大学物理多元课堂教学方法的实践与探索

侯利洁 刘兴来 崔文丽 杨 艳 王建邦

(中北大学理学院,山西 太原 030051)



大学物理多元课堂教学方法的实践与探索

侯利洁 刘兴来 崔文丽 杨 艳 王建邦

(中北大学理学院,山西 太原 030051)

根据教育部本科专业人才培养质量评估指标体系,要求在课程建设中,积极改进教学方法与手段,采用启发式、探究式、讨论式、参与式教学方法.本文探讨在大学物理课堂教学中,根据不同章节教学内容与学生实际,采用上述先进的教学方法以提高教学质量的实践与探索.通过实践,有效地转变学生由接受性学习方式到多样化学习方式,同时教师由注入式的教学行为到启发式、讨论式的教学,提高大学物理课堂教学质量.

大学物理；多元课堂教学；探索

目前,课堂教学方法改革[1]是我国高等学校本科教学改革最“接地气”的一环.正如教育部周远清所指出的“没有什么时候比现在对教学方法改革的要求更为迫切、更为强烈了”“教学方法的大改革,可能是今后深化教学改革、质量大提高的一个切入点和突破口”.牛津大学的那句话说得好： “导师在学生面前喷烟,直到把学生心里的火把点燃”,课堂教学中,教师如何“在学生面前喷烟”,点燃“学生心里的火把”,把教材中“冰冷的美丽”的知识点,转化为课堂上学生“火热的思考”？本文探索灵活运用各种教学方法来提高大学物理课堂教学质量的实践与探索.

1 学生课前预习与参与式方法

学生是否主动参与课堂教学,是保证上课效果的关键.但学生要主动参与而不是被动接收,关键是要做到课前预习,带着预习中对教学内容的了解与问题来到课堂,才有可能主动参与老师设计的各种教学环节.对于侧重介绍物理实验的知识点,学生通过预习可以掌握一部分内容,这时采用学生参与式的教学方法容易获得成功.例如,光电效应的实验现象与规律,学生对教材[2]上的陈述并不难理解,且学生有普朗克能量子量子化的概念和相对论的基础,加之数学处理也不复杂,这时让学生上讲台,或简介本节主要知识点,或在黑板上提出预习中存在的问题,之后教师根据学生的陈述或表述,组织课堂讨论.讨论中教师不必总是站在讲台上面,而站在学生的旁边或后面,或听学生表述见解,或做学生的助手,或成全他们陈述想表达的观点、看法,不怕这些观点、看法是否很准确,不怕这些陈述不十分完整,教师及时的“点拨”,往往能引起学生们的高度关注,达到预想不到的效果。引导、组织学生参与课堂教学时,教师可灵活采用多种方法,一是教师以点名方式组织全体学生参与讨论；二是让学生到讲台上回答其他学生发问或教师的提问；三是教师挑选出问题,让学生自由起立回答；四是教师在学生讨论的基础上,补充、点拨与小结相关问题的物理思想、物理方法、物理概念与物理规律.由于预习是学生参与课堂教学的基础,我校化工与环境学院13级一位学生说“从不预习的我逐渐学会了预习,或许,这也是我一年来最大的收获了”.她从切身体会中总结了预习的5点好处:(1)上课不再盲目,做到有的放矢.特别是老师上课方式[3],不预习直接听很费力,效果不佳.(2)预习时就找出问题,而后分析研究问题,解决不了的写在提问纸上[4],后来分析能力也慢慢提高了,大脑里的问号才不会越积越多.(3)提高了能力.一方面是自学能力,由被动学到自学是一个很大的提高,刚开始的一个礼拜的确感到有点吃力,但最后自学变成了一种习惯,不预习心里就不踏实,与其这样,干脆选择提前预习,让上课变得快乐一点；另一方面便是提炼能力,两节的内容要在10分钟内讲完,随便预习一下只能照着课本念书,因此语言必须简炼,不能拖泥带水.(4)主动预习后,课堂积极回答问题,进入了一个良性循环,信心增强.(5)抓紧了时间,一周23节大课,所以只能利用周六日的时间来预习.我校信息工程学院13级的一位学生也这样说：“我认为对我影响最大的是预习.”

2 例题、习题的讨论式方法

除在学生预习基础上组织学生参与式教学方法外,有的教学内容侧重在特定物理过程中理解与应用物理知识点,例题与习题就是这类知识点的典型.围绕形式化的例题或习题,可以在课堂上组织学生讨论、争辩、做答案.例如,在学习半导体掺杂能级计算[5]时,有一道习题是,已知GaAs的相对介电常数εr=10.4,若取m*=0.07me,me为电子的静止质量,试确定GaAs中施主的电离能.在批改学生作业时,发现学生就这道题画出3种不同的原理图,但3种图都不规范.如第一种图在半导体价带中未标出空穴(价带不是满带),第二种图是以氢原子结构图原封不动表示类氢原子(5价原子不同于氢原子),第三种图是以原子能级图代替固体能带图.我们抓住这个习题,在上课时请这3位学生在黑板上分别画出各自的图,然后组织全班学生讨论.每张图有何缺陷？正确的原理图是什么？通过对3幅图的讨论,教师了解了学生,学生了解了自己.我们发现在课堂讨论中,安排一定时间选几个有代表性解法(无论正确与否)的学生,到黑板上画图或写公式表述他们的想法与算法,然后,或让计算正确的学生当场讲解,或组织学生结合自己的作业本讨论,哪是正确,为什么？哪是错误,为什么(控制好时间,点到为止)？只要问题突出,组织得法,可以说,课堂上学生的注意力、思维、兴趣达到极至.

3 深度思考与探究式方法

在学习原子核的结合能时有学生问:一个自由质子与一个自由中子结合成氘核时质量数守恒,如何理解这一过程还有质量亏损？这是一个很有深度的问题,按常规应由教师回答,但教师没有直接回答,而是以师生问答方式组织学生参与讨论.教师首先问什么是质量数？学生都能回答.接着问什么是质量数守恒？学生也能从一个自由质子与一个自由中子结合成氘核核反应方程中找到答案.什么是质量亏损？学生也能顺利地从教材中找到答案.然后问出现质量亏损是否质量不守恒？教材中已指出如果考虑到一个自由质子与一个自由中子结合氘核时放出的γ光子的动质量,此系统反应前后总质量是守恒的.在此基础上回到学生提出的上述问题,引导学生回顾相对论中静质量、动质量、总质量的概念,之后告诉学生注意质子与中子的质量数只是静质量的整数表述,是静质量的近似描述,质量数守恒只表明核反应前后核子数的整数关系,而核子质量整数(质量数)之外的那一部分,在核反应中因核子相互作用而发生了变化,这一变化就是质量亏损的原因,也是核子有无相互作用的表现.学生提出的类似问题还很多,要不要在课堂上组织学生进行探究、能不能组织学生在课堂上探究呢？我们的看法是,即使在地方院校大学物理课程层面上,应该多给学生提供探究式学习的机会.理由很简单,通过学生自己的思考与实践,用同样的方法处理不同的问题,发现其中的差异并解决之,会起到事半功倍的效果.如在激光原理那一章,介绍了如何描述自发辐射与受激吸收的概率之后,将受激辐射的概率描述交由学生来做.学生说： “我不断地体验到了其中的乐趣”.

4 抽象思维与启发式方法

广义的启发式是一种教学原则,以上介绍的参与式、讨论式与探究式诸方法中都离不开贯彻启发式教学原则.狭义的启发式是一种教学方法,它也是广大教师在教学改革中关注的教学方法之一.在大学物理中不乏需要应用几何、代数、分析的数学语言处理相对抽象的知识点；不乏需要从微观角度分析宏观物理现象机理的知识点；不乏需要从物质的不同层次的相互作用、运动与结构中来认识事物的知识点；不乏需要从在特定物理过程中理解普遍物理规律的知识点,对这类知识点,教师的讲述要相对多一点,讲授时间要相对长一些,采用启发式教学法比较合适.例如,磁场安培环路定理、位移电流假设、狭义相对论、薛定谔方程、描述氢原子的3个量子数和晶格振动等内容.教师讲授多一点并不等于“灌输”而是在“问中教,教中问”[6]；教师讲得多一点并不等于一讲到底,而是学生在“问中学,学中问”；教师讲得多一点并不等于事无巨细,面面俱到而是围绕核心内容,突出重点、分散难点,一切要着眼调动学生主动学习与探究的积极性.不过,启发式最重要的环节是提问.例如,一维无限深势阱问题是量子物理中一个典型问题,求解过程简单,所采用的数学方法也并不复杂.但为了引导学生理解一维无限深势阱[2]模型的提出以及模型的意义,教师问：为什么要将金属中自由电子的势能模型化？引导学生理解教材中先取势能的平均值然后令势能平均值为零的理由,以及电子不能轻易逸出金属(不考虑冷发射).为了让学生把握求解步骤,教师问：为什么要把一维定态薛定谔方程中Ψ(x)前的常系数令为k2？为帮助学生自己破解这一问号,教师指出该方程中数学上有将该常数取平方的理由,当学生已看到该常数恒为正的性质后,教师顺势问为什么只能用k2而不能用别的符号呢？当学生看到非相对论的动量-能量关系后,他们对这一问题也就明白了,也就容易理解随后的能量量子化概念了.接下来在由方程的通解求特解过程中,教师问:在由方程的通解求特解过程中,为什么说方程的边界条件是Ψ(0)=0及Ψ(a)=0?为什么要用归一化条件确定常数A等等.同样采取教师在“问中教,教中问”,学生在“问中学,学中问”的方式.教的最终目的应该是为了“学”.有学生说：“通过一个学期的锻炼,渐渐养成了自学的习惯,这不仅是知识的获取过程,更是自主能力培养的过程,学习大学物理的方法同时我也可以运用到其他科目的学习”.

5 结语

有师者云:有施教之功,贵在引路,妙在开窍.长此以往“乃为善教者也”.

[1] 教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会.关于进一步推进基础物理教学改革创新的倡议[J].中国大学教学,2014,(11):4-6.

[2] 王建邦,张旭峰,杨军,等.大学物理学[M].北京:机械工业出版社,2014:120-123.

[3] 侯利洁,刘兴来,崔文丽,等.采用多种方法提高大学物理课堂教学质量的实践与探索[J]//2014年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集.物理与工程S1,2014:65-66,69.

[4] 杨艳,刘兴来,胡俊丽,等.大学物理教学中师生一对一问答的实践与探索[J].物理与工程,2013,23(2):49-50.

[5] 王建邦,赵瑞娟,侯利洁,等.大学物理解题思路、方法与技巧[M].北京:机械工业出版社,2014:187.

[6] 侯利洁,刘兴来,崔文丽,等.“教中问、问中教;学中问、问中学”的课堂教学方法的实践[J].物理与工程,2013,23(1):62-63.

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PRACTICE AND EXPLORATION OF MULTIVARIATE CLASSROOM TEACHING METHODS IN COLLEGE PHYSICS

Hou Lijie Liu Xinglai Cui Wenli Yang Yan Wang Jianbang

(School of Science,North University of China,Taiyuan,Shanxi 030051)

According to the quality evaluation index system of the Ministry of Education about the undergraduate professional talents training,it is required to improve teaching methods and means actively,and use the heuristic,inquiry,discussion,participation type teaching method during the construction of curriculum.This paper discusses how to explore of the foregoing diversity of teaching methods to improve teaching quality in the classroom teaching of university physics,according to the different sections of the teaching contents and students’ practical.Through practice,we try to effectively change the students from reception learning to a variety of learning methods,and change the teachers from the injection teaching type to the heuristic,discussion-based teaching type in order to improve the quality of classroom teaching of university physics.

university physics;multivariate classroom teaching;exploration

2015-03-31

山西省教育教学改革项目(J213052)，中北大学高等教育教学改革研究项目.

侯利洁，女，讲师，主要从事大学物理及大学物理实验教学研究工作，研究方向为凝聚态物理.applegirl36@126.com