陳葛銳 賀夢冬 陳小艷

(中南林業(yè)科技大學(xué)理學(xué)院 湖南 長沙 410004)

大學(xué)物理課程是面向高等學(xué)校除文科專業(yè)外非物理專業(yè)學(xué)生的一門重要的具有通識性和必修性的基礎(chǔ)課程.作為一門公共基礎(chǔ)課，大學(xué)物理不僅是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，而且，對培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、提高科學(xué)素養(yǎng)、學(xué)會(huì)用科學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)問題解決問題有著至關(guān)重要和不可替代的作用，對學(xué)生未來的學(xué)習(xí)、工作和生活都會(huì)起到積極的作用.因此,大學(xué)物理的學(xué)習(xí)是大學(xué)生素質(zhì)教育的重要組成部分,大學(xué)物理教學(xué)的效果直接影響到大學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低.

筆者經(jīng)過幾年大學(xué)物理課程的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)目前大學(xué)物理的教學(xué)面臨一種十分不利的局面.首先，2010年，教育部決定在全國全面實(shí)行中學(xué)新課標(biāo)，按照中學(xué)物理新課標(biāo)的規(guī)定，中學(xué)物理課程的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容發(fā)生了特別大的變化.新課標(biāo)設(shè)置了課程結(jié)構(gòu)模塊化，期望學(xué)生根據(jù)自己的愛好和專業(yè)取向來選擇不同的基礎(chǔ)模塊，按照理工、文科和技術(shù)3類來構(gòu)建適合今后學(xué)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu).有的學(xué)生因?yàn)楦咧形锢韮H限于會(huì)考水平導(dǎo)致物理基礎(chǔ)不全或者非常薄弱，進(jìn)入高校以后在學(xué)習(xí)大學(xué)物理基礎(chǔ)課程時(shí)，出現(xiàn)完全跟不上的情況.高校物理基礎(chǔ)課的教師紛紛反映學(xué)生物理基礎(chǔ)參差不齊，而且水平逐年下降[1].其次，由于近年來科技飛速發(fā)展，各行各業(yè)發(fā)展迅猛，各個(gè)專業(yè)不斷增加新的教學(xué)內(nèi)容，但是大學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃的總學(xué)時(shí)又不能增加太多，于是為了增加專業(yè)課程的學(xué)時(shí)，學(xué)校各院系拼命壓縮大學(xué)物理基本學(xué)時(shí).一般來說非物理類的理工科專業(yè)通常要學(xué)習(xí)以物理學(xué)為基礎(chǔ)內(nèi)容的大學(xué)物理課程，時(shí)間跨度為2個(gè)學(xué)期，但是現(xiàn)在很多高校的大學(xué)物理課程僅僅壓縮到一個(gè)學(xué)期.如此短的時(shí)間，只能選擇講一點(diǎn)經(jīng)典物理，近現(xiàn)代物理則沒法講到.這樣過度壓縮的大學(xué)物理課程造成學(xué)生的物理知識體系是不完整的.最后，學(xué)生不重視大學(xué)物理課程，認(rèn)為大學(xué)物理不是專業(yè)課因此重視程度不夠.據(jù)筆者觀察一個(gè)班中認(rèn)真對待大學(xué)物理課程的學(xué)生并不多.

這些都是客觀大環(huán)境，但是作為一線教師，我們?nèi)匀粸樘岣叽髮W(xué)物理教學(xué)質(zhì)量而思考和努力.目前，針對大學(xué)物理傳統(tǒng)課堂教學(xué)中出現(xiàn)的以教師講授為主體，學(xué)生被動(dòng)聽課，學(xué)生課堂存在感不強(qiáng)的缺陷，出現(xiàn)了許多大學(xué)物理課堂教學(xué)方式的改革和嘗試.如文獻(xiàn)[2]提出大學(xué)物理多元化教學(xué)模式，包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、多媒體教學(xué)和實(shí)踐教學(xué).文獻(xiàn)[3]提出教學(xué)中大膽運(yùn)用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式、運(yùn)用生活中的物理想象、利用科幻作品、利用現(xiàn)代化信息技術(shù)等措施，以保障大學(xué)物理課堂教學(xué)事半功倍.這些教學(xué)方式的改革是十分必要的，對彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的不斷提高, 起著很重要的作用.然而,根據(jù)筆者觀察,目前大學(xué)物理教學(xué)還是以傳統(tǒng)課堂教學(xué)為主，傳統(tǒng)課堂教學(xué)目前仍然是大學(xué)物理教學(xué)的主要方式，其他的教學(xué)模式只能是傳統(tǒng)教學(xué)模式的補(bǔ)充.本文討論我們在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中講授大學(xué)物理的一些心得與體會(huì)，供同行交流.

大學(xué)物理教材，是學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的最主要學(xué)習(xí)資料.教師應(yīng)該要求學(xué)生認(rèn)真閱讀教材，認(rèn)真預(yù)習(xí)和積極復(fù)習(xí).作為教師，應(yīng)該研讀教材，基于教材向?qū)W生講授，方便學(xué)生課下復(fù)習(xí).然而這樣還不夠，教師還應(yīng)該在講授過程中加入自己的心得與體會(huì)，彌補(bǔ)教材的不足.下面是我們在講授大學(xué)物理課程中總結(jié)的3點(diǎn)心得與體會(huì)(或者說注意事項(xiàng))，供同行參考.為講解形象具體，避免完全空洞的文字說明，我們結(jié)合趙近芳的《大學(xué)物理學(xué)》(第五版)教材(下面簡稱“教材”)進(jìn)行講解[4].

1 強(qiáng)調(diào)大學(xué)物理與中學(xué)物理的區(qū)別與聯(lián)系

要不斷向?qū)W生強(qiáng)調(diào)大學(xué)物理與中學(xué)物理的區(qū)別和聯(lián)系,幫助學(xué)生樹立正確的思考問題的方式.大學(xué)物理課程是對中學(xué)物理的進(jìn)一步深化和提高，大學(xué)物理學(xué)利用微積分等數(shù)學(xué)工具，把物理概念、定理和定律，嚴(yán)格地表述.因此，學(xué)習(xí)過程中很多物理概念、定理和定律中學(xué)都講過.這里極容易讓學(xué)生產(chǎn)生輕視的思想.學(xué)生上課容易走神，等到重視起來的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)跟不上老師的思路了.

大學(xué)物理的教學(xué)一個(gè)重要的目的是要學(xué)生轉(zhuǎn)變思考問題的方法.大學(xué)物理解決的問題是一般的問題，而不是中學(xué)里遇到的特殊問題.不少學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理過程中仍然習(xí)慣于高中物理解題的思維.用高中的思考習(xí)慣和高中的公式去思考解決大學(xué)物理的問題.這種思維定勢極大地限制了學(xué)生對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，對于這種傾向教師講課的時(shí)候要注意糾正.

為方便體會(huì)，我們舉一個(gè)具體的例子進(jìn)行講解.下面這道題目出自教材第一章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)中的例題.

【例1】以速度v0平拋一小球, 不計(jì)空氣阻力, 求t時(shí)刻小球的切向加速度量值aτ,法向加速度量值an和軌道的曲率半徑ρ.

解：由圖1可知

圖1 平拋運(yùn)動(dòng)

上面的解答是教材給出的解題方法.這個(gè)解答方法完全是中學(xué)式的，利用作圖分析，完全沒有利用大學(xué)物理的知識.教師講授這道題時(shí)不能按著教材的方法去講解，如果照著上面的解答講解，會(huì)讓學(xué)生還停留在中學(xué)思考問題的方式上，不利于大學(xué)生樹立正確的思考物理問題的方式.我們在講解這個(gè)例題的時(shí)候，改用下面的解法去講解.

另解：

vx=v0vy=-gt

這個(gè)解法就是大學(xué)物理學(xué)中求加速度的一般方法.建立坐標(biāo)系，利用加速度定義式在坐標(biāo)系的分量形式求導(dǎo)求解.總之，教師在授課的時(shí)候一定要站在大學(xué)物理的高度去引導(dǎo)學(xué)生用大學(xué)的思考問題的方法去解決問題，幫助學(xué)生樹立正確的思考問題的方式與方法.

2 講例題時(shí)要一題多解 拓展學(xué)生思路

通過“一題多解”的訓(xùn)練，不僅有助于學(xué)生掌握更多的物理知識，而且能夠更有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，進(jìn)而提高物理教學(xué)的效果[5].對于教材中的例題的解法，如果還可以用前面講過的知識求解，就要鼓勵(lì)學(xué)生去求解，同時(shí)比較兩種方法的優(yōu)劣.

下面以教材3.3節(jié)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能定理中的例題為例.

【例2】如圖2所示,兩物體的質(zhì)量為m1和m2,且m1>m2.圓盤狀定滑輪的質(zhì)量為M1和M2，半徑為R1和R2，質(zhì)量均勻分布. 繩輕且不可伸長，繩與滑輪間無相對滑動(dòng)，滑輪軸光滑. 試求當(dāng)m1從靜止開始下降了x距離時(shí)兩物體的速度和加速度.

解：以兩物體、兩滑輪、地球?yàn)橐幌到y(tǒng)，W外=0,W內(nèi)非=0, 故機(jī)械能守恒.以m1下降x時(shí)的位置為重力勢能零點(diǎn), 則有

圖2 剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)

由于運(yùn)動(dòng)過程中物體所受合力為恒力，a為常數(shù)，v2=2ax，故有

此題利用機(jī)械能守恒定律求解速度，然后利用運(yùn)動(dòng)過程中物體所受合力為恒力這個(gè)結(jié)論求加速度.對于這個(gè)例題，我們還要求學(xué)生用前面講過的剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定律求解.因?yàn)閯傮w定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定律是剛體力學(xué)部分最重要的內(nèi)容，利用轉(zhuǎn)動(dòng)定律求力和加速度是剛體力學(xué)部分學(xué)生必須掌握的內(nèi)容.本題求加速度，因此利用轉(zhuǎn)動(dòng)定律求解是首先應(yīng)該考慮的方法.上面例題解法中利用“由于運(yùn)動(dòng)過程中物體所受合力為恒力”這個(gè)結(jié)論，由速度去求加速度，嚴(yán)格來講這里有些邏輯問題，有學(xué)生就問到“什么是恒力？”,因此利用轉(zhuǎn)動(dòng)定律求解出力是必要的.

另解： 對兩物體由牛頓第二定律得

m1g-T1=m1aT2-m2g=m2a

對兩滑輪由轉(zhuǎn)動(dòng)定律得

(T1-T)R1=J1α1(T-T2)R2=J2α2

補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)方程

a=R1α1=R2α2

聯(lián)立上面方程求得

對于這道題目，我們在講解完例題的解法后，再要求學(xué)生利用前面講過的轉(zhuǎn)動(dòng)定律求解，這樣不僅鞏固了前面所學(xué)的知識，而且擴(kuò)展了學(xué)生的思路，提升了學(xué)生分析解決問題的能力.

3 適量做些引申

對于無法完全講徹底，但是又不得不提到的知識點(diǎn)，不能只講結(jié)論，可以試圖做些簡化處理，討論再稍微深入一些，這樣對學(xué)生理解問題會(huì)有極大幫助.

卡諾循環(huán)是大學(xué)物理學(xué)中熱力學(xué)部分必講的內(nèi)容.引入這個(gè)問題起源于19世紀(jì)的科學(xué)家和工程師探討如何提高熱機(jī)效率這個(gè)重要的問題.卡諾于1824年發(fā)表《關(guān)于火力動(dòng)力的見解》這篇著名的論文，提出了著名的卡諾循環(huán)，從理論上回答了熱機(jī)的最大效率這個(gè)問題.大學(xué)物理教科書一般推導(dǎo)出卡諾循環(huán)的熱機(jī)效率，然后直接給出結(jié)論：在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切熱機(jī)中，卡諾熱機(jī)的效率最高[4].僅僅給出了結(jié)論并沒有證明，這樣處理學(xué)生可能印象并不深刻，或者心里仍然在想為什么？對于大學(xué)物理課程，這個(gè)證明有些超綱，證明不必講.但是僅僅文字闡述又顯得不足.為此我們采取下面的辦法，找一個(gè)具體的例子，計(jì)算出效率，然后跟卡諾熱機(jī)的效率比較.在教學(xué)中，我們要求學(xué)生在兩個(gè)熱源間建立另外一種循環(huán)，例如由兩等溫和兩等容過程組成的循環(huán)，如圖3所示，計(jì)算這個(gè)循環(huán)的效率，然后跟卡諾熱機(jī)的效率比較.這樣經(jīng)過稍微深入一點(diǎn)的處理后，學(xué)生不僅對這個(gè)結(jié)論不會(huì)有疑惑，同時(shí)還能鞏固計(jì)算熱機(jī)效率這個(gè)重要的知識點(diǎn)，由此一舉兩得.

【例3】求如圖3所示的正循環(huán)的循環(huán)效率，并證明效率小于卡諾循環(huán)的效率.

圖3 正循環(huán)

解:過程1→2，等溫膨脹過程，系統(tǒng)吸收的熱量為

Q12>0，說明1→2過程系統(tǒng)吸熱.

過程2→3，等容降壓過程，系統(tǒng)吸收的熱量為

Q23<0，說明2→3過程系統(tǒng)放熱.

過程3→4,等溫壓縮過程，系統(tǒng)吸收的熱量為

Q34<0，說明3→4過程系統(tǒng)放熱.

過程4→1，等容升溫過程，系統(tǒng)吸收的熱量為

Q41>0，說明4→1過程系統(tǒng)吸熱.

則整個(gè)循環(huán)過程中，系統(tǒng)吸收熱量的大小為

系統(tǒng)放出熱量的大小為

則此正循環(huán)的效率為

由此可見，上面列舉的在兩熱源間工作的熱機(jī)的效率要小于卡諾熱機(jī)的效率.這雖然不是一個(gè)一般的證明，但是學(xué)生對“卡諾熱機(jī)效率是兩熱源間工作的一切熱機(jī)的最大的效率”這個(gè)結(jié)論有了進(jìn)一步的認(rèn)識，而不僅僅局限于被動(dòng)接受.這樣處理不僅讓學(xué)生對卡諾熱機(jī)的物理意義有了更深的認(rèn)識，而且還復(fù)習(xí)鞏固了求熱機(jī)效率這個(gè)重要的知識點(diǎn).

4 結(jié)論

本文就如何提高大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量提出3點(diǎn)注意事項(xiàng)，這些是我們在大學(xué)物理教學(xué)過程中的心得與體會(huì)，供同行交流與參考.在大學(xué)物理課程的授課過程中，教師除了認(rèn)真研讀教材，結(jié)合課本把書中的內(nèi)容講授給學(xué)生之外，還要加入教師自己對大學(xué)物理的理解，做一定的深入，有些地方需要做適量修改和補(bǔ)充，不能完全照本宣科.3點(diǎn)注意事項(xiàng)分別為：注意轉(zhuǎn)變學(xué)生思考問題的方式;注重一題多解;適量做些引申.為避免空泛的討論，我們在講解中加入了具體的例子方便讀者體會(huì).這些例子是我們在教學(xué)過程中的總結(jié)，可以為廣大教師在教學(xué)中提供有用的參考.