杜鵑 王長征 滕謀勇 魏燕燕 胡成超

摘 要：大學(xué)物理課程是材料專業(yè)的基礎(chǔ)課，它的教學(xué)改革具有重要的意義。文章從改革課件、增加與材料專業(yè)相關(guān)內(nèi)容、教學(xué)方法改革等方面做了初步的探討和嘗試，從而增強(qiáng)學(xué)生興趣，增大了課程的內(nèi)容含量。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；基礎(chǔ)課；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）11-0132-03

Abstract： College physics course is a basic course of material major， and its teaching reform is of great significance. This article has made preliminary exploration and attempt from reforming courseware， increasing contents related to materials， reforming in teaching methods， etc. This reform enhances the students' interest and increases the contents of the course.

Keywords： college physics； Basic course； Teaching reform

物理學(xué)是材料學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，材料的發(fā)展離不開物理，材料科學(xué)中遇到的難題不斷吸引物理學(xué)家去解答，新材料、新工藝和各種微觀結(jié)構(gòu)性能的研究又涉及到物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，材料學(xué)最新的研究方向更是從偏重化學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向偏重物理分析。大學(xué)物理是材料類學(xué)生的一門重要的基礎(chǔ)課程，也是大一新生走進(jìn)大學(xué)校園最先接觸到的課程之一，這門課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理原理的理解，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)材料專業(yè)的相關(guān)理論知識(shí)打下良好的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，大學(xué)物理還能培養(yǎng)物理特色的思維方式，對(duì)學(xué)生處理其他問題也具有指導(dǎo)作用：即透過現(xiàn)象看本質(zhì)、抓主要矛盾、做合理假設(shè)、建數(shù)學(xué)模型，從而真正做到舉重若輕、事半功倍。

大學(xué)物理是世界范圍內(nèi)理工科高等院校普遍開設(shè)的基礎(chǔ)課程。美國哈佛大學(xué)[1]的物理教學(xué)模式主要包括，第一，案例教學(xué)；第二，互動(dòng)討論法教學(xué)；第三，教研結(jié)合教學(xué)；第四，教師獨(dú)立教學(xué)。麻省理工學(xué)院提出了以研究為主的大學(xué)物理教學(xué)模式[2]，在教學(xué)過程中，教師只是起到指導(dǎo)作用，學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體，從而更好的培養(yǎng)和造就科技人才。北卡羅來納州立大學(xué)采用以學(xué)生為中心的教學(xué)法[3]，學(xué)生們?cè)谛〗M里互相合作，進(jìn)行活動(dòng)，而教師負(fù)責(zé)通過討論，對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。伊利諾伊大學(xué)香檳分校的大學(xué)物理教學(xué)中，整個(gè)教學(xué)過程都是以學(xué)生為主體[4]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與，教師在授課過程中，大量提問，學(xué)生積極踴躍參與討論。德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)也注重教學(xué)和科研的統(tǒng)一[5]。這種教學(xué)與科研密切結(jié)合的體制，對(duì)提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量大有裨益。這些世界一流名校的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于國內(nèi)的普通高校未必適用，我們只需加以借鑒，并不一定要完全照搬。目前國內(nèi)尤其是地方院校，大學(xué)物理的教學(xué)情況是：學(xué)時(shí)少，現(xiàn)代化教育手段運(yùn)用不足。更嚴(yán)峻的是，擴(kuò)招給地方院校帶來巨大的壓力，師資力量無法滿足需要，而生源質(zhì)量又大幅下降，因此對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的影響壓力很大。

我們?cè)诹某谴髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院多年的大學(xué)物理的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理內(nèi)容過于深?yuàn)W抽象，難以學(xué)以致用。還有一部分學(xué)生覺得大學(xué)物理的內(nèi)容與自己的專業(yè)課程聯(lián)系不大，沒有多少實(shí)際用途，以致于學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣不佳，主動(dòng)性差，甚至有厭學(xué)情緒。上課不認(rèn)真，玩手機(jī)，學(xué)習(xí)其他課程甚至逃課，課后抄襲作業(yè)甚至不寫作業(yè)，考試時(shí)作弊等現(xiàn)象比比皆是。很多學(xué)生不為學(xué)會(huì)知識(shí)，只為應(yīng)付考試及格。

目前材料專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)基本上是沿襲物理專業(yè)的教學(xué)模式進(jìn)行的，這樣的模式不適用于材料專業(yè)建設(shè)和學(xué)生主動(dòng)性培養(yǎng)的要求，主要表現(xiàn)在：

1. 材料學(xué)的發(fā)展日新月異，然而我們所用的大學(xué)物理教材內(nèi)容依然是沿用多年前的教材體系，教材里只有極少的現(xiàn)代科技發(fā)展的簡介，對(duì)學(xué)生缺乏足夠的吸引力。

2. 大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生的專業(yè)、學(xué)科沒有區(qū)分，與專業(yè)結(jié)合不夠緊密，教師只注重物理知識(shí)的講授，忽視物理學(xué)與材料專業(yè)之間的緊密聯(lián)系及物理知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，因此無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱誠。

3. 大學(xué)物理課堂內(nèi)容多以教師講述為主，課堂上演示性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，以致于很多抽象的原理學(xué)生理解不了，同時(shí)，課堂和課后師生間互動(dòng)較少，教學(xué)質(zhì)量大大降低。

當(dāng)前，各學(xué)校各專業(yè)都在積極的探索適合本專業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理教學(xué)模式，以解決當(dāng)前阻礙大學(xué)物理教學(xué)改革的瓶頸。本文根據(jù)聊城大學(xué)材料學(xué)院的實(shí)際情況，以提高材料專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生科研精神、增強(qiáng)學(xué)生分析問題解決問題的能力為出發(fā)點(diǎn)，依據(jù)大學(xué)物理教學(xué)的目標(biāo)與要求，結(jié)合材料專業(yè)特色，注重物理知識(shí)與材料知識(shí)的聯(lián)系，體現(xiàn)物理知識(shí)是材料專業(yè)研究工具的特點(diǎn)，開展對(duì)材料專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)模式改革的探討，最終調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱誠，使學(xué)生懂得學(xué)習(xí)物理的重要性并能用物理知識(shí)解決專業(yè)問題，使物理知識(shí)與材料專業(yè)知識(shí)相輔相成、互相促進(jìn)。本文的改革方案如圖1所示：

一、積極探索，改革教學(xué)軟件

利用專業(yè)軟件工具包制作一套適合材料專業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理電子教程。大學(xué)物理課堂上，加入材料、物理、生物、計(jì)算機(jī)、天文學(xué)的前沿科技，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教材體系落后于時(shí)代、應(yīng)用性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。讓學(xué)生能夠了解到社會(huì)的發(fā)展和科技前沿的最新動(dòng)態(tài)，將學(xué)生代入一個(gè)生動(dòng)、形象、具體的環(huán)境，活躍課堂氣氛，開闊學(xué)生視野，增加學(xué)生的求知欲望。

二、將物理學(xué)史貫穿融入到物理課的教學(xué)中去

講課過程中，融入與課本相關(guān)的物理方面的名人軼事和物理學(xué)史。通過講述科學(xué)家的趣事和成長成才經(jīng)歷，讓學(xué)生體會(huì)到大學(xué)物理的方法論是如何演繹的，讓學(xué)生感悟物理學(xué)家是如何考慮科學(xué)問題，如何解決問題的，了解物理學(xué)大師科學(xué)創(chuàng)造的思路，使學(xué)生從中獲得啟發(fā)、感悟和熏陶。讓學(xué)生自己體會(huì)做學(xué)問的三個(gè)境界：昨夜西風(fēng)凋碧樹，獨(dú)上高樓，望斷天涯路；衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴；眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。掌握了這三個(gè)境界，學(xué)生便很自然的掌握了科學(xué)的邏輯思維方法。

三、結(jié)合專業(yè)特色，改革教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)材料專業(yè)特色對(duì)大學(xué)物理各部分的內(nèi)容有所取舍，一是要保證基本的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，二是預(yù)留一定的學(xué)時(shí)，根據(jù)學(xué)生專業(yè)的緊密程度作出調(diào)整。例如：力學(xué)部分，對(duì)材料專業(yè)的同學(xué)，應(yīng)花更多的時(shí)間講述利用原始概念通過微積分計(jì)算物理量的方法，而對(duì)各種守恒規(guī)律計(jì)算的練習(xí)可適量減少，并補(bǔ)充《流體力學(xué)》、《工程力學(xué)》、《工程材料力學(xué)性能》、《材料力學(xué)》的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。熱學(xué)部分對(duì)材料類學(xué)生作用很大，因此，這一部分應(yīng)多花時(shí)間。光學(xué)部分，增加講述與《材料研究與測(cè)試方法》相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，著重介紹光譜分析與應(yīng)用，并對(duì)最新的材料檢驗(yàn)手段及其基本原理稍做介紹。另外，這部分內(nèi)容中教材內(nèi)沒有涉及波速的問題，而材料力學(xué)牽涉到波速的問題，電磁學(xué)部分，要簡要介紹對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法、儀器、結(jié)論，簡要介紹電路分析方法，將其應(yīng)用到以后的材料學(xué)研究中，講電容的時(shí)候可以增加與功能陶瓷材料性能參數(shù)及其表征相關(guān)的內(nèi)容，并講授色環(huán)法識(shí)別電阻和電感電容在電子器件中的應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)，以有助于將來學(xué)生工作和科研的需要，這部分內(nèi)容整體上與材料學(xué)關(guān)系不太密切，可以略講。量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，要深入了解材料的基本結(jié)構(gòu)，光唯象地知道晶體結(jié)構(gòu)、大致了解統(tǒng)計(jì)力學(xué)上的朗道相變、“大致”“可能”地定性說明原因，在如今的材料學(xué)研究中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的！就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)而言，材料學(xué)已經(jīng)離以前”炒菜式“的研究方式越來越遠(yuǎn)了，很多時(shí)候都要先進(jìn)行理論或半定量的粗略計(jì)算對(duì)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后再進(jìn)行制備。很多材料在納米尺度上量子效應(yīng)是不能忽視的，因此在計(jì)算和預(yù)測(cè)的過程中需要用到量子力學(xué)的內(nèi)容。而電子材料相關(guān)的理論全要用到量子力學(xué)，比如能帶理論，PN結(jié)等都需要用量子力學(xué)來解釋和分析。固體物理中，近自由電子近似、緊束縛近似等這些模型都需要量子力學(xué)的內(nèi)容來支撐。因此，增加量子力學(xué)部分的內(nèi)容。

四、重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展演示實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)范圍

楊振寧曾在《物理通報(bào)》中題詞：”物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的科學(xué)“。開展實(shí)驗(yàn)探索教學(xué)不僅能為學(xué)生提供豐富的感性認(rèn)識(shí)，為思維加工提供大量素材，而且能為學(xué)生能力培養(yǎng)，創(chuàng)造良好的條件。大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)具有形象化，具體化，學(xué)生興趣高的特點(diǎn)，演示實(shí)驗(yàn)生動(dòng)立體，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的各種感官，讓學(xué)生更好的了解物理原理與實(shí)際生活現(xiàn)象的聯(lián)系。根據(jù)課程需要，購買適用于進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的教具，例如標(biāo)準(zhǔn)音叉，磁懸浮列車，錐體上滾，手觸式蓄電池，茹科夫斯基椅等，讓學(xué)生明白，物理其實(shí)就存在于我們生活中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。由于受到場(chǎng)地、器材等各方面的影響，對(duì)于不方便進(jìn)行道具演示的實(shí)驗(yàn)，可以用教學(xué)軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)向?qū)W生們進(jìn)行演示，以克服實(shí)驗(yàn)室器件、品種、規(guī)格和數(shù)量不足以及儀器損壞的困難，節(jié)約大量昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)用。購買合適的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，例如LabVIEW圖形化編程軟件可進(jìn)行信號(hào)分析處理的電路實(shí)驗(yàn)，VR編程軟件可實(shí)現(xiàn)核磁共振系列實(shí)驗(yàn)，MATLAB編程軟件可實(shí)現(xiàn)倒立擺原理的實(shí)驗(yàn)等，同時(shí)，教師要掌握仿真技術(shù)與現(xiàn)代化教學(xué)手段，優(yōu)化教學(xué)過程，設(shè)計(jì)好虛擬仿真形式的物理實(shí)驗(yàn)。

五、師生合力，共同打造互動(dòng)討論式教學(xué)模式

打破傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師講授的單一方式，通過提煉出一些專題內(nèi)容，由學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、交流合作和討論的方式進(jìn)行自行學(xué)習(xí)。挖掘?qū)W生的自學(xué)能力和自學(xué)意識(shí)。課前給學(xué)生提出問題，提高學(xué)生自學(xué)能力。課堂上通過多媒體、網(wǎng)站等進(jìn)行演示，以現(xiàn)代教育思想和現(xiàn)代材料科技的成就為主線，向材料類學(xué)生介紹現(xiàn)代物理學(xué)的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)容從單一基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)到紅外應(yīng)用、超導(dǎo)、液晶顯示、低溫技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域，并以此為題目給學(xué)生布置小論文，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生探索物理知識(shí)的積極性。課堂教學(xué)采用“案例教學(xué)法”即根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和教學(xué)內(nèi)容的要求，運(yùn)用典型案例，進(jìn)行深入討論和分析，還可以采用“問題向?qū)浇虒W(xué)”法即以通過精心設(shè)計(jì)提出問題，引導(dǎo)學(xué)生自主分析問題，以理清學(xué)生解決問題的思路，使學(xué)生的思維處于激活的狀態(tài)。課后的習(xí)題布置要貼近工程實(shí)際，典型有趣，能充分體現(xiàn)物理思想、物理方法，便于培養(yǎng)提高學(xué)生的探究能力，引發(fā)創(chuàng)新沖動(dòng)。課后還可以開發(fā)和設(shè)計(jì)研究課，激勵(lì)和引導(dǎo)有需要的學(xué)生自由組隊(duì)進(jìn)行課外研究，最后由學(xué)生代表在課堂上進(jìn)行講授，開展學(xué)生的自評(píng)和互評(píng)，整個(gè)過程學(xué)生自主學(xué)習(xí)起主導(dǎo)作用。

六、教師定期開展教學(xué)研究活動(dòng)，提高教學(xué)水平

規(guī)范管理，大學(xué)物理的四位任課老師定期和不定期的開展教學(xué)研究的活動(dòng)，一般每周一次。討論教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、學(xué)生情況等，在交流、討論、爭論中提高教學(xué)水平。

七、結(jié)束語

綜上所述，物理學(xué)研究的進(jìn)展促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)材料科學(xué)中的問題也向物理學(xué)家提出意義深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)，材料和物理是緊密結(jié)合的，大學(xué)物理課程要與科技的快速發(fā)展同步，一成不變的教學(xué)思想已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)于培養(yǎng)人才的要求，材料專業(yè)的大學(xué)物理的教學(xué)改革勢(shì)在必行。通過對(duì)大學(xué)物理課程的一系列改革，不僅可以讓學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)大學(xué)物理，緊密的聯(lián)系學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，緊跟科技前沿，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力。因此，教師在教學(xué)中要注重物理知識(shí)與材料知識(shí)的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)與材料專業(yè)教學(xué)的銜接。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)加深對(duì)大學(xué)物理與專業(yè)課之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，使材料知識(shí)與物理知識(shí)相輔相成、互相促進(jìn)。

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