劉奕軒，司宗國，高 琨

(山東大學(xué) 物理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

力學(xué)課程作為高校物理專業(yè)的入門課程，其課程內(nèi)容與中學(xué)物理有較大重合. 不同之處主要是中學(xué)物理的力學(xué)規(guī)律局限于特殊條件(如：勻變速直線運動、恒力做功等)，而高校力學(xué)課程則是延伸至一般規(guī)律. 因此，高校力學(xué)課程的首要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生從實際出發(fā)，將所學(xué)力學(xué)概念和規(guī)律應(yīng)用到一般條件，嘗試解決更多的實際問題[1]. 這一理念與高等教育所倡導(dǎo)的培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)相契合. 那么，如何發(fā)揮力學(xué)教學(xué)的課程特點和優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生積極轉(zhuǎn)換思維模式、強(qiáng)化創(chuàng)新意識，成為當(dāng)前力學(xué)教學(xué)急待解決的問題[2]. 要解決這一問題，在教學(xué)過程中就應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生“做自己的老師”，正如陶行知先生所言：“好的先生不是教書，不是教學(xué)生，乃是教學(xué)生學(xué)”. 具體來說，就是要激發(fā)學(xué)生的主體意識，通過基礎(chǔ)與前沿的結(jié)合、理論與實踐的結(jié)合，積極提出問題，并帶著問題有目的性地學(xué)習(xí)(研究性學(xué)習(xí)). 為了更好地落實這一教學(xué)過程，本文擬開展教學(xué)研究，在深入調(diào)查當(dāng)前高校力學(xué)課程存在的問題及學(xué)生對力學(xué)教學(xué)所提建議的基礎(chǔ)上(學(xué)情分析)，探討力學(xué)課程改革設(shè)計的必要性和初步方案.

1 學(xué)情分析

通過與其他高校力學(xué)授課教師的討論及文獻(xiàn)調(diào)研，本文把高校力學(xué)教學(xué)中存在的問題主要歸納為三個方面：1) 由于課程內(nèi)容與中學(xué)物理有較大重合，學(xué)生自認(rèn)為相關(guān)的力學(xué)概念和規(guī)律都已基本掌握，導(dǎo)致對力學(xué)課程產(chǎn)生輕漫的態(tài)度；2) 教學(xué)排課時間基本是新生入學(xué)學(xué)期，受軍訓(xùn)和國慶假期等各種因素的影響，課時數(shù)不足，課程內(nèi)容不能滿足學(xué)生的需求；3) 教學(xué)過程中，學(xué)生存在著從中學(xué)延續(xù)下來的被動學(xué)習(xí)的習(xí)慣，同時，科研壓力導(dǎo)致授課教師更多地采用灌輸式教學(xué)，這與當(dāng)前提倡的“以學(xué)生為中心”及“研究性學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式顯然不符. 基于不同問題，各高校的教師提出了一些行之有效的方案，比如：整合學(xué)科知識，進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)[3]；采用同伴教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生的好奇心[4]；調(diào)整教師評價標(biāo)準(zhǔn)和成績考核方式引導(dǎo)師生積極主動參與教學(xué)[5]. 這些方案為本校的力學(xué)教學(xué)提供了有益參考，但考慮到實際情況，仍需對本校的力學(xué)教學(xué)進(jìn)行針對性的調(diào)查和總結(jié).

目前，本課程使用的主修教材是北京師范大學(xué)漆安慎和杜嬋英老師編著的《力學(xué)》(第三版)，輔修教材是吉林大學(xué)張漢壯老師編著的《力學(xué)》(第三版). 課程學(xué)時受軍訓(xùn)及假期影響一般為52～56學(xué)時，授課方式以PPT演示及講述為主，以板書公式推導(dǎo)及習(xí)題分析為輔. 課程緒論一般為2學(xué)時，主要介紹物理學(xué)和力學(xué)的發(fā)展、力學(xué)在物理專業(yè)課程體系中的位置、大學(xué)力學(xué)和中學(xué)力學(xué)的聯(lián)系和區(qū)別、力學(xué)的學(xué)習(xí)方法(包括微積分和矢量的使用). 課程內(nèi)容主要包括：質(zhì)點運動學(xué)、動量·牛頓運動定律·動量守恒定律、動能和勢能、角動量、萬有引力定律、剛體力學(xué)、振動和波動(波動僅包括簡諧波及其相干疊加). 課程考核方式為平時成績(作業(yè)、期中及考勤情況，占比20%)和期末成績(占比80%).

為了深入了解本校物理專業(yè)學(xué)生對當(dāng)前力學(xué)課程的認(rèn)同度，首先精心編制了《山東大學(xué)物理班力學(xué)課程教學(xué)調(diào)查問卷》，調(diào)查內(nèi)容包括：課程基本情況、課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)狀態(tài). 2021年3月，通過問卷星軟件面向2017—2020級4個年級的學(xué)生進(jìn)行了發(fā)放，歷時12天，共收回答卷165份(除去申請免聽的學(xué)生，有效答卷141份). 同時，針對問卷無法深入了解的問題，設(shè)計了訪談提綱，在每個年級中挑選代表進(jìn)行了訪談?wù){(diào)查. 最終，基于回收答卷和訪談記錄的統(tǒng)計，對本校力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了學(xué)情分析.

1.1 課程基本情況

力學(xué)課程對于物理專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，對此，89.37%的學(xué)生表示認(rèn)同，而仍有10.63%的學(xué)生不認(rèn)同. 對于當(dāng)前課程內(nèi)容的整體難度，75.89%的學(xué)生認(rèn)為適中，1.42%的學(xué)生認(rèn)為較大，而22.69%的學(xué)生認(rèn)為較小. 對于當(dāng)前課程的授課方式，40.43%的學(xué)生表示非常贊同，50.35%的學(xué)生表示比較贊同，而9.22%的學(xué)生表示不贊同. 對于當(dāng)前課程的考核方式，53.19%的學(xué)生表示完全贊同，29.08%的學(xué)生表示可以適當(dāng)提高平時成績比例，17.73%的學(xué)生認(rèn)為除了作業(yè)、期中和考勤之外，還可以加入更多元的平時考核方式，如：課堂抽測、課堂參與度等. 通過這些基本數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前力學(xué)課程盡管能夠滿足大部分學(xué)生的需求，但仍存在較大的提升空間. 下面將針對課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)狀態(tài)分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，為課程的改革設(shè)計提供方向.

1.2 課程內(nèi)容

(1)

其中，N為有效答卷份數(shù)(N=141). 第6列給出了各章內(nèi)容的平均綜合得分，得分越高的內(nèi)容對應(yīng)其難度越大，反之越小. 可見，學(xué)生反映質(zhì)點運動學(xué)和萬有引力定律難度較小.

表1 與中學(xué)力學(xué)重合度較高的四章課程內(nèi)容難度統(tǒng)計表

為了解學(xué)生對課程內(nèi)容改革方向的期望，本研究設(shè)計了選擇題(可選擇1-2項)，選項包括：A 更詳細(xì)的公式推導(dǎo)；B 更多的習(xí)題練習(xí)和講解；C 更多相關(guān)現(xiàn)象的結(jié)合與分析；D 拓展教學(xué)內(nèi)容至其他章節(jié). 統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示，希望“更詳細(xì)的公式推導(dǎo)”“更多的習(xí)題練習(xí)和講解”“拓展教學(xué)內(nèi)容至其他章節(jié)”的學(xué)生占比相似(均未超過50%)，而近60%的學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該增加“更多相關(guān)現(xiàn)象的結(jié)合與分析”. 可見，學(xué)生更希望在教學(xué)內(nèi)容中融入更多的實際問題，這恰與教學(xué)改革的初衷相吻合. 對于“拓展教學(xué)內(nèi)容至其他章節(jié)”，本研究針對學(xué)生對相對論簡介和流體力學(xué)的興趣度進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對相對論簡介的興趣度更高. 另外，通過訪談，學(xué)生提議使用更多的輔助教材，比如：趙凱華老師的《新概念物理教程 力學(xué)》[6]、趙亞溥老師的《力學(xué)講義》、楊維纮老師的《力學(xué)與理論力學(xué)》. 特別是，授課過程中，在引入相關(guān)概念和物理規(guī)律時，學(xué)生提議可以穿插相關(guān)物理學(xué)史的介紹，這有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識.

圖1 課程內(nèi)容改革方向的統(tǒng)計：A：更詳細(xì)的公式推導(dǎo)；B：更多的習(xí)題練習(xí)和講解；C：更多相關(guān)現(xiàn)象的結(jié)合與分析；D：拓展教學(xué)內(nèi)容至其他章節(jié)

1.3 學(xué)習(xí)狀態(tài)

為了解學(xué)生在以講授為主的課堂上的學(xué)習(xí)狀態(tài)，本研究進(jìn)行了調(diào)查. 超過50%的學(xué)生反饋不能時刻跟隨老師的思路，而對于存在的問題，這些學(xué)生中僅有13.48%會主動與老師交流，尋求解決，有35.46%選擇和學(xué)生討論，多達(dá)51.06%選擇借助網(wǎng)課或其它資料. 這些數(shù)據(jù)首先反映出學(xué)生課前預(yù)習(xí)不夠或效果不好. 此外，學(xué)生更傾向于通過獨立學(xué)習(xí)解決問題. 這反映出學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)的意識，但同時也應(yīng)考慮建立更有效的師生交流渠道. 通過預(yù)習(xí)情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：高達(dá)64.54%的學(xué)生基本不預(yù)習(xí)，23.4%的學(xué)生通過主輔修教材預(yù)習(xí)，還有12.06%的學(xué)生通過網(wǎng)課預(yù)習(xí). 特別是，結(jié)合預(yù)習(xí)情況分析學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)：在課堂上能時刻跟隨老師思路的學(xué)生中(A)，有超過60%通過主輔修教材進(jìn)行預(yù)習(xí)；而在課堂上有時跟不上老師思路的學(xué)生中(B)，有超過70%通過網(wǎng)絡(luò)課程預(yù)習(xí). 綜合分析，需要提高學(xué)生課前預(yù)習(xí)的積極性，同時應(yīng)該推薦與教學(xué)內(nèi)容更匹配的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)課資源或由授課教師建設(shè)網(wǎng)課資源.

A：能時刻跟隨老師的思路 B：不能時刻跟隨老師的思路圖2 課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)與預(yù)習(xí)情況的交叉統(tǒng)計.

對于課后復(fù)習(xí)情況，僅有8.51%的學(xué)生能每次課后都復(fù)習(xí)，58.16%的學(xué)生偶爾復(fù)習(xí)，而33.33%的學(xué)生進(jìn)入考試周后才會復(fù)習(xí). 同時，結(jié)合作業(yè)完成情況的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)：僅有56.03%的學(xué)生能獨立完成作業(yè)，43.97%的學(xué)生無法獨立完成作業(yè). 由此可見，學(xué)生對于課堂上講授的課程內(nèi)容理解和消化不夠，需要借助復(fù)習(xí)進(jìn)一步鞏固和拓展. 而如何提高學(xué)生復(fù)習(xí)的積極性或通過何種手段督促學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)是需要考慮的問題.

通過學(xué)情分析，可以看到本校物理班力學(xué)課程教學(xué)還具有很大的提升空間，教學(xué)改革勢在必行. 教學(xué)改革的核心是在進(jìn)一步充實和整合教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過授課方式和考核評價的設(shè)計提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課堂參與度，培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生“研究性學(xué)習(xí)”的學(xué)習(xí)習(xí)慣.

2 教學(xué)設(shè)計

2.1 課程內(nèi)容

擬將課程內(nèi)容按難度進(jìn)行分級，包括I、II、III三個等級：I等級的課程內(nèi)容是不同于中學(xué)課程的全新概念(角動量、剛體力學(xué)、振動和波動，等)，需要由授課教師在課堂上進(jìn)行系統(tǒng)講授；II等級的課程內(nèi)容是與中學(xué)課程有一定重合度，但學(xué)生反映難度較大(表1中的動量·牛頓運動定律·動量守恒定律、動能和勢能)，需要由授課教師課前提供優(yōu)質(zhì)網(wǎng)課資源供學(xué)生預(yù)習(xí)，然后教師對相關(guān)知識點進(jìn)行串講和應(yīng)用舉例；III等級的課程內(nèi)容是與中學(xué)課程有較大重合度，且學(xué)生反映難度較小(表1中的質(zhì)點運動學(xué)、萬有引力定律)，需要學(xué)生課前通過網(wǎng)課資源進(jìn)行自學(xué)，授課教師不必對知識點進(jìn)行串講，直接以問題為導(dǎo)向，通過列舉和求解典型問題幫助學(xué)生加深理解.

通過課程內(nèi)容分級，一方面針對不同難度的課程內(nèi)容采用不同模式的教學(xué)方法，另一方面擬將II和III等級的課程內(nèi)容進(jìn)行不同程度的課時壓縮，實現(xiàn)課程內(nèi)容的拓展. 對于拓展的課程內(nèi)容，通過問卷調(diào)查，近60%的學(xué)生希望“更多相關(guān)現(xiàn)象的結(jié)合與分析”，還可以穿插“相關(guān)物理學(xué)史的介紹”. 基于此，需要在教學(xué)過程中把更多的生活現(xiàn)象或應(yīng)用與相關(guān)物理概念和規(guī)律相結(jié)合，讓學(xué)生能更多地理論聯(lián)系實際，或從實際問題出發(fā)主動尋求理論依據(jù). 比如：南北半球水流漩渦或颶風(fēng)的旋轉(zhuǎn)方向為什么相反？說明什么？在具體應(yīng)用中，有什么啟示？在引入重要概念或規(guī)律時，還可以圍繞它們的建立及發(fā)展，介紹相關(guān)的人物和趣事. 比如：針對牛頓運動定律的適用范圍，可以圍繞經(jīng)典力學(xué)至量子力學(xué)和相對論力學(xué)發(fā)展過程中的核心問題、典型人物及相關(guān)貢獻(xiàn)給學(xué)生做簡要介紹. 一方面，讓學(xué)生對經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和框架有更深入的理解，另一方面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生從問題出發(fā)的學(xué)習(xí)意識. 此外，根據(jù)調(diào)查問卷的結(jié)果和教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性，擬將相對論簡介中的狹義相對論部分充實到教學(xué)中.

2.2 授課方式

2.2.1 預(yù)習(xí)和前測

根據(jù)問卷調(diào)查和訪談結(jié)果，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)存在較大問題. 基于此，一方面以班級為單位建立力學(xué)課程微信群，提前1～2天將課件上傳；另一方面，擬通過MOOC或雨課堂等網(wǎng)課平臺，推薦或自建教學(xué)視頻，供學(xué)生預(yù)習(xí)使用[7]. 如此，可以有效解決多數(shù)學(xué)生因為盲目尋找網(wǎng)課資源預(yù)習(xí)而導(dǎo)致的課堂教學(xué)效果不好的問題.

同時，針對前文提到的不同等級的課程內(nèi)容，可以在微信群或網(wǎng)課平臺上預(yù)先設(shè)置不同難度的問題，讓學(xué)生課前查找相關(guān)資料，嘗試解決問題，并將問題的答案提交至相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺. 隨后，根據(jù)學(xué)生的作答情況對授課內(nèi)容做針對性調(diào)整，并通過課堂對這些問題進(jìn)行詳細(xì)地講解. 這既可以通過問題引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，又可以在課堂上實現(xiàn)以問題為導(dǎo)向的知識點講解.

2.2.2 授課及答疑

前面，通過課程內(nèi)容分級，擬針對不同級別的課程內(nèi)容采用不同的授課方式：I等級的課程內(nèi)容需要在課堂上進(jìn)行系統(tǒng)講授；II等級的課程內(nèi)容需要對相關(guān)知識點進(jìn)行串講和應(yīng)用舉例；III等級的課程內(nèi)容主要由學(xué)生自學(xué)，僅需授課教師以問題為導(dǎo)向幫助學(xué)生加深理解和熟練運用. 同時，為了提升學(xué)生在平時學(xué)習(xí)過程中的積極性和參與度，可以考慮引入翻轉(zhuǎn)課堂. 對此，本研究征求了學(xué)生的意見，發(fā)現(xiàn)62.41%的學(xué)生支持“僅挑選小部分內(nèi)容采用翻轉(zhuǎn)課堂的授課方式”. 基于此，擬從II等級和III等級的課程內(nèi)容中挑選知識點做成翻轉(zhuǎn)課堂，通過學(xué)生課外查找資料、解決問題，課內(nèi)以小組為單位進(jìn)行討論匯報的形式，提高學(xué)生的課堂參與度[8].

此外，為了督促學(xué)生對所學(xué)知識及時復(fù)習(xí)，擬劃定固定的課外時間進(jìn)行答疑討論. 答疑期間，鼓勵全體學(xué)生提問，針對較為淺顯的問題，采用鼓勵、引導(dǎo)的方式幫助學(xué)生挖掘更深層次的問題；針對有價值的問題，鼓勵全體學(xué)生參與討論(分組形式). 如此，使答疑不再是授課教師單方面輸出的過程，而是全體師生交流討論的過程. 這在提高學(xué)生復(fù)習(xí)積極性的基礎(chǔ)上，無形中培養(yǎng)了學(xué)生提出問題和解決問題的能力.

2.3 考核評價

為了更加全面地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，及保障授課過程的有效進(jìn)行，需要對原有的考核方式進(jìn)行改革，核心是采用更加多元化的評價方式，重點提升學(xué)生平時表現(xiàn)在考核中的比重.

1) 針對學(xué)生的課堂前測環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生對預(yù)設(shè)問題解答的完成度分別評級(優(yōu)秀、良好、合格、不合格)，以一定比例計入平時成績；

2) 對于翻轉(zhuǎn)課堂部分，授課教師和學(xué)生共同對各匯報小組進(jìn)行評級(優(yōu)秀、良好、合格、不合格)，根據(jù)情況設(shè)定比例，計入平時成績；

3) 針對課后作業(yè)，根據(jù)完成度為學(xué)生進(jìn)行評級(優(yōu)秀、良好、合格、不合格)，以一定比例計入平時成績；

4) 根據(jù)學(xué)生的建議，擬增加課堂小測和單元測驗，這種形成性評價有助于學(xué)生及時了解自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，從而做出調(diào)整，以測促學(xué). 同時，課堂小測和單元測驗的成績以適當(dāng)比例計入平時成績；

5) 針對期末考試，增加開放性問題，考察學(xué)生提出問題和解決問題的能力. 同時，縮減期末考試在最終考核當(dāng)中的分?jǐn)?shù)比例，使考核評價更加全面.

3 總結(jié)

本文采用問卷調(diào)查結(jié)合訪談?wù){(diào)查的方法，首先對本校物理班力學(xué)課程進(jìn)行了學(xué)情分析，重點對存在的問題進(jìn)行了總結(jié)，獲得了學(xué)生對于課程教學(xué)改革的期望與建議. 然后，本文圍繞“如何更好地落實以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式”這一核心問題，從教學(xué)內(nèi)容、授課方式和考核評價3個方面進(jìn)行了分析，并提出了初步方案. 通過課程改革設(shè)計，希望能讓學(xué)生更好地認(rèn)識到力學(xué)課程對于物理專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要性，積極轉(zhuǎn)換思維模式、強(qiáng)化創(chuàng)新意識，養(yǎng)成以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)習(xí)慣，從而提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力. 最終，在提升本校力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的同時，希望能對其他高校的力學(xué)教學(xué)提供一定參考.