陳義萬 杜海霞 張群芝 閔銳

[摘 要] 注意挖掘教學(xué)內(nèi)容所包含的創(chuàng)新元素，通過猜想的教學(xué)方法，應(yīng)用學(xué)生已有的知識(shí)，加以適當(dāng)?shù)念惐取⒉孪?，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中體驗(yàn)到科學(xué)研究的快樂和成功的喜悅，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。

[關(guān) 鍵 詞] 教學(xué)方法；教學(xué)創(chuàng)新；電子書；猜想式教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）19-0077-03

一、前言

面對(duì)知識(shí)爆炸的形勢(shì)，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法已經(jīng)難以為繼。尤其在科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，學(xué)校培養(yǎng)的目標(biāo)，不是僅僅讓學(xué)生學(xué)到知識(shí)，更是要培養(yǎng)能應(yīng)用知識(shí)去解決問題，具有發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)、具有創(chuàng)新能力和繼續(xù)學(xué)習(xí)能力的人。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，在理工科的重要基礎(chǔ)課大學(xué)物理中，我們做了一些嘗試，介紹如下。

二、集成電子書，一種新穎的學(xué)習(xí)媒介

在傳統(tǒng)的紙質(zhì)書籍之后，逐漸有電子書，有音頻視頻，但是，能夠把教師的講解與書籍結(jié)合為一體的還不多見。我們經(jīng)過實(shí)踐思考，提出把大學(xué)物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)做成電子版，然后在書中適當(dāng)?shù)牡胤脚湟灾v課用的PPT、演示的動(dòng)畫，在教師認(rèn)為比較困難的地方插入教師的語音講解。而且附上教師的電子郵箱，然后把這些元素用專門的軟件打包集成。學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候，只要在電腦上運(yùn)行該軟件，就可以自學(xué)。如果需要向教師提問題，就可以向具體負(fù)責(zé)的教師發(fā)送電子郵件。這種電子書把文字、PPT、動(dòng)畫、聲音集成為一體，形成了便于攜帶、內(nèi)容豐富、講解具有針對(duì)性的立體書籍，改變了以前各個(gè)元素分立的狀況。前期的文字與聲音的集成電子書，已經(jīng)正式出版發(fā)行，使用的效果良好；該課題被列為湖北省教育科學(xué)“十二·五”規(guī)劃課題，已經(jīng)完成結(jié)題。

我們希望通過嘗試，把這種集成電子書推廣到目前需求量很大的中考和高考輔導(dǎo)資料上去，形成一個(gè)新的出版潮流，幫助學(xué)生提高自學(xué)的能力和自學(xué)的效率。

三、挖掘物理知識(shí)背后的深刻思想

大學(xué)物理在高校的課程地位為什么長盛不衰？主要是下面3個(gè)方面的原因。

（1）它是各個(gè)理工科的基礎(chǔ)課程，不學(xué)習(xí)大學(xué)物理，許多專業(yè)課程很難進(jìn)行。（2）物理作為科學(xué)素質(zhì)的重要組成部分，對(duì)理工科的大學(xué)生是必不可少的。不說物理在歷次工業(yè)革命中的巨大推動(dòng)作用，僅僅就近年來的物理學(xué)進(jìn)展，如巨磁電阻材料、石墨烯材料等，工科的學(xué)生也是必須了解的。（3）就業(yè)的需要。學(xué)生的學(xué)習(xí)，各門課程是確定的，而就業(yè)則有隨機(jī)性。當(dāng)學(xué)生畢業(yè)后，由于社會(huì)的原因，從事與他所學(xué)的專業(yè)具有很大差距的工作時(shí)，他所學(xué)習(xí)的專業(yè)課程，尤其是那些非常工具化的專業(yè)課程，幾乎完全無用。這時(shí)，起作用的是具有普遍作用的數(shù)學(xué)、物理課程。

四、多種方法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)分析思維

復(fù)旦大學(xué)金曉峰提出了讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理原始文獻(xiàn)的辦法。他認(rèn)為，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的原始文獻(xiàn)，而不是學(xué)習(xí)由別人編寫好的課本，可以讓學(xué)生重復(fù)一次最初的發(fā)現(xiàn)過程。這種做法在培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和研究能力方面很具有新意。

我們?cè)诖髮W(xué)物理教學(xué)中也進(jìn)行了一些教學(xué)方式上的改革，力求把成熟的物理知識(shí)背后的創(chuàng)新思維挖掘出來，把創(chuàng)新教育滲透到平時(shí)的教學(xué)中去。

（一）于細(xì)微處見新的領(lǐng)域

在力學(xué)中，引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量在很多人看來，是自然相等的，多數(shù)課本上沒有這方面的介紹。實(shí)際上，引力質(zhì)量與萬有引力相聯(lián)系，而慣性質(zhì)量與物體受力后的加速度相聯(lián)系。由于在地球上各處的重力加速度相等，在取合理的單位后，可以證明引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等[1]。愛因斯坦仔細(xì)地研究了這個(gè)問題，在此基礎(chǔ)上，提出了等價(jià)原理，成為廣義相對(duì)論基礎(chǔ)。通過與學(xué)生分析慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量，最后得出廣義相對(duì)論的歷史過程，可以大大開闊學(xué)生的眼界和思路。

（二）物理概念的推廣應(yīng)用

最常見的例子是慣性的概念。力學(xué)中慣性的概念很好理解，它是物體保持原有的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)的特性。我們?cè)诮虒W(xué)中，把慣性的概念推廣到電磁學(xué)、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象、社會(huì)現(xiàn)象。電磁感應(yīng)是慣性的一個(gè)很好的詮釋。當(dāng)一個(gè)線圈中的磁通量發(fā)生改變的時(shí)候，按照電磁感應(yīng)定律，線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電流，該電流的磁場(chǎng)是反抗原磁場(chǎng)的變化的。從反抗原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這個(gè)性質(zhì)看，電磁感應(yīng)現(xiàn)象正是慣性的體現(xiàn)。那么，楞次定律本質(zhì)上是電磁慣性。用慣性來分析電磁現(xiàn)象，可以不需要詳細(xì)的條件，就可以得出正確的定性結(jié)論。

在經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象中的例子有很多，在此不一一列舉。舉一個(gè)心理方面的例子。比如學(xué)生某寢室有4個(gè)床位，現(xiàn)有3個(gè)學(xué)生居住，過了一段時(shí)間后，學(xué)校要安排進(jìn)來一位新同學(xué)，問：原來的3個(gè)人對(duì)新來的同學(xué)是什么態(tài)度，歡迎還是拒絕？這個(gè)問題由于貼近學(xué)生生活，在課堂上往往會(huì)引起熱烈的討論。開始可能有各種思路和分析，也有人以為教師要提倡集體主義精神而不敢回答。通過討論，應(yīng)用慣性原理，最后會(huì)得出結(jié)論：原來的3個(gè)同學(xué)對(duì)新來的人是排斥的！原因是他們住寬敞的房間已經(jīng)習(xí)慣了，已經(jīng)形成了一種狀態(tài)，而新進(jìn)來一位同學(xué)，要改變這種狀態(tài)，由于人的性格的慣性，他們會(huì)不自覺地排斥改變?cè)瓉頎顟B(tài)的同學(xué)。經(jīng)過具體分析和討論后，學(xué)生都十分信服，看到物理學(xué)的概念不僅應(yīng)用在物理學(xué)領(lǐng)域，在其他方面也都可以得到很好的應(yīng)用，增強(qiáng)了他們學(xué)物理的信心。

（三）探索物理現(xiàn)象背后的規(guī)律

比如，在熱力學(xué)第零定律也就是溫度的定義中，三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)兩兩熱平衡一定會(huì)得出三者都是熱平衡的，這個(gè)熱平衡后的共同的量就是溫度。在講這個(gè)內(nèi)容的時(shí)候，我們考慮畢業(yè)生的流動(dòng)：在武漢每年有幾十萬的大學(xué)生畢業(yè)，但是大多流向了東南沿海地區(qū)，驅(qū)動(dòng)畢業(yè)生流動(dòng)的背后力量是什么？最后我們分析得出，是工資。如果以后武漢的發(fā)展能夠提供與沿海地區(qū)相同的工資，那么可以想見，就不會(huì)有大學(xué)生的凈流出了。從比較枯燥的熱力學(xué)問題分析現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)問題，不僅是開闊思路，也可以提供思考的方法。

（四）常見的物理公式在實(shí)際中的應(yīng)用

我們?cè)诖髮W(xué)物理的第二個(gè)學(xué)期都要講振動(dòng)問題，而且在推導(dǎo)簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程后，都要舉一個(gè)木塊在平靜的水中的浮動(dòng)問題。這個(gè)問題的結(jié)論是木塊在水中的上下浮動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而且周期與水的密度、木塊的密度以及木塊的截面積有關(guān)。我們要求學(xué)生在周末出去玩的時(shí)候，比如坐輪船過長江，觀察一下輪船的浮動(dòng)，是否是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，而且可以用手表計(jì)時(shí)，通過公式計(jì)算船的大小和質(zhì)量。這種簡(jiǎn)單的理論聯(lián)系實(shí)際，可以讓學(xué)生對(duì)物理增加不少興趣。

（五）激發(fā)學(xué)生自發(fā)的組合式創(chuàng)新思維

通過這些教學(xué)中的培養(yǎng)，學(xué)生很快就有了自己的創(chuàng)新意識(shí)。一個(gè)學(xué)生在學(xué)習(xí)了光的干涉后，結(jié)合以前就有的電子的波動(dòng)性質(zhì)，就提出這樣的問題：如果在光源處放一個(gè)光源和一個(gè)電子源，會(huì)是什么結(jié)果？這個(gè)問題的結(jié)論本身還要探討，作為一個(gè)剛學(xué)過光的干涉的學(xué)生，能提出這樣的問題，說明他已經(jīng)具備了很強(qiáng)的創(chuàng)新潛力。

五、簡(jiǎn)化物理公式的推導(dǎo)，加深對(duì)物理原理的理解和對(duì)公式的記憶

在大學(xué)物理的分子動(dòng)理論中，對(duì)理想氣體壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)，多數(shù)是用碰撞的原理，計(jì)算分子對(duì)容器壁的平均沖力，從而得出理想氣體的壓強(qiáng)。但是，這種方法比較復(fù)雜?？梢园言摬糠值膬?nèi)容加以組合，改變順序。

首先根據(jù)假設(shè)，提出能均分定理，對(duì)任何分子，考慮平動(dòng)動(dòng)能時(shí)，不考慮分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，分子的自由度是3，因而分子的平均平動(dòng)動(dòng)能為

用這種方法，可以很簡(jiǎn)單地得出壓強(qiáng)與平均動(dòng)能之間的關(guān)系。

另外一個(gè)是氣體動(dòng)理論中，幾種氣體速率的公式推導(dǎo)。按照教科書里面的辦法，也是比較復(fù)雜，而且不容易記住。下面給出一種簡(jiǎn)便方法。

由于氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能，可以看作是分子動(dòng)能直接求平均，于是：

由于速度都具有相同的量綱，推導(dǎo)出方均根速率后，最概然速率和平均速率的量綱，與方均根速率相同。只要我們注意三個(gè)速率之間的大小關(guān)系：

六、猜測(cè)式教學(xué)，培養(yǎng)研究能力的良好方法

在長期的教學(xué)實(shí)踐中，我們體會(huì)到猜測(cè)式的教學(xué)[2-6]是一種培養(yǎng)創(chuàng)新能力和提高科研意識(shí)的好方法。具體做法如下：在學(xué)習(xí)一個(gè)物理公式或者一個(gè)物理定律的時(shí)候，讓學(xué)生不要直接去看書中給出的結(jié)果，而是要先看看書中講的先導(dǎo)知識(shí)和背景，然后對(duì)要學(xué)習(xí)的物理定律進(jìn)行模擬研究，并結(jié)合已經(jīng)有的知識(shí)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理的猜測(cè)。通過這種方法，可以體驗(yàn)原始科研的過程，并得到意想不到的結(jié)果。

舉例如下：電磁學(xué)的教學(xué)中，我們都給學(xué)生講過，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的公式在很多方面有相似的地方，也有不同的地方。在學(xué)習(xí)電流元產(chǎn)生磁場(chǎng)的畢奧—薩伐爾定律的時(shí)候，要求學(xué)生依據(jù)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度公式進(jìn)行合理的猜想。點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度公式，也就是說：電場(chǎng)強(qiáng)度與點(diǎn)電荷的大小成正比，與到點(diǎn)電荷的距離的平方成反比。那么，學(xué)生可以合理地猜測(cè)：電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電流元的大小成正比，與距離的平方成反比。如果更進(jìn)一步考慮：電流元是矢量，電流源到觀察點(diǎn)的距離是矢量，兩個(gè)矢量決定磁場(chǎng)這個(gè)矢量，只能由一種辦法：矢量的叉乘。到這里，教學(xué)已經(jīng)很成功了，除了系數(shù)和量綱外，一個(gè)初學(xué)磁學(xué)的學(xué)生接近于獨(dú)立發(fā)現(xiàn)畢奧—薩伐爾定律了！

我們?cè)?jīng)在課堂上做過試驗(yàn)，有不少學(xué)生當(dāng)場(chǎng)猜測(cè)出來，這讓學(xué)生加深了對(duì)知識(shí)的理解，提高了興趣，獲得了極大的成就感。

另外一個(gè)例子：磁場(chǎng)的霍爾效應(yīng)。在介紹完相關(guān)知識(shí)的背景后，讓學(xué)生猜測(cè)霍爾電壓與磁場(chǎng)和通過的電流的關(guān)系。由于在沒有磁場(chǎng)和電流時(shí)，沒有霍爾效應(yīng)，磁場(chǎng)和電流越大，霍爾效應(yīng)越強(qiáng)，學(xué)生很快馬上可以猜測(cè)出霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流強(qiáng)度成正比。除了系數(shù)外，基本猜測(cè)出了霍爾效應(yīng)公式。

這種猜測(cè)式的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體驗(yàn)了科研的過程、建立了知識(shí)之間的聯(lián)系，也破除了對(duì)科研的神秘感，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

七、在創(chuàng)新班中的做法

在湖北工業(yè)大學(xué)提出“721”培養(yǎng)方案后，我們針對(duì)創(chuàng)新班的要求，提出了如下幾點(diǎn)措施。

（一）提高學(xué)生的自學(xué)能力

教給學(xué)生一種實(shí)用的自學(xué)方法，每學(xué)期指定一章，在課堂上寫出對(duì)該章的要求和問題，把上課的時(shí)間拿出來給學(xué)生看書，教師總結(jié)，與學(xué)生討論，對(duì)學(xué)生的作業(yè)全部批改，該章內(nèi)容是統(tǒng)考內(nèi)容。

（二）培養(yǎng)扎實(shí)的物理基礎(chǔ)

大學(xué)物理的公式，定理的證明，在教師講完后，要求學(xué)生能夠自己獨(dú)立推導(dǎo)，可以要求學(xué)生課后自己推導(dǎo)，也可以利用課堂時(shí)間讓學(xué)生自行推導(dǎo)。

（三）培養(yǎng)初步的科研能力

每一學(xué)期，學(xué)完相應(yīng)的內(nèi)容后（如力學(xué)、電磁學(xué)、振動(dòng)與波動(dòng)、光學(xué)、近代物理），教師給予引導(dǎo)，要求學(xué)生自行查找文獻(xiàn)，寫一篇與該部分的內(nèi)容相關(guān)的小文章，例如，力學(xué)——火箭、熱學(xué)——發(fā)電和節(jié)能、振動(dòng)波動(dòng)——地震、光學(xué)——全息，可以是綜述性的文章，尤其歡迎有新觀點(diǎn)的文章，作為創(chuàng)新考核的一部分。要求教師告訴學(xué)生查資料，提出和分析問題的辦法。

（四）培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

每個(gè)學(xué)生每學(xué)期要提出一個(gè)有很大創(chuàng)新的、與物理有關(guān)的問題，越新穎越好，能夠解決更好。

（五）成績計(jì)算

作業(yè)成績30%+文章和新穎性問題成績20%+參加全校統(tǒng)考的成績50%。

八、結(jié)論

知識(shí)與創(chuàng)新是不可分離的兩個(gè)方面，離開了知識(shí)積累的創(chuàng)新會(huì)變成無源之水；離開了創(chuàng)新意識(shí)的知識(shí)會(huì)變成無用的知識(shí)。即使在大學(xué)物理這樣的成熟的學(xué)科，也要把知識(shí)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)結(jié)合起來，通過挖掘傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容背后的創(chuàng)新元素，開辟教學(xué)的新天地，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長，相互促進(jìn)。

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