王曉鷗 霍 雷 孟慶鑫 趙 遠(yuǎn) 張 宇
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)
文科物理教學(xué)方法改革嘗試與思考
王曉鷗 霍 雷 孟慶鑫 趙 遠(yuǎn) 張 宇
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)
本文從我校多年的教學(xué)實(shí)踐與教學(xué)改革所進(jìn)行的一些嘗試中,重新思考了有關(guān)文科物理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及考核方式.并從文科學(xué)生對(duì)待物理學(xué)的心理、學(xué)習(xí)物理的態(tài)度上分析了目前在美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)以及一些歐洲國(guó)家的大學(xué)盛行的一種新的教學(xué)模式——工作室物理,應(yīng)用于文科物理教學(xué)的可能性和必要性.
文科物理;教學(xué)方法;工作室物理
文科物理是指對(duì)文科類學(xué)生開(kāi)設(shè)的物理課程.由于我國(guó)的教育體制,文科學(xué)生從高中二年級(jí)時(shí)就不學(xué)習(xí)物理了,再加上文科學(xué)生多數(shù)是不喜歡物理或是懼怕物理才選擇學(xué)人文等社會(huì)科學(xué)的.這些學(xué)生的物理基礎(chǔ)很薄弱,并且對(duì)物理有一種抗拒情緒,導(dǎo)致他們對(duì)物理課程的不重視,多數(shù)學(xué)生是抱著只要能通過(guò)、能拿到學(xué)分就行的想法來(lái)上物理課的.面對(duì)這種局面,文科物理課“教什么”、“怎么教”是擺在每一位任課教師面前的重要課題.本文從我校多年的教學(xué)實(shí)踐與在教學(xué)改革中所進(jìn)行的一些嘗試中,重新思考了有關(guān)文科物理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及考核方式.
物理學(xué)是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)基本的、普遍的運(yùn)動(dòng)形式及其相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué).物理學(xué)原理是技術(shù)的源泉,是多學(xué)科交叉、轉(zhuǎn)移和滲透的支撐點(diǎn),在研究型理工科人才培養(yǎng)過(guò)程中,物理學(xué)知識(shí)具有先導(dǎo)性和全局性作用;物理學(xué)的研究方法全面涵蓋了現(xiàn)代科學(xué)研究方法論,是培養(yǎng)學(xué)生從事創(chuàng)造性研究的基礎(chǔ).這就決定了大學(xué)物理課是工科各專業(yè)的必修基礎(chǔ)課,但對(duì)文科學(xué)生來(lái)說(shuō),他們參加工作后所從事的領(lǐng)域絕大多數(shù)是與物理無(wú)關(guān)的,更何況物理學(xué)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是一門(mén)非常難學(xué)的課程,尤其是一些公式推導(dǎo)、數(shù)學(xué)運(yùn)算和繁復(fù)的公式、符號(hào)等如同“天書(shū)”.面對(duì)這種情況,我們首先考慮的是為文科學(xué)生開(kāi)設(shè)的物理課應(yīng)該教什么?它絕不應(yīng)該是理工科物理的簡(jiǎn)化,應(yīng)該是物理思維、物理方法,這是共識(shí).怎樣將物理思維、物理方法傳授給文科學(xué)生,仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智:有人結(jié)合物理學(xué)史傳授物理思維、物理方法;有人結(jié)合當(dāng)代高新科技的發(fā)展過(guò)程傳授物理思維、物理方法.
我們認(rèn)為文科物理既然叫物理,就應(yīng)傳授物理學(xué)的基本知識(shí)、基本概念、基本規(guī)律和基本方法,從中傳播物理思維、物理方法,即通過(guò)物理學(xué)基本概念、基本規(guī)律的講解傳播物理學(xué)的思維方式以及物理學(xué)中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法.那么,怎樣將枯燥的物理學(xué)知識(shí)、物理學(xué)基本規(guī)律傳授給文科學(xué)生,是每一位任課教師必須面對(duì)的問(wèn)題.
幾年來(lái),我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容的選擇上作了多次嘗試,最初是將工科物理學(xué)內(nèi)容作了簡(jiǎn)化,效果不是很好.從2007年開(kāi)始,我們改變了教學(xué)理念:從文化的角度傳播物理學(xué)知識(shí),引導(dǎo)文科學(xué)生用科學(xué)的思維方法分析問(wèn)題,重在拓展文科學(xué)生的科學(xué)視野.我們將重點(diǎn)放在介紹物理學(xué)的思維方式以及物理學(xué)中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法上,突出了科學(xué)思想和文化內(nèi)涵,注重科學(xué)教育與人文教育的交融.我們采取的具體辦法是,以物理學(xué)發(fā)展史為線索,但又不能將文科物理變成物理學(xué)史課程,主要講解物理學(xué)的基本規(guī)律,從物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中讓學(xué)生了解物理思維方式的形成以及物理學(xué)對(duì)高新科技、對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響.
例如對(duì)光本性的探究過(guò)程中,從牛頓的微粒說(shuō)(介紹光的直線傳播、反射、折射成像等),到惠更斯的波動(dòng)說(shuō)(光的干涉、衍射、偏振等),再到愛(ài)因斯坦的光量子說(shuō)(光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等),通過(guò)對(duì)具體物理概念的不斷深入的認(rèn)識(shí)過(guò)程中,介紹著名物理學(xué)家的創(chuàng)造性思維,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.如講解光的全反射概念時(shí),結(jié)合光的全反射原理介紹了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者華裔物理學(xué)家高錕及其光纖通信原理、光纖網(wǎng)絡(luò)等,擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面、開(kāi)闊視野,提高學(xué)生的綜合素質(zhì).再如愛(ài)因斯坦在解釋光電效應(yīng)時(shí),首先考慮到普朗克的電磁輻射機(jī)理:空腔中頻率為ν的電磁場(chǎng)以hν為基元能量向外輻射,稱這個(gè)基元能量為能量子,電磁輻射的能量是由能量子組成的,那么光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化是否也具有這樣的性質(zhì)呢?如果一個(gè)物體發(fā)射量子(普朗克的空腔),而另一個(gè)物體(光電效應(yīng)中的陽(yáng)極板)吸收它們,那么在兩個(gè)物體之間的空間中發(fā)生了什么呢?愛(ài)因斯坦認(rèn)為在這兩個(gè)物體之間通過(guò)的能量同樣像是以光速飛行的量子(光量子)組成.也就是說(shuō),愛(ài)因斯坦提出輻射的能量不僅在吸收和發(fā)射的過(guò)程中是一份一份的,而且他把電磁波在空間的傳播途徑也描述為一連串的能量量子流hν.這樣,愛(ài)因斯坦就把輻射、傳播和作用三個(gè)環(huán)節(jié)中的光(電磁場(chǎng))都統(tǒng)一地看作了光量子,從而合理地解釋了光電效應(yīng)中的電子產(chǎn)生過(guò)程.這一思維方式同樣適用于人文科學(xué)領(lǐng)域.
如我校10級(jí)法學(xué)專業(yè)的郝華興同學(xué)說(shuō):“……這種思維方法對(duì)我們有莫大的益處,……在民法領(lǐng)域,社會(huì)生活中存在著復(fù)雜多變的平等主體之間的財(cái)產(chǎn)關(guān)系和人身關(guān)系,當(dāng)我們拿到一個(gè)具體案例時(shí),首先應(yīng)判斷此案例是涉及物權(quán)關(guān)系還是債務(wù)關(guān)系等等,要發(fā)現(xiàn)是發(fā)生了哪種民事法律糾紛,應(yīng)該運(yùn)用哪些具體的法律規(guī)范,其次是根據(jù)民事法律關(guān)系的性質(zhì)查找相對(duì)的法律條文,若無(wú)明確的法律規(guī)定,可尋找相關(guān)的法律基本原則、立法解釋、司法解釋等,直至找到適用案件的對(duì)策……”.房月同學(xué)寫(xiě)道:“……法學(xué)專業(yè)與實(shí)際生活聯(lián)系密切,它要求它的學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)實(shí)生活有敏銳的洞察力,而這種關(guān)注生活的能力,也是物理學(xué)能夠賦予的……我在哈工大學(xué)物理,學(xué)習(xí)的不僅僅是物理學(xué)科,學(xué)的是一種思維方法.”.10級(jí)國(guó)際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的朱越同學(xué)寫(xiě)道:“……物理學(xué)的思維對(duì)經(jīng)濟(jì)學(xué)的分析真的很重要.比如伽利略在研究事物時(shí)的科學(xué)研究方法……也是經(jīng)濟(jì)學(xué)研究必不可少的……物理學(xué)概念也在不斷地向經(jīng)濟(jì)學(xué)滲透,如期權(quán)定價(jià)公式就是利用布朗運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)微分方程給出的……”等等,這樣的感悟很多,這里不一一列舉.
在如何調(diào)動(dòng)文科學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性、主動(dòng)性上,我們一直在不斷地改進(jìn)和嘗試.最初我們嘗試給學(xué)生留大作業(yè),擬好題目,如時(shí)間是什么?熵帶給我們的思考等一些能激發(fā)學(xué)生想象空間的選題.并以班為單位,選派一人做成PPT到講臺(tái)上講解,給學(xué)生展現(xiàn)自我的機(jī)會(huì),收到了一定的效果,但缺陷是只是到講臺(tái)進(jìn)行講解的學(xué)生作了認(rèn)真的準(zhǔn)備,其他學(xué)生只是完成作業(yè)而已.為了調(diào)動(dòng)廣大學(xué)生參與的積極性,后來(lái)推廣到五六個(gè)人一組,教師隨機(jī)抽取學(xué)生到講臺(tái)上講解,參與的學(xué)生數(shù)增加了,學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的重視程度增加了,取得了較好的教學(xué)效果.例如06級(jí)英語(yǔ)專業(yè)的陳香同學(xué)圖文并茂、生動(dòng)、風(fēng)趣地講述了質(zhì)量、能量關(guān)系;08級(jí)法學(xué)專業(yè)的吳龍洋同學(xué)從法律的角度理解時(shí)間概念,等等.但這只是對(duì)某一專題的討論,知識(shí)面有點(diǎn)窄,若要求學(xué)生能認(rèn)真對(duì)待每一節(jié)課,就要調(diào)動(dòng)每一位學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情.今年我們采取的方法是,每節(jié)課結(jié)束時(shí)都要留作業(yè)題和預(yù)習(xí)題,下次課隨機(jī)提問(wèn)預(yù)習(xí)題,督促學(xué)生養(yǎng)成課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)的良好習(xí)慣,取得了良好的效果.如10級(jí)國(guó)際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的王婉婉同學(xué)寫(xiě)道:“……我覺(jué)得留預(yù)習(xí)題還是不錯(cuò)的,留有懸念……自己動(dòng)手查的內(nèi)容記憶會(huì)更深刻.”
但這些都是教師推著學(xué)生學(xué)習(xí)、是被動(dòng)的,怎樣喚起文科學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的熱情、變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),我們認(rèn)為還應(yīng)從學(xué)習(xí)興趣著手.
要調(diào)動(dòng)文科學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,應(yīng)采用互動(dòng)式教學(xué)方式,讓學(xué)生真正成為教學(xué)的主體.我們所作的種種嘗試,都是試圖調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,雖然取得了一定的效果,但還有很多不如意之處,如多數(shù)學(xué)生是在被動(dòng)地學(xué),學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并沒(méi)有調(diào)動(dòng)起來(lái).要讓文科學(xué)生對(duì)物理感興趣,首先要消除他們對(duì)物理的畏懼情緒,讓學(xué)生體會(huì)物理、感受物理,給學(xué)生動(dòng)手鍛煉的機(jī)會(huì),即讓學(xué)生自己動(dòng)手做一些簡(jiǎn)單、與生活聯(lián)系密切的小型實(shí)驗(yàn),從中尋找樂(lè)趣、激發(fā)靈感;其次,要減少學(xué)生的心理壓力,營(yíng)造一種師生平等、民主的課堂氣氛,使學(xué)生能夠自由發(fā)言,主動(dòng)思考;第三,引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.
2010年臺(tái)灣中正大學(xué)物理系主任魏臺(tái)輝教授①來(lái)我校講學(xué)時(shí),介紹了他們學(xué)校的工作室物理(Studio Physics)教學(xué)模式、教學(xué)實(shí)踐以及取得的良好教學(xué)效果(見(jiàn)附錄).
工作室物理這種教學(xué)模式已在美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)以及一些歐洲國(guó)家的大學(xué)盛行十多年了[1~4],它最先由美國(guó)倫塞勒工學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute,簡(jiǎn)稱RPI)于1993年在教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐[5],麻省理工學(xué)院(MIT)是使用Studio Physics最具影響的學(xué)校之一[6].工作室物理將理論、實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生間的互助學(xué)習(xí)融為一體,是一種以學(xué)生為中心、提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的教學(xué)模式.多年的實(shí)踐表明,這種教學(xué)模式不僅培養(yǎng)了學(xué)生探索物理知識(shí)的能力,還全面培養(yǎng)了學(xué)生在集體環(huán)境中自我學(xué)習(xí)、自我成長(zhǎng)、自我完善的能力,培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神.由于工作室物理教學(xué)模式的成功,如今,美國(guó)一些大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始在化學(xué)、工程類等[7,8]課程中實(shí)施這種教學(xué)模式.
工作室物理最大特點(diǎn)是將傳統(tǒng)授課和課堂活動(dòng)融為一體,充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性.標(biāo)準(zhǔn)的工作室物理需要在一個(gè)專門(mén)的工作室物理教室中進(jìn)行.這一教室除了具備我們一般多媒體教室的功能之外,在每一張課桌上放上小型實(shí)驗(yàn)儀器,有條件的情況下,在課桌上配備網(wǎng)口和與Lab-Pro Device相連接的USB接口,通過(guò)Logger Pro數(shù)據(jù)采集軟件,可以將桌上實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理,從而方便學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.課堂規(guī)模:麻省理工學(xué)院(MIT)為60~90人、臺(tái)灣中正大學(xué)為99~117人(視教室情況而定),兩三個(gè)學(xué)生組成一組.圖1分別給出了RPI、臺(tái)灣中正大學(xué)以及MHT的Studio Physics教室實(shí)景.在教學(xué)過(guò)程中,教師可作精簡(jiǎn)的講授,之后學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位做實(shí)驗(yàn)(稱為課堂活動(dòng)).每個(gè)班級(jí)配備一名主講教師,一名研究生助教,一名本科生助教.助教的作用是在課堂活動(dòng)期間巡視課堂,及時(shí)解決學(xué)生的問(wèn)題.這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生互助式學(xué)習(xí),以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體,實(shí)現(xiàn)師生間的高度互動(dòng).
圖1 工作室物理教室實(shí)景
這種教學(xué)模式的其優(yōu)點(diǎn)在于:(1)將實(shí)驗(yàn)操作融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中,不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí),更重要的是讓學(xué)生感受物理,完全整合了理論和實(shí)驗(yàn)課堂,可充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性;(2)教師融入學(xué)生中,形成一種平等、易于溝通和交流的良好課堂氛圍,便于實(shí)施互動(dòng)式教學(xué).從教學(xué)理念而言,其旨在倡導(dǎo)教師引導(dǎo)、學(xué)生參與的互動(dòng)式教學(xué).
基于工作室物理的特點(diǎn),我們認(rèn)為這種教學(xué)模式不只適合工科物理,也非常適合文科物理教學(xué).這種學(xué)生互助、師生互動(dòng)式教學(xué)模式是文科物理課程教學(xué)最適合的教學(xué)方式.它提倡的是師生平等、民主的課堂氣氛,減輕了學(xué)生的心理壓力,為學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的溝通、交流提供了一個(gè)很好的場(chǎng)所.
在以往的教學(xué)中,我們摒棄了由一張考卷決定成績(jī)的不科學(xué)的做法,在考試方式上作了初步改革嘗試,采取了“平時(shí)成績(jī)+小論文+師生互動(dòng)(主要是針對(duì)某一選題學(xué)生做成PPT到講臺(tái)上講解)+期末考試”的考試方式,基本上起到了素質(zhì)教育的目的.使學(xué)生在掌握物理知識(shí)的同時(shí)提高了科學(xué)人文素質(zhì).
本課程的小論文側(cè)重文化層面,寫(xiě)一篇物理學(xué)原理對(duì)你(人生)啟示的文章或感想,讓學(xué)生體會(huì)物理,感受物理文化,同時(shí)領(lǐng)悟人生哲理.如08級(jí)國(guó)際經(jīng)貿(mào)專業(yè)宋晶晶同學(xué)寫(xiě)道:“……人際關(guān)系中難免會(huì)出現(xiàn)摩擦,如果雙方都不肯寬容處之,那么就像作用力與反作用力,摩擦永遠(yuǎn)都不會(huì)消失.所以不如寬容些,先放手,讓力消失,摩擦自然會(huì)消逝……”;07級(jí)英語(yǔ)專業(yè)冷曉東同學(xué)寫(xiě)道:“……在社會(huì)交際時(shí),人與人之間的交往就像作用力與反作用力一樣,你如何對(duì)待他人,也將獲得一個(gè)等量的回報(bào)……”.我們還嘗試了讓學(xué)生聯(lián)系所學(xué)專業(yè),從所學(xué)專業(yè)角度闡述物理概念、理解物理學(xué)原理,08級(jí)國(guó)際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的孫雪梅結(jié)合愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系式E=mc2將“……質(zhì)量m與能量E比作兩種貨幣m和E,原先認(rèn)為不能相互兌換,愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn):E是流通貨幣,m是存款,兩者可以兌換,兌換率是c2……”;10級(jí)的朱文岳結(jié)合能量守恒定律闡述經(jīng)濟(jì)學(xué)上的“價(jià)值規(guī)律”:“……即商品的價(jià)值量取決于社會(huì)必要?jiǎng)趧?dòng)時(shí)間,商品按照價(jià)值相等的原則相互交換.它是商品生產(chǎn)和商品交換的基本經(jīng)濟(jì)規(guī)律.如果在買賣交換中不遵守等價(jià)交換原則,買家過(guò)分壓低價(jià)格,賣家故意虛高價(jià)格,都是不能長(zhǎng)久的,終將被市場(chǎng)淘汰……”.學(xué)生感受的物理不只是科學(xué),而更多的是文化——物理文化.
這種多元化的考試方式雖然取得了一定的效果.但還不夠完善,教師對(duì)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況了解的不夠全面,很難恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)每一位學(xué)生.要對(duì)教學(xué)方法、考核方式作根本性改革,我們認(rèn)為工作室物理的教學(xué)模式是最好的選擇.
在工作室物理的教學(xué)模式中,由于教師與學(xué)生接觸密切,教師對(duì)每個(gè)學(xué)生都有全面的了解,可對(duì)學(xué)生做出正確的評(píng)價(jià).這種教學(xué)模式的考試重點(diǎn)放在對(duì)平時(shí)的考核上,這樣做的優(yōu)點(diǎn)是讓學(xué)生重視平時(shí)的學(xué)習(xí)效果,認(rèn)真對(duì)待每一節(jié)課,避免了平時(shí)不學(xué)習(xí)、考試前集中突擊的現(xiàn)象,也可避免由一張考卷決定成績(jī)的不科學(xué)的做法,對(duì)認(rèn)真學(xué)習(xí)的好學(xué)生是認(rèn)可、是鼓勵(lì),對(duì)不認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生是鞭策、是督促.既減輕了學(xué)生期末考試的負(fù)擔(dān),又能從學(xué)習(xí)態(tài)度、理解能力、動(dòng)手能力等方面公正、恰當(dāng)、全面的考核學(xué)生.
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感謝:
感謝臺(tái)灣中正大學(xué)的魏臺(tái)輝教授提供的資料.
附錄:
統(tǒng)計(jì)圖表1至圖表4給出了臺(tái)灣中正大學(xué)2006年至2009年傳統(tǒng)教學(xué)模式與工作室物理教學(xué)新模式的對(duì)比.圖表1和圖表2分別列出了2006年到2009年春季和秋季學(xué)期學(xué)生選課情況.深色為選擇傳統(tǒng)授課方式的學(xué)生人數(shù),淺色為選擇工作室物理教學(xué)模式的學(xué)生人數(shù).從中我們看到工作室物理教學(xué)模式越來(lái)越受到學(xué)生歡迎.圖表3和圖表4分別列出了2006年到2009年春季和秋季學(xué)期兩種授課方式學(xué)生期末考試成績(jī)情況.深色為選擇傳統(tǒng)授課方式的學(xué)生期末考試成績(jī),淺色為選擇工作室物理教學(xué)模式的學(xué)生期末考試成績(jī).從中我們看到選擇工作室物理教學(xué)模式的學(xué)生期末通過(guò)率明顯高于選擇傳統(tǒng)授課方式的學(xué)生.
2011-11-23)
資金項(xiàng)目哈爾濱工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃和黑龍江省新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):5284)資助.