孫 輝 韓玉龍 孫金芳(安徽信息工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 安徽 蕪湖 241000)

基于實(shí)例的應(yīng)用型大學(xué)物理教學(xué)模式改革*

孫 輝 韓玉龍 孫金芳
(安徽信息工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 安徽 蕪湖 241000)

應(yīng)用型高等教育要求大學(xué)物理的教學(xué)模式要圍繞應(yīng)用型進(jìn)行改革.基于物理應(yīng)用實(shí)例打造的應(yīng)用型大學(xué)物理教學(xué)模式，其主要內(nèi)涵是教師在知識(shí)講授的基礎(chǔ)上運(yùn)用實(shí)例教學(xué)，采取學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)的方式，完成基于實(shí)例的課程項(xiàng)目，以此促進(jìn)教學(xué)向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì).

物理實(shí)例 應(yīng)用型 大學(xué)物理 改革

地方高校在向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，對(duì)于基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)類和物理類課程也相應(yīng)提出了應(yīng)用型課程教學(xué)改革的要求[1].由于應(yīng)用型本科高校更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，所以以學(xué)科知識(shí)要求為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式，也就是傳統(tǒng)的講授型教學(xué)，對(duì)于是否滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求值得商榷[2].以大學(xué)物理教學(xué)為例，雖然講授的方式可以在課時(shí)壓縮的情況下仍能保證學(xué)生系統(tǒng)地接觸力、熱、電、磁、光等物理知識(shí)，但是從教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，效果往往欠佳：首先是學(xué)生較難融入課堂，因?yàn)槿狈τ行лd體進(jìn)行互動(dòng)，大多數(shù)學(xué)生在課堂上對(duì)于新知識(shí)的接受程度很低；其次，學(xué)生往往會(huì)把物理課程當(dāng)成是理論和公式的堆砌，難以聯(lián)系實(shí)際，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)不到實(shí)用價(jià)值而喪失學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)；最后，教師也僅僅關(guān)注學(xué)生利用理論解決習(xí)題的能力，同樣忽略了物理的實(shí)用性.

針對(duì)這些問(wèn)題，我們提出了基于實(shí)例的應(yīng)用型大學(xué)物理教學(xué)模式，即Practical Applications of Physics (簡(jiǎn)稱PAP)模式.這種模式易于實(shí)現(xiàn)和推廣，尤其是針對(duì)地方應(yīng)用型本科高校的學(xué)生，其教學(xué)效果較傳統(tǒng)講授式更加明顯.

1 內(nèi)容和講授方式的優(yōu)化

我們參照國(guó)外高校物理基礎(chǔ)課程的教學(xué)大綱和優(yōu)秀教材(H. D. Young, R. A. Freedman, and A. L. Ford, Sears and Zemansky′s university physics with modern physics, 13th edition)，將大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步凝練；同時(shí)在講授理論的過(guò)程中，使用由特殊到一般和歸納類比的方法，而不是進(jìn)行冗長(zhǎng)的推導(dǎo).比如，講授靜電場(chǎng)高斯定理時(shí)，從特殊的點(diǎn)電荷出發(fā)；講授磁力做功時(shí)，從特殊的一邊可滑動(dòng)的導(dǎo)線框開始.再如，學(xué)生學(xué)習(xí)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)和恒定電流磁場(chǎng)這類中學(xué)階段未接觸或未深入討論的新知識(shí)時(shí)，教師通過(guò)類比平動(dòng)和靜電場(chǎng)中的物理量和理論，讓學(xué)生在繁雜的公式間建立起明晰的映射關(guān)系.

2 基于實(shí)例的應(yīng)用型物理教學(xué)模式

我們按照物理學(xué)科知識(shí)體系分別編寫了相應(yīng)模塊的物理應(yīng)用實(shí)例.比如力學(xué)中包含多級(jí)火箭、陀螺儀和四旋翼無(wú)人機(jī)等，熱學(xué)中包含內(nèi)燃機(jī)、空氣能設(shè)備和熱電偶等，電磁學(xué)中包含電阻式傳感器、電容式傳感器、霍爾傳感器和無(wú)線充電等，光學(xué)中包含3D眼鏡、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等.這些實(shí)例具有注重實(shí)用和貼近科技前沿的特點(diǎn)，能夠扭轉(zhuǎn)應(yīng)用型本科高校學(xué)生對(duì)于大學(xué)物理“老、舊、虛”的成見(jiàn).除了實(shí)例，我們還整理了一些易于在課堂上實(shí)現(xiàn)的演示實(shí)驗(yàn)，這些演示實(shí)驗(yàn)無(wú)需成品化的實(shí)驗(yàn)器材，利用一些日常材料即可實(shí)現(xiàn).目前我們已經(jīng)編寫了22個(gè)應(yīng)用實(shí)例和5個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，在后續(xù)的教學(xué)過(guò)程中還會(huì)不斷完善更新它們.

在課堂教學(xué)過(guò)程中，當(dāng)學(xué)生掌握了相應(yīng)物理分支的知識(shí)點(diǎn)之后，我們會(huì)利用實(shí)例組織研討教學(xué)[3].教師先將實(shí)例中包含的物理原理做簡(jiǎn)要說(shuō)明，然后列舉它的實(shí)際用途.接下來(lái)開展學(xué)生討論，重點(diǎn)啟發(fā)學(xué)生思考實(shí)例的拓展應(yīng)用、組合應(yīng)用以及實(shí)例的改進(jìn)，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)意，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力.比如教師在講授完靜電場(chǎng)章節(jié)內(nèi)容后，學(xué)生已基本掌握了平行板電容器和圓柱形電容器的相關(guān)知識(shí).在此基礎(chǔ)上，教師從理論公式的形式出發(fā)，先啟發(fā)學(xué)生思考增大電容器電容的方法，進(jìn)而分析真實(shí)電容器采用卷繞式包裝的原因.接下來(lái)，教師通過(guò)講解改變極板極距從而進(jìn)行信息采集的電容式傳感器的原理，進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生思考和分析其他可行的測(cè)量原理，如改變極板面積或介電常數(shù)來(lái)進(jìn)行傳感.在學(xué)生理清原理的基礎(chǔ)上，教師激勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，分析不同原理傳感器的可能應(yīng)用，比如非接觸的開關(guān)裝置和當(dāng)下流行的手機(jī)指紋識(shí)別功能等等.學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中可以深刻地體會(huì)物理理論的實(shí)用性，同時(shí)其創(chuàng)新意識(shí)得到了明顯增強(qiáng).

利用課堂演示實(shí)驗(yàn)也可以達(dá)到同樣的效果.如在講解完力學(xué)部分知識(shí)后，教師通過(guò)紙盒和玻璃啤酒瓶組合成的簡(jiǎn)易裝置進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)和平衡的演示，如圖1所示.由于瓶子質(zhì)量分布不均勻，如果開始將輕的一側(cè)放在下面，無(wú)論學(xué)生如何嘗試都不可能用撐桿立起瓶子.教師通過(guò)組織學(xué)生親自動(dòng)手嘗試，學(xué)生在反復(fù)失敗后會(huì)主動(dòng)思考原因，教師啟發(fā)學(xué)生分析瓶子所受的力和力矩，并結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律找出答案.利用這種自制的簡(jiǎn)單演示裝置，教師可以有效調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，打造充分互動(dòng)的課堂，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，同時(shí)寓教于樂(lè)，學(xué)生普遍反映受益匪淺.

圖1 課堂演示實(shí)驗(yàn)——“立不起”的瓶子

3 小組合作學(xué)習(xí)強(qiáng)化綜合素質(zhì)

在學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)中，教師給學(xué)生分組，采取小組合作學(xué)習(xí)的方式完成課后作業(yè)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)從教到學(xué)的轉(zhuǎn)變；并且在每章結(jié)束后安排一次過(guò)程測(cè)驗(yàn)，通過(guò)作業(yè)和過(guò)程測(cè)驗(yàn)跟蹤學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握程度.學(xué)生小組的組長(zhǎng)由教師指定，并按照小組成員的要求以及小組的作業(yè)和測(cè)驗(yàn)結(jié)果適時(shí)調(diào)整組長(zhǎng)人選.教師在學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中承擔(dān)一定量的為全組成員輔導(dǎo)答疑的任務(wù)，但大多數(shù)情況下鼓勵(lì)組內(nèi)成員自行解決問(wèn)題.針對(duì)在過(guò)程測(cè)驗(yàn)中表現(xiàn)較差的小組，教師會(huì)與小組成員及時(shí)進(jìn)行溝通，并介紹表現(xiàn)較好的小組進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流或一定的幫扶.

PAP教學(xué)模式非常強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合素質(zhì)訓(xùn)練貫穿教學(xué)始終.我們借鑒了國(guó)外課程教學(xué)利用課程項(xiàng)目作為載體，增加學(xué)生課外學(xué)習(xí)時(shí)間，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力.在每學(xué)期開始，教師會(huì)下達(dá)該學(xué)期的課程項(xiàng)目，課程項(xiàng)目均以小組合作形式完成.在第一學(xué)期，由于學(xué)生文獻(xiàn)搜索、文檔撰寫和邏輯組織等能力較弱，所以課程項(xiàng)目的題目相對(duì)來(lái)說(shuō)較寬泛，要求也較低.該學(xué)期的課程項(xiàng)目一般是要求學(xué)生撰寫一個(gè)自己感興趣的應(yīng)用實(shí)例，解析其原理和應(yīng)用；或者針對(duì)課堂未講授的內(nèi)容撰寫一份學(xué)習(xí)筆記，并制作相應(yīng)課件在課堂上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂嘗試.在第二學(xué)期，由于學(xué)生素質(zhì)和能力得到了提高，所以課程項(xiàng)目更加專業(yè)化.我們采用已經(jīng)有相應(yīng)參考文獻(xiàn)的國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(即IYPT)原題(也是一種實(shí)例)作為課程項(xiàng)目，讓學(xué)生撰寫一篇較為專業(yè)的論文，論文的格式參照全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的要求.同一個(gè)教學(xué)班會(huì)布置兩個(gè)題目供學(xué)生選擇.比如我們?cè)谝粚W(xué)期內(nèi)分別以“書頁(yè)交疊的兩本書合攏后難以分開這一現(xiàn)象的影響因素和原因分析”[4]以及“電軌小車運(yùn)動(dòng)原因分析和速度影響因素”[5]為課程項(xiàng)目的題目.

綜上所述，我們繪制了PAP教學(xué)模式的示意圖，如圖2所示.改進(jìn)了傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，通過(guò)漸進(jìn)式的綜合訓(xùn)練，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力和綜合素質(zhì)都得到了明顯提升.

4 結(jié)束語(yǔ)

PAP教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐效果可以從我院全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的成績(jī)中得到體現(xiàn).2016年，我院共獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)，國(guó)家獎(jiǎng)3項(xiàng).作為一所以工科為主的民辦高校，省級(jí)一等獎(jiǎng)以上數(shù)量在安徽省內(nèi)45所本科院校中排名第5，創(chuàng)造了省內(nèi)同類院校的歷史新高度.在從以教為主向以學(xué)為主的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，我們的基礎(chǔ)物理課程做了大膽且有效的嘗試，且PAP模式易于實(shí)行，希望可以為應(yīng)用型大學(xué)物理教學(xué)提供借鑒.

1 陶薇, 謝柏林, 萬(wàn)士保. 基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的民辦高校大學(xué)物理教學(xué)方法探討與實(shí)踐. 教育教學(xué)論壇, 2015(12):182～183

2 馮友君. 新建應(yīng)用型本科高校大學(xué)物理教學(xué)改革探索. 四川旅游學(xué)院學(xué)報(bào), 2015(4):87～89

3 李宏榮, 王小力, 田蓬勃,等. 以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)的大學(xué)物理教學(xué)改革.中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2013(8):19～21

4 Alarcón H, Salez T, Poulard C, et al. Self-Amplification of Solid Friction in Interleaved Assemblies.. Physical Review Letters, 2015, 116(1):015502

5 Criado C, Alamo N. World’s simplest electric train. American Journal of Physics, 2016, 84(1):21～25

2017-03-17)

*安徽省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目“應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)改革——以安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院為例”的階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)：2015jyxm726

孫輝(1986- )，男，博士,講師，從事大學(xué)物理教學(xué)研究.