［摘 要］在“雙一流”建設(shè)背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)策略和模式已經(jīng)不利于高校理工科學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提升。搭建物理概念腳手架是一種潛在的替代方法，為了探究其在培養(yǎng)學(xué)生解決綜合實(shí)踐問題能力中的作用，文章提出了具體的實(shí)施策略，即以電動力學(xué)課程為依托，嘗試在教學(xué)中運(yùn)用物理概念腳手架解決一些典型的綜合實(shí)踐問題，將單一傳統(tǒng)教學(xué)模式發(fā)展為集教學(xué)、實(shí)踐、研究于一體的創(chuàng)新教學(xué)模式，進(jìn)而培養(yǎng)和提升本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

［關(guān)鍵詞］物理概念腳手架；電動力學(xué)； 教學(xué)改革；實(shí)施策略

［中圖分類號］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）01-0083-06

深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，是國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級的迫切需要，是推進(jìn)高等教育綜合改革、促進(jìn)高校畢業(yè)生更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)的重要舉措[1]。在新形勢下，高等教育應(yīng)適應(yīng)時代要求，更好地培養(yǎng)高素質(zhì)新型人才。而作為高等教育的中心任務(wù)——“教學(xué)”的主要模式更需要向如何有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高學(xué)生創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的新教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。

作為“雙一流”建設(shè)高校，太原理工大學(xué)的物理類專業(yè)包括應(yīng)用物理學(xué)和光信息科學(xué)與工程兩個本科專業(yè)。電動力學(xué)是物理類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課之一，工科中的電子工程、通信等專業(yè)開設(shè)的是電磁場理論課程。從大學(xué)素質(zhì)教育的作用和課程的結(jié)構(gòu)特色來看，電動力學(xué)課程屬于理工科專業(yè)中較能體現(xiàn)綜合素質(zhì)教育特色的課程之一。做好本課程的教學(xué)改革，對于培養(yǎng)應(yīng)用類人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力具有重要意義。

目前，部分理工科專業(yè)學(xué)生對電動力學(xué)有較大的畏學(xué)、怕學(xué)情緒，究其原因主要是電動力學(xué)的核心理論——麥克斯韋方程組中的許多概念較為抽象、難以理解，大量物理公式的推導(dǎo)涉及矢量場微分運(yùn)算，在一定程度上對學(xué)生的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)提出了較高要求。雖然電動力學(xué)解決的問題比較接近實(shí)際，但是學(xué)生要想真正理解和解決這些問題，需要一個較長的過程。

當(dāng)前，研究者主要致力于尋找一種新型高效的教學(xué)策略或模式來替代傳統(tǒng)教學(xué)策略或模式，進(jìn)而全面提高學(xué)生解決綜合實(shí)踐問題的能力。搭建物理概念腳手架是傳統(tǒng)教學(xué)策略的一種潛在替代方法，原因如下：一是可以幫助學(xué)生形成解決問題的有效思路和方法；二是可以幫助學(xué)生正確理解和運(yùn)用解決問題所需的關(guān)鍵知識。因此，物理概念腳手架的搭建備受國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注和重視。

一、搭建物理概念腳手架

搭建物理概念腳手架是指將解決綜合實(shí)踐問題所需的物理知識和方法進(jìn)行提煉，加工設(shè)計(jì)成幾個結(jié)構(gòu)遞進(jìn)或平行的簡單概念性問題，交由學(xué)生先行解答，為其之后解決綜合實(shí)踐問題搭橋鋪路[2- 3]。研究表明[4-5]，專家在解決綜合實(shí)踐問題時，往往會采取搭建物理概念腳手架的策略，即先定性地尋找基本概念和原理，然后詳細(xì)闡述，最后利用數(shù)理方程、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算與模擬等方法進(jìn)行定量分析并找到答案；與之相反，學(xué)生會從套用數(shù)理方程和算例開始，而非尋找并充分地理解其深層結(jié)構(gòu)（基本概念和原理）。從學(xué)生的角度來看，在解決各種類型綜合實(shí)踐問題的實(shí)踐中，傳統(tǒng)的章末練習(xí)是幫助他們學(xué)習(xí)和理解章節(jié)內(nèi)容最為常用的方法。但是，因?yàn)檎履┚毩?xí)僅覆蓋一個章節(jié)的內(nèi)容，所以局限性比較大。這種做法的結(jié)果是，即使學(xué)生做了大量的章末練習(xí)，也仍然無法形成一種行之有效的解決問題的方法[6]。

截至目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)探索了各種方法，激勵學(xué)生立足基本概念和原理，以解決物理綜合實(shí)踐問題。例如，拉金（Larkin）[3]使用“程序小冊子、個人測試和補(bǔ)救指導(dǎo)”來引導(dǎo)學(xué)生在解決直流電路問題時要專注于物理概念和原理。賴夫（Reif）等[7]設(shè)計(jì)了一個題為“個人學(xué)習(xí)援助”的計(jì)算機(jī)程序，以促進(jìn)學(xué)生形成重要的認(rèn)知技能，包括以原理為導(dǎo)向的決策。迪弗雷納（Dufresne）等[8-9]創(chuàng)建了一種基于計(jì)算機(jī)的“分層分析工具”，以幫助學(xué)生認(rèn)識深層的概念和原理。萊納德（Leonard）等[10]通過實(shí)施“策略寫作”，闡明涉及物理問題的基本概念?？崮罚↘anim）[11]則采用“橋接練習(xí)”來幫助學(xué)生理解概念，非公式化解決電學(xué)問題。辛格（Singh）[12]的一項(xiàng)研究表明，當(dāng)回答某一個定性問題時，可以與前面的類似量化問題作比較，使學(xué)生可以辨別它們之間的潛在聯(lián)系，從而使問題得以解決。許湘苗等[13-14]分別通過大學(xué)物理和電動力學(xué)中的具體實(shí)例，初步討論了在解決物理綜合問題時搭建物理概念腳手架的一些技巧。許童鈺[15]探討了物理綜合題的特點(diǎn)及分類。以上研究表明，通過“目標(biāo)培訓(xùn)”可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

為進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生在套用公式和運(yùn)用算例之前，能夠自覺地運(yùn)用相關(guān)的基本概念和運(yùn)用原理，課題組將每個綜合實(shí)踐問題轉(zhuǎn)化成一個序列，其中有至少兩個概念問題（多項(xiàng)選擇題）。這些概念問題與隨后需要解決的綜合實(shí)踐問題主要是作為“引導(dǎo)腳手架”，以激發(fā)學(xué)生對基本概念和原理的思考。

二、實(shí)施策略

如何提高本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，是當(dāng)今高校亟須解決的一個重要問題。課題組結(jié)合自身在長期的電動力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中獲得的經(jīng)驗(yàn)，針對上述問題進(jìn)行了系統(tǒng)全面深入的剖析和思考，并就物理概念腳手架策略在電動力學(xué)課程教學(xué)中的實(shí)踐提出了如下要求：嚴(yán)格依照課程大綱，借助物理概念腳手架這一輔助手段，合理編排和講授教學(xué)內(nèi)容，并科學(xué)地開展教學(xué)活動；以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)反哺科研，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，即培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高學(xué)生解決問題的綜合能力。這符合國家實(shí)施素質(zhì)教育、質(zhì)量工程的要求，是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要支撐，也是本課程考核的重要組成部分。

本研究的主要目的是探討在電動力學(xué)教學(xué)中，應(yīng)用物理概念腳手架策略對學(xué)生解決問題能力的形成產(chǎn)生的直接和持續(xù)性影響。主要內(nèi)容包括：一是研究接受和未接受物理概念腳手架指導(dǎo)的學(xué)生處理綜合實(shí)踐問題的效果；對比分析并評估引入概念腳手架帶來的直接影響。二是研究在為學(xué)生提供直接提示的條件下，即明確告知學(xué)生解決問題所需的基本概念和原理時，學(xué)生解決綜合實(shí)踐問題的情況；揭示采用直接提示和概念腳手架兩種策略產(chǎn)生的教學(xué)效果差異。三是研究在解決綜合實(shí)踐問題時，學(xué)生反復(fù)應(yīng)用物理概念腳手架解決問題的效果；闡明物理概念腳手架在被“移除”后，是否仍然對學(xué)生解決問題產(chǎn)生持續(xù)性的影響。

課題組采取一對一訪談、書面測試、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)以及科研探索等方式進(jìn)行研究，具體實(shí)施方案包括以下幾個方面。

（一）小范圍調(diào)查物理概念腳手架的直接影響

課題組在物理類專業(yè)部分本科生中開展研究，挑選12名本科生，將他們隨機(jī)分為兩組，即“腳手架組”和“普通組”，每組6人。針對“腳手架組”學(xué)生，課題組設(shè)計(jì)A、B、C三個問題。其中，問題A和B屬于概念性問題，并設(shè)置多項(xiàng)選擇題；問題C是基于問題A和B設(shè)置的綜合實(shí)踐問題，具有一定的開放性和探索性。

課題組要求“腳手架組”學(xué)生，先回答問題A和B，然后解答問題C。在解答問題C之前，教師會提醒學(xué)生注意概念性問題A和B與綜合實(shí)踐問題C之間可能存在的內(nèi)部聯(lián)系。與之相反，課題組不會為“普通組”學(xué)生提出任何概念性問題，而是要求他們直接解決綜合實(shí)踐問題C。

在此過程中，兩組學(xué)生都可以查閱課本、課堂筆記等資料，且每名學(xué)生都有足夠的時間完成任務(wù)。這里需要指出的是，在綜合實(shí)踐問題考查前期，課題組只要求學(xué)生提出解題思路，學(xué)生完善解決方案后，再將其提交給教師。最后，至少兩名研究人員獨(dú)立審核學(xué)生的解決方案，達(dá)成共識的方案可直接通過，少數(shù)有分歧的方案則由研究人員后續(xù)討論決定。

（二）大范圍調(diào)查物理概念腳手架的直接影響

經(jīng)過小范圍調(diào)查后，課題組在所有物理類專業(yè)本科生中開展研究。這部分的研究目標(biāo)主要有兩個：一是在大樣本中調(diào)查物理概念腳手架帶來的直接影響。二是在研究中增加“提示組”，并把“提示組”的結(jié)果與“腳手架組”的結(jié)果相比較。

課題組將學(xué)生隨機(jī)分為三組，即“腳手架組”“普通組”“提示組”。引導(dǎo)“腳手架組”學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)，通過個人或合作的方式，回答概念性問題A和B。具體為“腳手架組”學(xué)生在回答問題A和B時，必須用學(xué)過的物理概念和原理，且問題A和B涉及的計(jì)算方法，不能和隨后要解決的綜合實(shí)踐問題C的解法類似或者一樣，以此避免“模仿套用”帶來的問題。在回答完問題A和B后，要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)獨(dú)立解答綜合實(shí)踐問題C。在準(zhǔn)備解答問題C之前，教師會提示概念性問題A和B與綜合實(shí)踐問題C之間可能存在聯(lián)系，但不明確是否一定存在聯(lián)系或聯(lián)系的具體內(nèi)容?！捌胀ńM”學(xué)生不用回答概念性問題A和B，但需要與“腳手架組”學(xué)生在相同的時間內(nèi)，解決綜合實(shí)踐問題C?！疤崾窘M”學(xué)生也不用回答任何概念性問題，只需要與“腳手架組”學(xué)生在相同時間內(nèi)解決綜合實(shí)踐問題，但是他們在開始前會收到一個直接提示。

在此過程中，這三組學(xué)生都可以查閱課本、課堂筆記等資料。學(xué)生解決方案的評估標(biāo)準(zhǔn)具體為：一是基本概念。學(xué)生是否考慮過相關(guān)的基本概念和原理。任何形式的回應(yīng)，包括文字、符號或圖表，只要包含與基本概念和原理相關(guān)的一般表達(dá)或方程式，都將被視為達(dá)標(biāo)。二是概念延伸。學(xué)生是否能夠有意義地延伸基本概念，正確地解答問題。

在綜合實(shí)踐問題考查前期，課題組只要求學(xué)生提出解題思路，學(xué)生完善解決方案后，再將其提交給教師。最后，多名研究人員獨(dú)立審核學(xué)生的解決方案，達(dá)成共識的方案可直接通過，少數(shù)有分歧的方案則由研究人員后續(xù)討論決定。

（三）大范圍調(diào)查物理概念腳手架的持續(xù)性影響

前面兩項(xiàng)研究主要調(diào)查具有引導(dǎo)性的物理概念腳手架對學(xué)生解決綜合實(shí)踐問題的直接影響。當(dāng)前這部分研究旨在調(diào)查：第一，物理概念腳手架在被“移除”后，是否仍然存在持續(xù)影響；第二，反復(fù)解決綜合實(shí)踐問題，是否有助于提升學(xué)生解決綜合實(shí)踐問題的能力。后者實(shí)質(zhì)上是評估物理概念腳手架對學(xué)生知識遷移能力的影響，這是他們?nèi)蘸筮M(jìn)行深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

課題組將這些學(xué)生隨機(jī)分為三組，即“腳手架組”“普通組”“對照組”，并要求他們在前1/3學(xué)期時間內(nèi)，反復(fù)解決綜合實(shí)踐問題。在此期間，“腳手架組”學(xué)生在解決綜合實(shí)踐問題之前，可使用物理概念腳手架策略；要求“普通組”學(xué)生直接解決綜合實(shí)踐問題，不能使用物理概念腳手架策略；要求“對照組”學(xué)生解決一對教科書式的概念性問題，這一對概念性問題需與“腳手架組”和“普通組”學(xué)生解決的綜合實(shí)踐問題同屬相同的主題。

需要強(qiáng)調(diào)的是，“腳手架組”和“普通組”學(xué)生僅在訓(xùn)練期間解決綜合實(shí)踐問題，在余下的2/3學(xué)期時間內(nèi)，只需要做傳統(tǒng)的章末練習(xí)題。課題組布置的綜合實(shí)踐問題數(shù)量是章末練習(xí)題數(shù)量的兩倍。課題組只強(qiáng)化綜合實(shí)踐訓(xùn)練，而不是完全取代傳統(tǒng)的章末練習(xí)。

在結(jié)束綜合實(shí)踐訓(xùn)練后的一周內(nèi)，所有學(xué)生都被要求再次進(jìn)行綜合實(shí)踐題目的考核，需要直接解決問題，不會得到任何提示，也不能使用物理概念腳手架策略。最后，由至少兩名研究人員收集并獨(dú)立地分析、評估學(xué)生的解決方案。研究人員主要從以下三個方面著手：一是識別。學(xué)生是否能夠正確識別綜合實(shí)踐問題的物理圖像。二是考慮。學(xué)生是否考慮并使用了正確的基本概念和原理。三是擴(kuò)展。學(xué)生是否對正確的基本概念進(jìn)行了有意義的延伸。

這里仍然需要指出，在綜合實(shí)踐問題考查前期，課題組只要求學(xué)生提出解題思路，學(xué)生完善解決方案后，再將其提交給教師。最后，研究人員獨(dú)立審核學(xué)生的解決方案，達(dá)成共識的方案可直接通過，少數(shù)有分歧的方案則由研究人員后續(xù)討論決定。

三、綜合實(shí)踐問題案例

本研究中涉及的概念性和綜合實(shí)踐問題，是課題組根據(jù)電動力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容及其特點(diǎn)、難點(diǎn)設(shè)置的。課題組主要參考了國內(nèi)外幾本電動力學(xué)教材[16-21]，雖然每本教材的論述角度各有不同，但基本內(nèi)容大同小異，主要包括：電磁場的性質(zhì)、分布及其計(jì)算，電磁場的輻射與傳播規(guī)律，狹義相對論及高速帶電粒子電磁場的輻射特性，電磁場與物質(zhì)的相互作用。其特點(diǎn)與難點(diǎn)分別體現(xiàn)在：一是主要涉及靜電場、穩(wěn)恒磁場以及時變電磁場（包括似穩(wěn)場和迅變場）的性質(zhì)，難點(diǎn)在于如何利用麥克斯韋方程組及其邊值關(guān)系、邊界條件，給出不同電磁問題的定解。二是如何計(jì)算不同迅變電磁場的推遲勢、處理各種不同類型的天線輻射問題以及求解電磁波在不同類型波導(dǎo)管中的傳播特性和規(guī)律等。三是要理解愛因斯坦的狹義相對論，能夠利用狹義相對論的有關(guān)知識，正確求解高速帶電粒子的電磁場輻射等問題。四是內(nèi)容涉及一些較為深刻的物理思想以及各種相互作用機(jī)理，這為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維提供了良好的素材，在教學(xué)實(shí)踐中可以積極引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合物理概念腳手架策略，提出并討論一些相關(guān)的綜合實(shí)踐問題的解決方案。

（一）數(shù)值模擬

電動力學(xué)雖然屬于理論物理課，但是實(shí)際要運(yùn)用到大量較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識，為達(dá)到較好的教學(xué)效果，在具體的教學(xué)實(shí)踐中補(bǔ)充一些典型的教學(xué)案例就顯得尤為重要。通過這些典型的教學(xué)案例可以有效地幫助學(xué)生加深對電動力學(xué)抽象概念和規(guī)律的理解，為日后進(jìn)行創(chuàng)新性研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在物理概念腳手架策略的指導(dǎo)下，課題組針對教學(xué)基本內(nèi)容，初步選定了部分綜合實(shí)踐問題的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用案例（見表1）。

（二）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

目前，太原理工大學(xué)的學(xué)生能夠參與“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”等項(xiàng)目，還能參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、“挑戰(zhàn)杯”山西省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等活動。這些項(xiàng)目和競賽活動為學(xué)生參與課外實(shí)踐活動提供了良好的平臺。課題組在教學(xué)過程中，會積極引導(dǎo)學(xué)生主動將課程內(nèi)容與課外實(shí)踐活動相結(jié)合，尋找解決綜合實(shí)踐問題的突破口。為配合學(xué)生積極參與課外實(shí)踐活動，課題組初步選定了部分與課程密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用案例（見表2）。

（三）科研探索

綜合實(shí)踐問題的設(shè)計(jì)，應(yīng)緊緊圍繞課堂教學(xué)內(nèi)容，密切聯(lián)系科學(xué)技術(shù)前沿進(jìn)展，旨在激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣和積極性，最終提高學(xué)生解決綜合實(shí)踐問題的能力。因此，在物理概念腳手架策略的指導(dǎo)下，課題組針對教學(xué)基本內(nèi)容初步選定了部分綜合實(shí)踐問題的科研探索應(yīng)用案例（見表3）。

總之，課題組通過在電動力學(xué)教學(xué)中運(yùn)用物理概念腳手架策略解決上述一些典型的綜合實(shí)踐問題，使學(xué)生能夠做到理論聯(lián)系實(shí)際，深入理解和掌握知識，獲得更多的工程知識和技能，提高自身的理論水平和實(shí)踐應(yīng)用能力，同時，能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。通過擴(kuò)充課程以外的實(shí)驗(yàn)和討論環(huán)節(jié)，可以有效地提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，發(fā)揮其創(chuàng)造性潛能。在教學(xué)中引入科技探索性的綜合問題，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲，從而為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié) 語

綜上所述，本研究旨在揭示物理概念腳手架對學(xué)生處理綜合實(shí)踐問題能力培養(yǎng)的直接和持續(xù)影響；闡明在解決綜合實(shí)踐問題時，運(yùn)用直接提示和物理概念腳手架兩種不同策略后產(chǎn)生的教學(xué)效果差異；引導(dǎo)學(xué)生自覺運(yùn)用物理概念腳手架策略解決綜合實(shí)踐問題，掌握電動力學(xué)課程所包含的基本概念、原理以及求解方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決相關(guān)專業(yè)問題的能力，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和學(xué)以致用能力的目的。最后，將成果逐步擴(kuò)展至數(shù)學(xué)物理方法、量子力學(xué)、固體物理等其他基礎(chǔ)課程的教學(xué)中。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：蘇祎穎］