物理教學多維度改革與實踐

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［摘要］在新工科及雙一流建設的背景下，教師需探索出一套適合創新能力培養的行之有效的大學物理教學方案：以培養學生提出問題、分析問題與解決問題的能力為基本目標，以解決實際問題為載體學習科學研究的方法，在物理教學中激發學生的內在學習興趣，提高學生自主學習的意識與潛能，培養學生研究性學習能力與創新能力。經過多年的教學實踐證明，建立教、學、實踐“一體化”的新型教學模式，不僅能促進學生知識應用能力的提高，也能促進學生研究性創新能力的提高。

［關鍵詞］研究性學習；創新能力培養；物理教學模式

近年來，國家對工程人才的要求越來越高，需求越來越大，工程教育改革迫在眉睫。“新工科”建設在這樣的背景下應運而生。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，以期培養未來多元化、創新型的卓越工程人才。同時，世界一流大學和一流學科建設，簡稱“雙一流”，是中共中央國務院做出的重大戰略決策，亦是中國高等教育領域繼“211工程”“985工程”之后的又一國家戰略，有利于提升中國高等教育綜合實力和國際競爭力，為實現“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢提供有力支撐。為實現“新工科”建設和“雙一流”建設目標，高校的主要任務就是培養拔尖創新人才及提升科學研究水平。高等教育的根本任務是人才培養，即不僅要培養高素質、厚基礎的人才，更要培養具有實踐能力與研究性創新型的高質量人才。學生是學校培養的主體，教學工作要以學生為主開展。因此，以人才培養為目標的一切教學活動應以學生為中心是學校教學行為的一個基本教學理念。“以學生為中心”的教學本質應該是在教師指導下的學生自主型研究性的學習，這一模式強調在教師引導與激勵下的學生自主學習、創新實踐和綜合發展。其核心是充分激發學生內在學習興趣和動力，教師不僅傳道、受業、解惑，更肩負激發學生主動探究興趣、培養學生實踐能力和創新精神的重任。因此，教師應對課程講授方式開展多模式的改革與嘗試，以促進高等教育進入全面提高質量、內涵建設、協同創新的發展階段。同時，創新意識與創新能力的培養也是落實科學發展與實現科技強國戰略的迫切需要，是21世紀中國高等教育改革的熱點與重點問題。德國大學將科學研究引進教學過程的改革使德國在幾十年內一躍而成為擁有世界上最先進大學制度的國家。美國大學創造性地繼承了德國大學的做法，建立了歷史上第一所研究型大學——約翰·霍普金斯大學，更加強調研究在大學教學中的地位和作用。但是由于長期以來研究型大學過分強調教師的研究，以及高等教育大眾化的到來等原因，導致了教學與研究從統一走向分離，出現了重科研輕教學、知名教授極少給本科生上課、學生解決實際問題的能力下降等現象。后來美國開始重構大學本科研究型教育，各個大學紛紛創設或者擴展原有本科教學計劃，形式多種多樣，如MIT的大學生研究計劃、獨立活動計劃、工程實習項目、綜合研究項目、回歸工程計劃以及新生研究指導計劃等。近年來，歐洲研究型大學逐漸認識到，大學的科學研究必須與本科教育緊密結合，本科生教育不能孤立于研究活動之外，應該成為大學不可分割的組成部分。我國研究型大學近年來在課程教學和實踐教學等方面開展了本科研究性教學的實踐活動，如清華大學實施本科生“學生研究訓練”，浙江大學增設綜合性、研究型、項目化課程及實施大學科研訓練計劃等。物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式、相互作用及其轉化規律的學科。它的基本理論滲透到自然科學的各個領域，應用于生產技術的許多部門，是自然科學和工程技術的基礎。以物理學基礎為內容的大學物理課程，是高等學校理工科學生一門重要的通識性必修基礎課，該課程所講授的重要的基本概念、基本理論和基本方法是學生科學素質的重要組成部分，是一個科學工作者和技術人員所必備的。大學物理蘊含著極其豐富的創新思維，從古希臘的亞里士多德、阿基米德到伽利略、牛頓，再到近代物理的普蘭克、愛因斯坦等，這些物理學家們的創新性思維推動了人類科學的進步。正如主席指出,當前世界正處在新科技革命和產業革命的交匯點上，科學技術在廣泛交叉和深度融合中不斷創新。而我國能否從科技大國走向科技強國的關鍵在于人才培養的質量高低，而大學物理教學在創新人才培養方面應該發揮獨特的重要作用。雖然近些年隨著大學物理教學改革的不斷深入，大學物理教學在教學內容、教學方法和手段等方面都有了很大的改進和提高，但是仍存在許多不足，無法滿足新工科背景下人才培養的需要。教學內容上，盡管大多高校都加強了近、現代物理內容的教學，但在用現代物理觀點審視和改革經典物理、用普通物理方法闡述近代物理以及在經典物理中增加應用技術內容等方面明顯不足，無法真正貫徹和實現“普通物理現代化和現代物理普通化”的思想，更不利于培養學生的工程能力和創新能力。在教學方法和手段上，盡管大多高校都嘗試采用了參與式、討論式、滲透式等多種先進的教學方法，但總體上仍主要以“灌輸式”方法為主，整體教學效果并不理想。針對目前大學物理教學的現狀，如何在教學內容、教學方法和手段、提高教師工程素質等方面進行全方位改革，真正發揮大學物理課程在培養和提高學生創新能力與科學素質方面的優勢，實現大學物理在跨界復合人才培養上的支撐指導作用，是目前我國高等學校新工科建設面臨的緊迫任務。因此，本文從大學物理“教什么”“怎么教”兩個核心層面，探討新工科背景下跨界創新人才培養及各個專業工程教育認證對大學物理教學提出的要求，以及與之相適應的改革，以便促進大學物理整體教學水平的不斷提高。

一、教與學模式的改革——研究性教學模式

（一）問題導入式教學模式

學習始于學習者的注意，而影響注意的一個重要因素就是興趣，興趣是學生積極探究某些事物產生與發展的動力。一個實際生活中的問題可以很好地激發學生的興趣與好奇心。我們改變了傳統的教學模式，采用以問題研究為導向，圍繞系列綜合物理現象展開物理教學和實踐的教學模式。例如：圍繞“望遠鏡”相關現象，將單透鏡望遠鏡、伽利略望遠鏡、開普勒望遠鏡的制作和幾何光學、波動光學中光學成像的放大率、清晰度、分辨率等相關知識相結合展開學習；圍繞“氣球降溫——冷氣球”和“熱表面水珠的萊氏星星”現象和形成機理，將熱學中體積功、熱傳遞、熱力學第一定律、熱力學第二定律和流體相關的基礎知識和實踐相結合……近5年來，我們總結了80多個這樣具有代表性的趣味現象及其相關的理論和實踐教學方案，在教學中鼓勵引導學生去思考實際問題的物理本質，把所學物理學原理與實際生活相結合，即從如何分析問題到對實際問題進行簡化近似、建立數學模型和概念模型，再到運用相應物理學原理來解決問題等一系列分析處理方法。學生反映這樣的教學模式使自己很容易理解所學物理學的各項原理，再也不需要生硬地記憶各種定律的公式了。

（二）采用同伴教學法采用同伴教學法，實現課堂翻轉

在傳統的講授教學方法中，學生是被動的傾聽者、接受者，他們的注意力主要集中在對知識點的掌握上，而不是對知識的探究式學習上。同伴教學法最先應用于哈佛大學的基礎物理課程中，變傳統單一的講授為基于問題的自主學習和學生之間的合作探究。教學中堅持以學生為主體、以教師為主導的教學理念。教師在教學過程中就精講的重點、難點、疑點和關鍵點等教學內容，啟迪學生的思維，營造一個師生互動、生生互動和激發學生學習興趣、引導學生探究及翻轉課堂的學習環境。教學中教師從學生現有的知識水平出發，通過一些影響學生認知能力的問題不斷地對學生進行激勵、喚醒與鼓舞，來引發學生學習的自主性，引導他們之間的合作學習，進而使其獲得新的認識和產生新的思想，達成思維、情感與意志的和諧發展。課堂教學中為學生設計了相互討論、合作學習的環節，讓學生有機會在相互爭辯、討論、交流中共同解決問題。這樣，他們會對物理概念形成更豐富、更深刻的理解，同時學會與他人進行合作、交流、協商和共享經驗。學生在與他人的相互接觸、相互影響之中，得到更完善的發展。教學中還注重鼓勵學生的質疑精神和批判性思維。我國一直有尊師重教良好風尚，學生很難去懷疑老師，學生不敢也不愛提問題，這就很大程度上制約了學生探究性思維及創新能力的培養。在實際教學中，我們鼓勵學生闡述自己觀點，傾聽別人的陳述和批評，在獲得更多信息的同時反思自己和別人的觀點，評價不同的概念和觀點的科學性，通過思辨得出新的結論，并清楚地表達自己的看法。具有這樣靈活性和適應性的學生，比起那些僅僅掌握了專門知識體系的學生，更有可能進行創新與創造。

二、實踐創新——構建創新第二課堂

（一）開設系列創新選修課

作為對大學物理課堂教學的實踐與創新能力培養的進一步深化，我們在全校范圍內分階段地開設“物理創新基礎（公共）—物理創新應用（公共）—物理創新設計（實踐）”教學和實踐一體化的創新課堂選修課。具體做法是采用每年從各國征集來的國際青年物理學家錦標賽的題目，圍繞解決給定的實際物理問題的基本知識、理論分析、實驗方案、結果討論等進行開放性的探索與研究，學生需對多個給定的物理實際問題在理論模型與實驗平臺搭建等方面展開一系列的合作及探究。這些題目貼近生活，開放度大、研究性強，考察面廣，很少甚至幾乎不設置限定性條件或參量，而是由學生在研究中充分調動開放性思維，考察各種不同的情況（實驗條件）、實驗參量等對研究結果的影響，沒有統一標準答案。其對于提高大學生的創新能力與綜合素質等方面發揮了獨特作用。

（二）實踐創新實踐創新：指導學生自制物理教學演示儀器

教育家蘇霍姆林斯基說：“上課要有趣，課上得有趣，學生就可以帶著一種高漲的、激動的情緒從事學習和思考，對前面展示的真理感到驚奇和震驚。”演示實驗不僅可以建立直觀的教學情境以激發學生進一步探索的興趣，還可以促進其將已掌握的理論知識運用于實驗現象分析。演示實驗在物理教學中的地位不可替代，甚至可以說一節物理課如果沒有演示實驗是不完整的，因此，可以說演示實驗是物理教學的重要輔助手段，也是提高物理教學效果的一種有效措施。而我校大學物理教學中演示實驗一直是空白的。我們利用創新第二課堂組織指導學生自己設計制作物理演示儀器。起初，學生感覺太難了，無從下手。在教師的指導下，他們慢慢產生了濃厚的興趣，對物理現象的好奇逐漸轉化為對物理知識探究學習的動力及不斷探索的積極性。從購買一件件材料部件開始，到最終搭建出可以展示預想或超出預想的實驗現象，學生的實踐動手能力、創新思維與創新能力得到了很大提高。他們的作品有基于半導體材料溫差電動勢的“手觸式蓄電池”、基于電磁學原理的“電磁阻尼演示儀”、基于超導材料的“磁懸浮列車演示儀”、基于波動光學的“多縫衍射花樣動態演示實時顯示裝置”等10余項裝置。

（三）創新成果和學術規范創新成果和學術規范：指導學生撰寫學術論文

指導學生撰寫學術論文是一項針對本科生的必要學術訓練，指導學生進行科學研究總結并用規范的學術語言寫成學術論文，這個過程完全不同于常見的知識傳授的應試教育過程，學生在掌握基本理論、基本知識和基本技能的基礎上綜合運用各方面知識進行首次學術創新的過程,也是全面提高本科生自身綜合素質和培養初級科研能力的過程，是必要的學術訓練和學術規范教育，是一種名副其實的創新教育過程，也是培養本科生創新意識和創新能力的有效途徑。依托開設的創新課堂，我們指導本科生撰寫學術研究成果，目前已在《大學物理》等刊物發表10余篇學術論文、申請獲批20余項實用新型專利；指導大學生參加創新創業訓練項目10余項、參加大學物理演示儀器設計競賽獲獎10余項。

三、以物理競賽為依托，加強創新能力培養

面對大學物理理論教學學時一再壓縮的新形勢，要提高教學質量，我們嘗試以大學生物理學術競賽為載體，將有限的課內教學延伸至課外的實踐探索，在實踐中培養學生的創新意識與創新能力。大學生物理學術競賽是借鑒國際青年物理學家錦標賽的模式，在全國高校本科學生中開展的一項學生團體學術賽事。該競賽擺脫應試教育的模式，體現知識學習與探索實踐相結合、物理學與日常生活相結合、學術能力與人際交往能力相結合、個人與團隊合作相結合的理念。每屆競賽都是在全世界范圍內的物理學家中征集題目，內容涵蓋力、熱、光、電等與日常生活或工程技術密切相關的實際物理問題，使學生認識到物理學不是抽象的理論體系，而是反映自然界甚至就是身邊的非常有趣且活生生的問題。題目具有開放性，即所有賽題都沒有現成的標準答案。學生在研究中，需要充分調動開放性思維，多次嘗試不同的實驗條件、采用不同的實驗方案、討論不同的實驗參量對實驗結果的影響等。也正因為如此，該項賽事非常具有挑戰性。我校已經連續6年舉辦了這項競賽，學生報名非常踴躍，參賽人數由首屆的39支隊伍增加到今年的130支參賽隊伍670多人，涵蓋了我校23個的理工科專業，不僅有作為主力的大二的學生，更是吸引了許多剛入學的大一新生。通過對競賽題目的探究，學生們主動獲取知識與信息的能力、建立物理與數學模型的能力、應用數值計算與仿真工具軟件的能力、采集與處理實驗數據的能力、邏輯推理能力與創新能力與綜合素質均會得到一個質的提升。

四、結語

研究性教學是運用科學研究的方式、思維來組織教學，激發學生的學習興趣和學習自主性和創造性，培養學生發現問題、解決問題的能力，提高學生的實踐、創新能力。我校經過幾年的探索，基于研究性學習與創新能力培養的物理教學模式改革取得了一定的成果，是培養學生創新思維和創造力的有效途徑。

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作者：何麗娟 李大偉 趙磊 陳春天 單位：哈爾濱理工大學