工科大学物理教学与改革几个两难问题的分析与讨论

工科大学物理教学与改革几个两难问题的分析与讨论

郑文珍

(衢州学院教师教育学院浙江 衢州324000)

摘 要：在分析当前大学物理教学现状的基础上，对内容与课时、基础与专业、数学与物理、经典与现代、理论与实验5个典型的工科大学物理教学与改革的两难问题进行了较为深入的分析与讨论，并就如何化解这些矛盾提出了一定的解决办法.

关键词：工科物理教学与改革两难问题

收稿日期：(2014-10-29)

大学物理是高等院校工科各专业重要的通识性必修基础课;大学物理课程所讲授的基本概念、基本理论和基本方法是形成学生科学素养和专业技能的重要组成部分,在培养学生科学素质、思维方法、研究能力等方面具有其他学科无法替代的特殊作用.努力进行大学物理课程教学改革，不断提高教学质量，是当前大学物理教学与改革的重要任务.从20世纪90年代以来，大学物理的教学改革取得了较为显著的成绩，特别是大学物理教学现代化方面得到了较好的体现和实施，教学内容与现代科学技术的发展有了较好的衔接，教学目标与评价标准得到了进一步规范，以精品课程为标志的课程建设有了大面积提升.但我们还是认为，大学物理的教学与改革仍然是一个十分艰难的课题，特别是很多进退维谷、取舍“两难”的问题无法从根本上得到解决，影响了大学物理教学与改革的深入进行.

下面，笔者想就有关工科大学物理教学与改革的几个两难问题(或曰矛盾)提出一些个人的看法，并就教于各位同仁.

1内容多与课时少的矛盾

大学物理是各类自然科学的基础，涵盖了物理学的核心内容，也是纯粹科学与应用科学的基石.物理学是人类文明的旗帜，物理现象在日常生活和科学技术应用中比比皆是.大学物理教学既需要保持经典物理学的风貌和架构，同时也必须加快现代化进程，与现代科学技术接轨.这就是说，随着科学技术的发展，作为基础学科的大学物理需要讲授的内容越来越多，涵盖的科技领域越来越宽，学科交叉越来越密，课程难度越来越大.近年来，尽管有不少大学物理教材较之原来是薄了些，但在内容的甄选与编排上，却凸显“深、新、难”之势.以马文蔚《物理学》第四版和第五版之比较，即可看出明显差异.按照工科大学物理教学基本要求，大学物理的讲授学时数最低为126学时，但据笔者的了解，现在国内绝大多数院校不能达到这一最低要求.浙江省20多所本科高校无一达标.我校采用的标准是80学时，比基本要求少了46学时，只有总量的63. 5%.而教育部高校物理学教指委编颁的《理工科类大学物理课程教学基本要求》[1](以2010版为例)列出了大学物理教学内容的125条要求，其中核心内容74条，扩展内容51条，使得教学内容与课时分配上的矛盾非常突出.现在不少学校只好在现有课时下将相关内容进行删减重组，但这又使内容体系的自洽性受到损伤，显得支离破碎，拆了东墙补西墙的结果，更使学生对物理学科体系的知识完整性产生质疑.授课教师也颇为困惑和为难，“如此多的内容，我怎么教呀？”由于教育部已不再有硬性的教学大纲和课时规定要求，各校开课的自由度增大，大学物理被边缘化的趋势越来越明显，工科大学物理内容多、课时少的矛盾非但未能得到有效遏制，且有愈演愈烈之势.

2基础知识与专业需求的矛盾

作为工科各专业的公共必修课，大学物理的核心要素是全面提高所有学生的共同基础，这类课程的设置充分体现了教育部门和学校的意志，有着必须达到的明确目标.物理学是科学性、系统性很强的学科，其内在的知识结构和逻辑体系决定了物理学的整体严密性和宽广的普适性.工科大学物理教学的首要任务是着眼于如何适应学生的学习，提高其物理基本素养，突出物理学理论在现代科学和工程技术中的应用.物理学的特点决定了工科大学物理的教学内容范畴，这是必须把握的基本要求.但在现代科学技术十分发达的今天，学科专业门类越来越多，方向越来越细.毋庸置疑，大学物理对不同的专业教学也应该有不同的侧重，在保持学科知识系统性和完整性的同时，将相邻学科和边缘学科的相关基础知识纳入课程内容，以便适应不同基础或专业学生的需求[2].但在实际教学中，针对不同工科专业讲授不同的大学物理，真的很难，迄今为止，也未见一本专门针对某一特定工科专业而编写的大学物理教材.一般认为，在化工、工程热物理、热能工程等专业多讲一些热力学知识，而在机械设计与制造、土木工程等专业要加强力学(包括分析力学)教学等等，这也不失为一种方法.但笔者认为，这实际上是一个两难问题.如果仅仅为了上述不同专业而人为地将物理内容割裂，不仅使物理学彻底沦为了工具，破坏了物理学整体科学结构，且进一步割裂了基础知识与专业知识之间的有机融合，加剧了学科之间的矛盾.因为这种添加(或重点加强)越多，与他们专业知识的重合度就越高.我们经常听到学生提到两个问题：一是，物理有什么用？另一个是，这些内容我们专业课里都讲了，它们的差距到底在哪里？笔者认为，作为基础学科，它的核心是普适性，是科学素质培养，这也是物理学的精髓.但针对现代科学技术和不同专业的特色，物理学又确实应该发挥出本课程对该专业学习的支撑作用.但这个度如何掌握，不同专业之间到底如何体现和平衡，才能有效地做到大学物理基础课程与工科专业教学相得益彰，是一个十分值得探讨的问题.

3数学背景与物理教学要求之间的矛盾

数学和物理本是相生相伴的孪生兄弟，但是在大学物理的教学中，数学知识的不足又老是拖课程教学的后腿.在我国，绝大部分高校理工科大学物理都是在大一下学期(即第二学期)开设，甚至有部分学校是在新生刚入学的第一学期就开设.由于特定的教学内容，大学物理在上课不久，就需用到微分、积分、线性代数等内容，这些知识尚不足以影响物理教学主体，但随后就要用的常微分方程、矢量分析与场论、偏微分方程等内容，则是学生完全没有接触到的高深数学知识.这些内容部分或许在大学物理课上过后高等数学课中会讲，部分则是在整个高等数学中都不涉及.听着复杂的数学变换，学生未懂先怵.而作为大学物理授课教师，也是左右为难，不提这些数学理论吧，无法定量化地精确描述物理规律，学生也就无法从根本上理解这些物理规律的深刻含义；用定量表示吧，数学的要求又太高，且无法抽时间去专门补习.作为物理专业学生，在专业课的学习中有多门课程也可能遇上这类问题，但作为专业课，课时相对比较充裕，内容也相对集中，因此，教师可抽出部分时间补习相关数学内容.然而，大学物理受课时和内容的限制，不可能抽出相应的时间先补数学，况且，这类障碍还很多.对于大多数学生来说，学习中困难的根源主要在于应用数学来解决物理问题，在数学知识尚未掌握的情况下，就要求用其来解决物理问题，真是勉为其难了.因此，如何有效协调物理教学内容对数学要求的矛盾，也是大学物理教学中的一个瓶颈.早在20世纪80年代，四川大学物理系专门编写了一套针对物理专业本科生而用的高等数学教材，教学效果良好，学生反映不错，有效缓解了物理专业教学对数学需求的矛盾.但对大学物理而言，至今尚未有能与之相配套的高数教材.“物理军队”需求与“数学粮草”供给不足的矛盾虽早已存在，但一直未能有有效的解决办法.

4经典与近代的矛盾

多年以来，大学物理是以经典物理内容为主的，就连我们浙江省每年举行的大学物理竞赛，内容也基本局限于经典物理.传统的大学物理课程就分为力学、热学、电磁学、光学、近代物理几个部分[3～5]，这样的安排保证了经典物理的完整性，体现了20世纪之前物理学的核心成就，也适当介绍了20世纪以来物理学的部分新进展，逻辑严密，线条清楚，但同时这样的内容安排也因为经典物理内容较多，现代物理内容偏少而受到质疑[6].

随着科学技术的发展，以相对论和量子物理为代表的20世纪近代物理学使物理学发生了翻天覆地的变化.在20世纪，物理学的基本概念和技术已被应用到所有的自然科学领域.物理学与其他自然科学的学科之间的边缘领域，一定意义上是当代自然科学中最富有获得研究成果和机遇的领域，21世纪物理学毫无疑问仍然是技术进步的主要源泉[7].作为工科大学物理，我们更有必要为近代物理乃至当代物理留出足够的时间，付出更多的精力为学生讲授和介绍这些物理学的新理论和它们在相关技术领域的新成就.

在《基本要求》划定的125条内容中，关于近代物理的有35条，占全部内容的28%.但在实际教学中，各校往往把重点放在了以经典内容为主的A类上，而以近代物理为主要内容的B类却基本上处于不修或选修的境地.这就形成了一个新的两难问题，从教学内容安排上讲，似乎经典物理部分占了更多的教学时数，各校也大多如此安排.但从科学技术的发展和当代科技应用的角度，则应更多更宽口径地讲授近代物理.毋庸置疑，大学物理经典理论要现代化，增加近代物理内容，并为当代物理前沿开设一定的窗口，是当前大学物理必须面对的现实.但比例怎么定，窗口开多大，则是一个十分棘手的两难问题.开少了不行，开多了也不行.开少了，教材陈旧，内容老化，新意不足，不能反映经典物理对当代科技发展和对近代理论的奠基作用及相互促进的辩证关系；开多了，经典物理体系受到冲击，知识面太宽，分叉太多，难度加深，完成教学任务的难度随之增加，学生学习的难度和畏难情绪随之明显加大.

工科大学物理教学中经典与近代的矛盾，各院校可能因各自的情况不同而有所侧重，但由于这一矛盾而产生的“舍也难，讲也难”的两难问题却是普遍存在的.虽然教师可以通过精选经典物理内容，利用与其相关的近代物理观点，将经典物理内容进行扩展和加深，实现经典和近代的融合[8]，但在实际授课中，受教学内容、教学时数等客观条件限制，可操作性受到了相当大的限制.

5理论讲授与实验教学之间的矛盾

实验研究是物理学的基础.精密的定量测量构成了物理学的特色[9].只有在取得大量的经验规律之后，方始可能建立融会贯通的理论体系.而这些理论又会对某些特定问题提出具体的预言，有待于物理实验来对之甄别，予以证实或证伪.这样经过理论和实验交叉进行的大量工作和反复推敲，去伪存真，使得物理学理论有了一定程度的可信性.物理学这颗大树之所以枝繁叶茂、生机勃勃，其根本原因在于它植根于实验，观察和实验是物理学的根.实验教学是大学本科特别是工科各专业重要的教学组成部分，大学物理实验是工科学生学习到的第一门入门性的基础实验教学课程，国家物理教指委《非物理类理工科大学物理实验课程基本要求》对大学物理实验课程亦提出了明确要求，对规范大学物理实验教学内容、提高教学质量、提倡实验创新、提高学生基本实验素质都产生了巨大的作用，产生了深远的影响.

从目前我们的教学来看，大学物理和大学物理实验课程是分别开设的，是相互分立的两门课程，都有各自相对独立的课程教学目标要求.绝大多数高校以理论授课为主的物理系与主要承担实验教学任务的物理实验室也是分别独立的行政建制.这从教学任务安排、行政管理等方面来看，确实具有很强的可操作性.但如果我们从物理学规律本身来看，这种人为地把理论和实验分割的做法，就很值得商榷了.实验和理论本就是相辅相成的，是一个不可分割的整体.作为工科大学物理理论，基本上都是在大量的实验基础上得出来的.某些理论，学生听起来可能感到完全陌生，而如果先以实验引导入手，让学生从感性到理性，则教学效果可能就事半功倍了.笔者曾与实验教师合作以刚体转动惯量的教学为例，通过先实验、再理论、实验与理论同堂进行的方法，取得了很好的效果.但绝大多数情况下，这种方法是无法进行的.因为这两种教学工作分属于不同的部门，不同的教师、不同的课程无法有机捏合,虽然从物理学本身来讲，理论和实验是融为一体的.于是就出现了这样的问题，对经典理论部分，可能理论教学超前于与之对应的实验，而对于学生比较陌生的近代物理部分，其相应的实验又大大超前于其理论讲授.这样以至于学生对所做实验的科学内涵及其物理本质感到完全陌生和不可理解，实验课程完全变成了验证性工具.而理论课由于失去了实验的支持，也就显得晦涩而枯燥.虽则部分学校有演示实验，但那毕竟是浅表性的，且学生大多时候只能观察.但如果能将实验课和理论课有机融合在一起，在需要理论时先讲理论，需要实验时就做实验，使理论教学与实验教学真正回归物理学本身，水乳交融，这才应该是作为基础学科教学的真正目的，也才能够真正提高学生的科学素养和动手能力.如何把这种割裂开的理论和实验有机融合，使被肢解的物理学回归它的血肉之躯，合理解决理论与实验的矛盾，也是工科大学物理教学中一个值得深入研究的两难问题.

工科大学物理教学中的两难问题，归根结底，是由于它所特定的课程地位、学科性质、涵盖内容、辐射专业、当今科学技术的发展与人才培养目标要求的不断改变及知识理论体系的不断更新等多方面的原因和矛盾形成的.物理学是研究物质与运动的基本规律的科学，是自然科学、技术科学和工程科学的基础[8]，以牛顿力学为代表的经典物理学成为了自然科学的中心，而近代物理在对经典物理学赋予新的生命力的同时也对其地位提出了严重的挑战，工科专业人才的培养也对大学物理教学提出了严重的挑战.我们正处在这种漩涡之中，如果我们能在考虑学科层次、教材体系、专业结构及大学低年级学生这些特定的环境与对象之后，能将这些矛盾或两难问题逐一化解，并使之和谐地统一起来，那么，笔者可以肯定：我们将会在知识的内容结构、人才培养功能和教学方法上都有一个大的突破，从而为进一步培养高素质、全方位的工科专门人才打下良好的基础.

参 考 文 献

1教育部.理工科类大学物理课程教学基本要求(2010年版) .北京：高等教育出版社，2010

2毛骏健，顾牡，吴於人.建设以知识、能力和素质为教学目标的大学物理精品课程.大学物理，2008(10):44～46

3马文蔚.物理学(第五版) .北京：高等教育出版社，2006

4程守诛，江之永.普通物理学(第六版) .北京：高等教育出版社，2007

5张三慧主编.大学物理学(第三版) .北京：清华大学出版社，2009

6王永刚. “理工融合”理念下大学物理课程的教学内容改革研究.北京邮电大学学报(社会科学版)，2003,5(4):54～58

7甘子钊.北京大学物理学丛书·序(第一版) .北京：北京大学出版社，1999

8王长荣，阮世平，王建中,等.基于“2+3”的大学物理课程建设的研究与实践.浙江科技学院学报，2010，22(5):449～455

9陈龙道,等.物理学词典 .北京：科学出版社，2004

Analysis and Discussion on Several Dilemmas in

Technological University Physics Teaching and Reform

Zheng Wenzhen

(College of Teacher Education，Quzhou University，Quzhou，Zhejiang324000)

Abstract:This article probes into five typical dilemmas of content and class, foundation and professional, mathematics and physics, classical and modern, theory and experiment and puts forward some solution on how to resolve these contradictions in technological university physics teaching and reform.

Key words:technological university physics; teaching and reform; dilemma