譚佐軍 丁孺牛 陳建軍 盧 軍

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430070)

農(nóng)林院校物理學(xué)立體化教學(xué)資源和自主性學(xué)習(xí)的研究與實踐

譚佐軍 丁孺牛 陳建軍 盧 軍

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430070)

結(jié)合農(nóng)林高校的特點對物理課程教學(xué)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的研究,研究教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建了教材和 T.A助學(xué)系統(tǒng);研究教學(xué)方法,構(gòu)建了導(dǎo)學(xué)系統(tǒng);研究教學(xué)狀態(tài) (包括研究教師和學(xué)生),構(gòu)建了診斷系統(tǒng);研究教學(xué)手段,提供了多途徑的學(xué)習(xí)環(huán)境;研究課程考試,建立研究和應(yīng)用題庫.以能力培養(yǎng)為核心,優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建適合農(nóng)林類大學(xué)物理教學(xué)的教學(xué)資源,全面推進(jìn)自主性學(xué)習(xí),貫徹“以知識為載體,培養(yǎng)能力為核心”的教學(xué)理念,體現(xiàn)“教師主導(dǎo),學(xué)生主體”的教育思想.

高等農(nóng)林教育;物理;教學(xué)資源;自主性學(xué)習(xí)

1 引言

農(nóng)林類大學(xué)物理學(xué)課程是為農(nóng)林類各專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程,該課程是以關(guān)于自然界中最基本的物理現(xiàn)象、物質(zhì)形態(tài)、物質(zhì)運動的一般規(guī)律的理論為基本內(nèi)容,同時介紹人類在科學(xué)發(fā)展的歷史長河中了解自然、認(rèn)識自然、改造自然的認(rèn)識論和方法論,激發(fā)學(xué)生不斷探索科學(xué)奧秘、深化對物質(zhì)世界認(rèn)識的興趣和志向.作為農(nóng)林類專業(yè)的基礎(chǔ)課程,應(yīng)努力使學(xué)生掌握最基本的物理原理和定理及其應(yīng)用方法,較系統(tǒng)地了解物理學(xué)的概念、工作語言、物理圖像、其歷史、現(xiàn)狀和前沿,認(rèn)識現(xiàn)代物理在農(nóng)業(yè)科學(xué)、生物科學(xué)及現(xiàn)代科技中的應(yīng)用方向,它具有其他課程不可替代的基礎(chǔ)作用和特殊性.學(xué)好大學(xué)物理課不僅對學(xué)生在校的學(xué)習(xí)十分重要,而且對學(xué)生畢業(yè)后的工作和進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識、新技術(shù),不斷地進(jìn)行創(chuàng)新都將發(fā)生深遠(yuǎn)的影響.

農(nóng)林高校由于其本身的特點,在人才培養(yǎng)的要求和課程設(shè)置上與工科院校有著較大差別,在農(nóng)林高校由于大學(xué)物理課程課時較少,也基本沒有相關(guān)的后續(xù)課程,因而造成了物理教學(xué)僅忙于知識的傳授,而忽略了對學(xué)生能力的培養(yǎng),學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也不高的局面.如何進(jìn)行改變,在現(xiàn)有條件下,既保證物理學(xué)的系統(tǒng)性和完整性,又能在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的能力,通過對物理教學(xué)各環(huán)節(jié)的研究并結(jié)合農(nóng)林高校的特點,在國家級教改項目:“21世紀(jì)中國高等農(nóng)林/醫(yī)藥類專業(yè)數(shù)理化基礎(chǔ)課程的創(chuàng)新與實踐”和湖北省教改項目:“農(nóng)林高校大學(xué)物理學(xué)立體化教材的研究與實踐”項目的支撐下,我們開展了農(nóng)林高校大學(xué)物理學(xué)立體化教學(xué)資源和自主性學(xué)習(xí)的研究與實踐.我們項目的基本思路是:以能力培養(yǎng)為核心,優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建適合農(nóng)林類大學(xué)物理教學(xué)的教學(xué)資源,全面推進(jìn)研究性教學(xué)和自主性學(xué)習(xí),貫徹“以知識為載體,培養(yǎng)能力為目標(biāo)”的教學(xué)理念,體現(xiàn)“教師主導(dǎo),學(xué)生主體”的教育思想.

2 研究的具體內(nèi)容

2.1 研究教學(xué)內(nèi)容 建設(shè)教材和 T.A助學(xué)系統(tǒng)

2.1.1 教材建設(shè)

在理論課方面,農(nóng)林高校使用的大學(xué)物理課教材比較多的都是工科物理教材的濃縮,由于課時較少,教學(xué)中往往只注重了物理概念和規(guī)律的表述,也就是注重了結(jié)果,而對概念和規(guī)律的提出背景和提出過程則有所忽略,這很容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)只重視機(jī)械性記憶,難以起到培養(yǎng)學(xué)生能力的作用,同時對物理學(xué)在現(xiàn)代科技特別是農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)中的應(yīng)用也難以涉及,課堂教學(xué)比較枯燥,物理學(xué)的重要性也難以體現(xiàn),由于沒有后續(xù)課程的支撐,學(xué)生很難提起興趣.為此,我們對理論課教材進(jìn)行了修訂,并于 2004年 12月由高等教育出版社出版了《大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)》(第 2版),教材首次提出了以實物的性質(zhì)和運動規(guī)律、電磁場運動規(guī)律、光和量子運動規(guī)律三部分為框架組織教學(xué)內(nèi)容體系,體現(xiàn)與生物科學(xué)、農(nóng)林科技的有效聯(lián)系的特色,體現(xiàn)既與專業(yè)教育結(jié)合又為未來農(nóng)林科學(xué)實踐奠定基礎(chǔ)的特色.

實驗課教材改變了傳統(tǒng)實驗教材的寫法,將實驗內(nèi)容進(jìn)行整合,把測量物理量相同、測量工具相似以及測量技術(shù)或方法一致的物理實驗優(yōu)化整合在一起,每個實驗項目下面有多個相關(guān)的原理和儀器,供學(xué)生選擇,以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維;教材中淡化了實驗方案與步驟或用一些練習(xí)題替代實驗步驟,強(qiáng)化實驗環(huán)節(jié),包括實驗預(yù)習(xí)、實驗操作及小論文形式實驗報告等各個環(huán)節(jié),多從科學(xué)研究的要求培養(yǎng)學(xué)生.對實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié),要求學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書提供的實驗原理、實驗儀器介紹、實驗內(nèi)容要求和實驗練習(xí)題,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,初步擬訂實驗方案、實驗步驟,即形成實驗整體輪廓,并書寫預(yù)習(xí)報告;實驗操作環(huán)節(jié),要求學(xué)生結(jié)合預(yù)習(xí)報告,在熟悉實驗儀器和工具的基礎(chǔ)上,在教師參與討論條件下,形成詳細(xì)的實驗方案和步驟,并實施,得到正確實驗數(shù)據(jù),觀察到實驗現(xiàn)象;最后一個環(huán)節(jié)是實驗報告,則要求學(xué)生以小論文形式書寫.學(xué)生必須自行查閱資料,自主地設(shè)計實驗方案才能完成實驗.實驗課堂上也不再講解操作步驟,老師加強(qiáng)課堂的巡回指導(dǎo),指導(dǎo)學(xué)生的方案設(shè)計和步驟設(shè)計,這就要求學(xué)生在課前一定要讀懂原理,并自主設(shè)計實驗方案,自主完成實驗方案,由于每個實驗室里有 10種實驗項目,每個實驗項目只有 2套設(shè)備,學(xué)生中相互抄襲的現(xiàn)象也基本杜絕.“一個整合”和“兩個自主”,將傳統(tǒng)的驗證性實驗變?yōu)榱搜芯啃詫嶒?學(xué)生通過選擇實驗原理、自主設(shè)計方案、自主完成實驗,提高了研究能力和整體解決問題的能力.

2.1.2 T.A助學(xué)系統(tǒng) (Teaching assistant system)的建設(shè)

我們深入研究了如何在現(xiàn)有條件下保持物理學(xué)的系統(tǒng)性和完整性,如何加強(qiáng)學(xué)生能力的培養(yǎng).我們對農(nóng)林高校大學(xué)物理教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究,感覺到農(nóng)林高校的大學(xué)物理課程課時都較少,在以往的教材和教學(xué)中太注重物理概念和規(guī)律的表述,也就是注重了結(jié)果,而對概念和規(guī)律的提出背景和提出過程往往有所忽略,這很容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)只重視機(jī)械性記憶,難以起到培養(yǎng)學(xué)生能力的作用,同時也難以涉及物理學(xué)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用,課堂教學(xué)比較枯燥,物理學(xué)的重要性也難以體現(xiàn),再加上沒有后續(xù)課程的支撐,學(xué)生很難提起興趣.為此,我們首先在教材上增加了物理學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)、生命科學(xué)相結(jié)合的實例,并根據(jù)課程要求和貫徹以“學(xué)生為主體,以培養(yǎng)能力為目標(biāo)”的教學(xué)理念建立了 T.A助學(xué)系統(tǒng).針對不同的教學(xué)內(nèi)容,我們進(jìn)行了一定的取舍,課堂上主要是講思維、講原因,并加強(qiáng)了問題啟發(fā),實物、視頻和動畫的演示,引導(dǎo)學(xué)生對物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察、分析、質(zhì)疑,并從中得出結(jié)論,這樣學(xué)生不僅獲取了知識,也在探索知識中培養(yǎng)了能力.

助學(xué)系統(tǒng)包括圖像庫、物理學(xué)的應(yīng)用知識匯編、網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)課件和自學(xué)式實驗教學(xué)課件.圖像庫收集制作了數(shù)千幅圖片、動畫和視頻,可以形象直觀地反映物理現(xiàn)象和過程,不僅可以極大地豐富課堂教學(xué),而且能為創(chuàng)設(shè)情境教學(xué)提供基礎(chǔ),以培養(yǎng)學(xué)生的觀察、探究能力;應(yīng)用知識匯編凸顯了物理學(xué)在農(nóng)林科技和生命科學(xué)中的應(yīng)用性和重要性,對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力都會起到較好的作用.網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)課件有內(nèi)容學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、典型例題、資料檢索、自測題 5個部分;自學(xué)式實驗教學(xué)課件有實驗項目的 PPT講解和儀器使用的視頻介紹等內(nèi)容.助學(xué)系統(tǒng)能很好地豐富課堂教學(xué),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并能有效地延伸課堂教學(xué)的時空,使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再局限于課堂.教師、教材和課件構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)課程知識的來源,使學(xué)生學(xué)習(xí)的渠道更多也更為通暢,多渠道的學(xué)習(xí)不僅能有助于學(xué)生對課程內(nèi)容的理解、拓寬學(xué)生的知識面,還對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力有所幫助.

2.2 研究教學(xué)方法 建立導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)

問題教學(xué)法是教學(xué)中比較倡導(dǎo)的教學(xué)方法,通過問題啟發(fā)學(xué)生思維,引入教學(xué)內(nèi)容,不僅針對性強(qiáng),也容易激發(fā)學(xué)生的興趣,為此我們構(gòu)建了大學(xué)物理導(dǎo)學(xué)系統(tǒng).導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)包括各章的教學(xué)要求和問題庫,問題庫的問題主要圍繞課程的各個知識點提出,包括知識點的內(nèi)容、提出過程、適用范圍及應(yīng)用等,現(xiàn)已有 500個相關(guān)的問題,這些問題能幫助學(xué)生更好地理解知識點,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、思考,使問題教學(xué)法能順利地進(jìn)行,并能對啟發(fā)學(xué)生思維,培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力、創(chuàng)新思維有所幫助.同時為了增強(qiáng)學(xué)生運用知識的能力,在問題中加入了實際應(yīng)用的題目,學(xué)生可以帶著問題進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究,不僅能加深對知識點的理解,而且還培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力.結(jié)合大學(xué)物理導(dǎo)學(xué)系統(tǒng),課堂實物演示實驗 (比如烏龜表面點溫的測試演示等)在課堂上的大量采用,這些演示實驗結(jié)合了生命科學(xué)、農(nóng)林類專業(yè)的應(yīng)用,可以引導(dǎo)學(xué)生對物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察分析質(zhì)疑,并從中得出結(jié)論,這樣學(xué)生不僅獲取了知識,也在探索知識中培養(yǎng)了能力,增強(qiáng)了學(xué)生認(rèn)識物理與專業(yè)知識的聯(lián)系.

2.3 研究教學(xué)狀態(tài) 建立診斷系統(tǒng)

構(gòu)建一個教學(xué)診斷系統(tǒng),對教學(xué)狀態(tài)進(jìn)行診斷,使教學(xué)更具針對性.

教學(xué)診斷系統(tǒng)由學(xué)生自我診斷和教師教學(xué)診斷兩大部分組成,實現(xiàn)了對教學(xué)狀況和教學(xué)內(nèi)容的評價和監(jiān)控的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化.

學(xué)生自我診斷系統(tǒng):此功能通過典型例題系統(tǒng)和自測題系統(tǒng)體現(xiàn).

典型例題系統(tǒng)是分步驟給出正確過程與答案,每一步后面都有幾個答案供選擇,答錯將給出對應(yīng)知識點及相關(guān)內(nèi)容的提示、錯誤可能的原因,提供給學(xué)生進(jìn)行自我診斷,答對才能進(jìn)入下一步,直至整個例題解答完畢.

自測題系統(tǒng)試題充分反映農(nóng)林類大學(xué)物理教學(xué)要求,由學(xué)生用自己的學(xué)號和密碼登錄,選章節(jié)進(jìn)行自測,由于每道題目都考查了一個 (或多個)知識點和認(rèn)知分類,因此系統(tǒng)通過分析學(xué)生在測試時的表現(xiàn),就可以知道學(xué)生在知識點上達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的范圍和程度,并在學(xué)生測試完成后反饋給學(xué)生,使學(xué)生了解自己對知識點的掌握情況和能力水平.

教師診斷系統(tǒng):此功能通過學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析系統(tǒng)和學(xué)生學(xué)習(xí)情況反饋系統(tǒng)來體現(xiàn).

學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析系統(tǒng)就是在整個范圍內(nèi)從各個方面的收集分析處理學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,了解到學(xué)生群體的現(xiàn)實學(xué)習(xí)狀況,這是教師因材施教的起點.通過此系統(tǒng)學(xué)生做自測題的各種相關(guān)信息將被記錄,教師登錄后可查詢各班級對教學(xué)大綱各知識點的掌握情況,可掌握自己所教課堂的學(xué)生情況;可查詢?nèi)Ｋ袑W(xué)生對各知識點的掌握情況,進(jìn)而可對自己所教班級進(jìn)行比較;還可查詢每個學(xué)生登錄次數(shù)及歷史追蹤的成績,可掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.這樣就可使教師的教學(xué)更具針對性,從而針對具體教學(xué)情況及時地調(diào)整自己的教學(xué).

2.4 研究教學(xué)手段 提供多途徑的學(xué)習(xí)環(huán)境

充分利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和多媒體技術(shù)等現(xiàn)代教育技術(shù),改進(jìn)教學(xué)手段,為學(xué)生提供多途徑的學(xué)習(xí)環(huán)境.2001年我們就建設(shè)了大學(xué)物理課程網(wǎng)站,2006年建設(shè)了大學(xué)物理精品課程網(wǎng)站和大學(xué)物理實驗教學(xué)中心網(wǎng)站 (大學(xué)物理課程 2003被評為湖北省優(yōu)質(zhì)課程、2008年湖北省精品課程),教學(xué)資源的助學(xué)、導(dǎo)學(xué)和診斷系統(tǒng)均被掛在網(wǎng)站中,以供學(xué)生隨時學(xué)習(xí),這些學(xué)習(xí)資料在內(nèi)容、時間和空間上相互補(bǔ)充、相互完善,使教師的課堂教學(xué)在內(nèi)容和方法上的自主性將大為提高;學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑也將不再局限于教材和課堂,多途徑的學(xué)習(xí)使學(xué)生不僅能更好地掌握物理學(xué)知識,而且在能力的培養(yǎng)上也將受益匪淺.

2.5 研究課程考試 建立研究和應(yīng)用題庫

課程考試不僅應(yīng)具備對課程教學(xué)的評價作用,更重要的應(yīng)是對日常教學(xué)的引導(dǎo)功能,根據(jù)課程教學(xué)要求并結(jié)合農(nóng)林院校的特點,我們把考試重點放在考查學(xué)生的能力上,主要考查學(xué)生對知識點的理解能力、應(yīng)用能力和邏輯思維能力,并要體現(xiàn)“講一學(xué)二考三”的思想,考試要起到引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的指揮棒的作用,引導(dǎo)物理教學(xué)把能力培養(yǎng)放在首要地位,僅僅靠背公式,靠題海戰(zhàn)術(shù)在考試中是很難有好成績的.通過對課程內(nèi)容和要求的研究,我們建立了大學(xué)物理研究和應(yīng)用型題庫,在考試中此類題目比例大概有 30%.例如:

1)2008年的 5月 12日在四川省發(fā)生了 8級大地震.在這場地震中,透出了暖暖的愛心,來自世界各地的救援小組都趕赴災(zāi)區(qū),為尋求仍然存活的生命信號群策群力.請你設(shè)計至少兩種方案來幫助這些救援小組發(fā)現(xiàn)地下活的生命體.

這些題目中的現(xiàn)象均為日常生活中的所見所聞,有些則是當(dāng)時所發(fā)生的事情,我們希望通過這些試題對學(xué)生起一個引導(dǎo)作用,使學(xué)生注重平時的觀察、注重思考物理現(xiàn)象背后的原因.

2)激光在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中有著廣泛應(yīng)用,例如用激光手術(shù)切除病灶細(xì)胞 (或亞細(xì)胞組織)的操作.在很多情況下,要求激光僅僅作用于操作對象而不能影響到臨近的細(xì)胞組織,這就需要把激光束聚焦在微小的區(qū)域內(nèi).現(xiàn)將激光經(jīng)透鏡 (直徑為 5mm,焦距為 10mm)聚焦后用來去除某一極微小病變組織 (可近似看作點),同時不能損傷臨近的重要神經(jīng) (與病變組織的最小距離為1μm),請分析波長為 630nm(指在生物組織介質(zhì)中的波長)的激光能否滿足要求?(假設(shè)激光束近似為平行光,且其作用僅限于零級衍射明紋內(nèi)).

這些題目就體現(xiàn)了對知識的應(yīng)用,學(xué)生僅僅靠背誦、記憶課本知識點顯然是無法完成此題的,學(xué)生不僅要具備對應(yīng)的知識點,而且要有較強(qiáng)的知識應(yīng)用能力.

自 2007年應(yīng)用以來,在學(xué)生中引起了比較大的震動,收到了我們預(yù)期的效果.

3 結(jié)束語

由導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)、助學(xué)系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、研究和應(yīng)用型題庫構(gòu)成的立體化教學(xué)資源具有與生物科學(xué)、農(nóng)林科技建立有效聯(lián)系,能與專業(yè)教育結(jié)合又能為未來農(nóng)林科學(xué)實踐奠定基礎(chǔ)的特色.通過應(yīng)用立體化教學(xué)資源,全面推廣學(xué)生的自主學(xué)習(xí),為學(xué)生提供了優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)環(huán)境,延伸了課堂教學(xué)的時空,形成了課堂、教材、網(wǎng)絡(luò)三位一體的教學(xué)方式,配合教師的引導(dǎo)和教學(xué)方法、手段的改變,實施“導(dǎo)學(xué)—助學(xué)—診斷”的研究性教學(xué),對學(xué)生能力的培養(yǎng)起到了較大作用.2006年建成的大學(xué)物理精品課程網(wǎng)站和大學(xué)物理實驗教學(xué)中心網(wǎng)站.自項目實施以來,課題組老師共獲得華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)質(zhì)量二等獎 4項,三等獎 4項,教學(xué)研究與改革獎 1項,青年教師講課競賽二等獎 1項,優(yōu)秀獎 1項,電子教案三等獎 2項.從校內(nèi)管理部門提供的近三年學(xué)生評價結(jié)果可見,教學(xué)效果受到全校師生的贊譽(yù).近三年主講教師教學(xué)評分均居同職前列.

[1] 譚佐軍,丁儒牛,羅賢清,陳建軍.高等農(nóng)林院校大學(xué)物理立體化教材的建設(shè)研究 [J],物理與工程,2005,15(6):65～68

[2] 王海嬰.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué) (第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004

[3] 王海嬰,羅賢清,王人勝.面向未來,腳踏實地,探索物理課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革[M].構(gòu)建 21世紀(jì)高等農(nóng)林教育體系的探索與實踐 1,北京:高等教育出版社,1997.1

[4] 柴成剛等.大學(xué)物理實驗[M].北京:科學(xué)出版社,2004

[5] 譚佐軍,丁儒牛,羅賢清.積極進(jìn)行教學(xué)資源立體化建設(shè)全面推進(jìn)農(nóng)林類物理教學(xué)改革[A].高等教育出版社,大學(xué)物理課程報告論壇文集,2006:45～48

2010-09-24)

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目(20100133).

譚佐軍 (1977年出生),男 (土家族),湖北利川人,副教授,博士,主要從事生物物理、光電技術(shù)、圖像處理研究.