件鞏固和加深其對于物理概念的理解，盡量鼓勵學(xué)生利用已掌握的計算機(jī)的知識編程設(shè)計物理現(xiàn)象并能建立模型來解決物理中一些難題。第四，在實驗教學(xué)中，以“實驗活動為中心，理論與實驗相結(jié)合”的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生注重實驗現(xiàn)象的觀察，并將所學(xué)的物理知識和物理規(guī)律用于對實驗現(xiàn)象的分析和解釋，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和自主實驗?zāi)芰?。只有善于觀察的人才有可能“有所發(fā)現(xiàn)”，才有可能“有所創(chuàng)造”，培養(yǎng)創(chuàng)新能力首先要從學(xué)會觀察現(xiàn)象開始[12]。在新工科背景下，物理教學(xué)應(yīng)從知識教育為主轉(zhuǎn)變把科學(xué)素質(zhì)和工程能力的培養(yǎng)放在第一位，要從偏重依靠教師“教會”轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅匾龑?dǎo)學(xué)生“學(xué)會”，并使學(xué)生“會學(xué)”“會應(yīng)用”，物理教學(xué)中注意理論與實際相結(jié)合，與工科專業(yè)相融合，為學(xué)生打下牢固而堅實的物理基礎(chǔ)的同時，也為他們對工程科技知識的掌握和長遠(yuǎn)的發(fā)展提供支撐。

四、結(jié)束語

個性化研究性教學(xué)方法是基于當(dāng)前物理教學(xué)中普遍存在的問題提出的新探索，具有一定的針對性。本文以電磁學(xué)內(nèi)容為例，討論了改進(jìn)物理教學(xué)的個性化研究性教學(xué)方法，在具體實踐中，該方法已經(jīng)體現(xiàn)出來一定的積極作用，同時，我們也認(rèn)識到該方法還有待改進(jìn)，其局限性體現(xiàn)如下：（1）由于課題具有一定的難度，能夠深入?yún)⑴c其中的學(xué)生有限；（2）課題設(shè)計需要教師有一定的知識積累，特別是計算機(jī)、數(shù)值計算等方面能力的提升；（3）對于個性化研究性物理教學(xué)，當(dāng)前情況下的物理課時稍顯不足；（4）由于大學(xué)物理是我?；A(chǔ)必修課，開設(shè)時間只有兩個學(xué)期，因此物理課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，有較好潛質(zhì)的學(xué)生逐漸脫離本研究性課題，無法進(jìn)行連續(xù)性的教學(xué)案例分析。

總之，在新工科背景下，高等教育人才培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量都面臨著更大的挑戰(zhàn)，我們反思傳統(tǒng)大學(xué)物理教育在人才培養(yǎng)方面的不足，提出了個性化研究性教學(xué)模式以適應(yīng)學(xué)生個性化發(fā)展的卓越人才培養(yǎng)。在實際的教學(xué)中，教師應(yīng)充分尊重學(xué)生間的差異以及學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，從個性化人才培養(yǎng)的視角，提升學(xué)生應(yīng)用物理知識解決復(fù)雜問題的能力。

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作者:楊芳 孔偉 魏通 周青軍 單位:中國民航大學(xué)