大学物理教学内容的模块化处理及教学设计 *

大学物理教学内容的模块化处理及教学设计*

*黑龙江省教育科学“十二五”规划课题，课题编号：GJG1214007,JJB1212030；黑龙江省高等学校改革工程项目，课题编号：JG2014011178

孟庆鑫张伶莉霍 雷张 宇王晓鸥赵 远

(哈尔滨工业大学物理系黑龙江 哈尔滨150001)

摘 要：在理工科高等学校中，大学物理课程是各专业学生的一门通识性必修基础课程，在大学基础课程中占有重要地位.该课程在承担知识传授任务的同时，还应该担负培养学生分析、解决问题的能力及探索、创新意识等方面的功能.为了更好地实现这一教学目标，我们将大学物理核心内容划分为4个模块，并对每一模块提出了具体的教学方案.

关键词：新课标基本要求知识模块化教学设计

收稿日期：(2015-09-08)

作者简介：孟庆鑫(1972-)，女，博士，副教授，主要从事基础物理教学、教学研究及新型光电功能材料方面工作.

Abstract:In science and engineering colleges, the college physics course is a basic course for the students in general knowledge, which plays an important role in tthe University. In the course of imparting knowledge, it should also take on the function of cultivating students′ ability for analyzing and solving problems, arousing the innovation consciousness, and so on. In order to achieve this goal, we divide the core content of the college physics into four modules, and put forward the instructional design for each module.

1引言

2010年出版的《理工科类大学物理课程教学基本要求》[1](简称《基本要求》)将大学物理定位为“高等学校理工科各专业学生开设的一门重要的通识性必修基础课”.该课程的教学目标被概括为“通过课程学习，实现学生知识、能力、素质的协调发展”. 在教学内容方面，《基本要求》提出“保证物理基本知识结构系统性、完整性”的要求，并在此基础上将大学物理教学内容分为核心内容(A类内容)、扩展内容(B类内容)以及“新知识窗口”三大部分，其中核心内容包含了力学、振动和波、热学、电磁学、光学、狭义相对论和量子物理基础在内的6部分内容，共计74个知识点.如果将《基本要求》的核心内容和《普通高中物理课程标准》[2](简称《新课标》)中规定的教学内容做比较，可以发现：除了少数概念在中学阶段未提及，大学物理核心内容中大部分内容均在高中物理要求范围内，但在认知程度和应用程度上有所区别.这就导致很多学生甚至某些教师都把大学物理定位在“利用微积分等数学工具加上高中物理内容去求解难度更大的习题”.这一定位，将大学物理课程沦为高等数学的实践课程，明显偏离了大学物理课程的教学目标，不利于大学物理课程发挥其能力培养和素质培养的功能.

另外，由于《新课标》的教学内容分为必修模块和选修模块，充分体现了“在课程结构上重视基础，体现课程的选择性”的原则.按照《新课标》的要求，学生着重掌握必修模块的知识，了解所有选修模块的知识，高考的考试范围应包括两个必修模块、选修模块3-1和3-2，其余选修模块选择2个模块.但是在应试教育下，很多地区高中阶段物理课程的广度并没有达到《新课标》的要求.这导致了高等学校中学生的物理基础也存在较大的差异.

为了了解不同地区学生中学阶段的物理课程选修情况，我们以哈尔滨工业大学2014级本科生为调查样本，调查了他们在高中物理的选修情况，结果表明：在高中阶段，完整深入学习了“必修模块和全部选修模块” 的学生仅占8.1%左右(这一比例接近参与过物理竞赛培训学生的比例6.5%)；完整地学习了“必修模块和选修模块，仅对2个选修模块进行了深入学习，其余模块了解但不深入”的学生占21.2%；深入学习了“必修模块和2～3个选修模块”的学生比例为78.8%；仅学习了“必修模块和2个选修模块，其他模块完全没学过”的学生比例为11.9%.分析结果表明，大学物理教学过程中受众群体的基础差异性还是比较明显的.在这样的前提下，高等院校大学物理课程内容如何与《新课标》高中物理有机衔接，实现深度和广度上的延续，同时避免不必要的重复；如何在高中基础上深化大学物理课程的作用和功能，培养学生分析、解决问题的能力和探索、创新意识，是近几年来大学物理教师面临的重要挑战.

通过多年的教学研讨和实践，结合我校的本科生培养目标，我们将大学物理教学目标定位在,“保证物理知识体系完整性的同时，进一步加强大学物理课程科学思维模式培养，引导学生进行自主学习和研究型学习，传递物理文化和物理思想的功能”.为了实现这一目标，我们详细地比较了《新课标》和《基本要求》的差异，将《基本要求》中的核心内容(A类内容)分解成4个基本模块，它们分别是基础知识模块、深化知识模块、新知识模块和物理思维培养模块，并针对每个模块进行了具体化的教学设计.

2模块划分及其教学设计

2.1基础知识模块

基础知识模块主要包括《新课标》中选修3-n模块中与大学物理课程体系中基本要求重合部分内容，如表1所示.受应试教育的影响，中学阶段学生选修模块的学习程度不同，所以学生对部分知识的掌握有一定的差异，估计这种差异性在2017年高中阶段物理变成高中学业水平考试科目后会更加明显.为了实现《基本要求》知识完整性的原则，大学物理课程必须担负起弥补不同地区高中物理教学差异的功能.从这个意义上说，大学物理教学起点需要降低.这一方面会导致大学物理课时数的增加(这在大规模压缩学时的趋势下显然是不现实的)，另一方面对中学阶段已经选修过该模块的学生也不公平.如何进行这一模块的教学，是目前大学物理课程的难点.

为了解决这一问题，消除学生基础差异，我们认为，可利用网络资源实现这一模块的教学.为了给学生的自主学习提供更便利的条件，我们与高等教育出版社合作出版了“纸制教材+数字课程”相结合的新形态《大学物理》教材[3]，利用高等教育出版社的网络平台，将该模块中涉及到的一些知识点的动态物理过程(动画和视频)、拓展阅读、习题详解等资源通过二维码网络链接方式呈现在学生面前，方便学生进行学习.该教材作为我校“大学物理IV(64学时)”课程的教材已经使用1年，受到了学生的好评.

同时，我们提出基于“基础知识模块”建设《基础物理——大学物理预修Mooc》的计划，希望能够通过这方面的探索为该模块的教学开辟新途径.可以要求学生在学习大学物理前，完成大学物理预修Mooc课程的学习，并取得相关证书或学分.这种方式不仅可以有效减小学生的基础差异，也能达到培养学生自主学习能力的目标.

2.2深化知识模块

深化知识模块主要指在《基本要求》A类内容中，与《新标准》所涉及知识点紧密联系，但对深度和难度有更高要求的知识点.比如：在力学部分，需配合矢量运算、微积分等数学工具解决更接近实际的复杂问题；电磁学部分，解决非均匀场、存在电介质(或磁介质)时的非真空场问题；振动和波部分，定量地描述波的能量、干涉现象；热学部分，速率分布函数的数学表述及3种统计速率、典型热力学过程的定量描述、宏观量与微观量之间的定量关系；光学部分，几何光学、干涉、衍射及偏振的定量描述；近代物理部分，建立物理波粒二象性和量子化概念的思维过程，更深层次理解波函数的统计意义并学会应用波函数.该模块的内容，学生在中学阶段或在基础知识模块中都接触过，但是属于“了解”“知道”层次，而且多数概念不涉及定量描述.大学物理课程《基本要求》则要求对这部分知识“理解、掌握”并会“应用”的程度.

表1　《新课标》选修模块涉及内容及选课情况

我们认为，针对“深化知识模块”所涉及的内容，需要在深度解读概念的基础上，在课堂教学中多选择一些难度适当的例题.例题选取应本着“可利用微积分等数学工具来解决更接近实际的复杂问题”的原则，培养学生区分主次矛盾用物理知识解决实际问题的能力.在这一模块的课堂教学中，应引入适当数目的演示实验，在教师的指导下实现演示实验的验证性、启发性和科学性的功能，达到“培养学生的认识能力，激发学生的创新意识”的作用[4].

针对这一部分内容，我们还做了“利用圆桌教学的手段，帮助学生进行互助性、探索性学习”的尝试.2014年，哈尔滨工业大学大学物理教研室从2013级抽出一个班进行圆桌教学试点，将37名学生分为4个讨论小组，每组9～10人，共用一个由4张课桌拼接而成的平台，每个小组配备一套演示实验设备，学生可以自由操作并讨论.同时建立了实时反馈机制，通过问卷调查、师生座谈等方式及时了解学生对新型教学模式的意见和建议,反馈结果显示学生非常欢迎这种新型教学模式[5].

2.3新知识模块

新知识模块主要指《新课标》中未提及，《基本要求》中作为A类内容的知识点.力学部分包括非惯性和惯性力、质心与质心运动定律、刚体定轴转动、角动量和角动量守恒；电磁学部分包括环路定理、电流密度、感生电动势和涡旋电场、电磁场能量、麦克斯韦电磁方程组；振动和波部分包括旋转矢量法描述简谐运动、简谐运动的合成、能流密度、相位突变；光学部分包括光源的相干性、光栅衍射；热学部分包括卡诺循环、熵和熵增加原理、能量均分定理、平均自由程和平均碰撞频率；近代物理部分包括狭义相对论两个基本假设、洛伦兹坐标变换和速度变换、黑体辐射、波函数及其统计解释、不确定关系、薛定谔方程及其应用、电子自旋.

因为这一模块涉及的知识点均为全新内容，学生理解和接受起来存在一定的困难，我们进行教学设计时，建议以教师详细讲授为主，同时为了随时了解学生对知识点的掌握状况，及时调整教学进度和计划,在这一模块的教学过程中，我们增加了“课堂应答反馈”环节对学生进行随堂测试，同时为学生提供备选论文题目，指导学生对某一知识点进行深入探讨并完成“开放探索式作业”.将这两部分成绩并入课程总成绩，进一步探索“累加式”考试的新途径[6].

考虑到不同学生理解能力和接受能力不同，在有限学时中教师的课堂教学基本上以照顾中等学生为原则，很难照顾全面.因此在这一模块学习过程中，我们可以建议学生借助网络精品开放课程、Mooc课程等进行自主式学习，提倡“走出课堂学习”的教育思想，根据自己的需求进行复习或是深入学习.

2.4物理思维培养模块

物理思维培养模块主要包括：基本概念或知识的演化过程能够反映物理学研究方法和物理思维方式的内容.例如：模型思维培养模块可包括质点、刚体和理想流体、电流元、点电荷、理想气体、简谐振动等概念；对称性思维培养模块可包括电磁场理论的建立、物质波波粒二象性的提出等；定性半定量思维培养模块包括电流密度与电场强度和磁场强度的关系等；对比性思维培养模块包括电流与水流对比、静电力与万有引力对比、薛定谔方程的建立等；批判思维培养模块包括狭义相对论时空观的建立、电子自旋的提出等.

对该模块的教学设计，本着3个原则进行：第一，大学物理教学要强调物理思想，弱化单纯的数学推导，在教学过程中强化物理思维；第二，教学过程要展现物理学的美，通过阐述物理学的理性美、简洁美、和谐统一之美来渗透物理思维；第三，在大学物理课程中引入物理学史、前沿科学等多方面的内容，在拓展内容,增加趣味性的同时，挖掘这些内容所蕴含的物理学思维模式以及发现和解决问题的方法.

3结束语

将大学物理教学内容进行模块化处理，并为每个模块设定教学目标以及实现该目标的手段，既保证了大学物理知识体系的完整性，又能在有限学时内，充分体现“加强大学物理基础，增强学生发展潜力”的教学目标.在以后的工作中，我们还会对《基本要求》中扩展内容(B类)和自选专题类内容也进行模块化处理，进一步将大学物理课程的功能具体化.我们希望通过这一工作，为2017年高考制度改革的全面推行后大学物理课程可能遭遇的困难，提供一种可行的应对方案.

参 考 文 献

1理工科类大学物理课程基本要求.北京：高等教育出版社, 2010

2普通高中物理课程标准.北京：人民教育出版社, 2007

3张宇，赵远，孟庆鑫,等.大学物理.北京：高等教育出版社, 2015

4王晓鸥,等. “工作室”教学，让学生“乐”起来. 哈尔滨工业大学学报(社科版),2014,16(suppl.):92

5张伶莉,等.基于启发式教学的大学物理累加式考试改革研究. 哈尔滨工业大学学报(社科版),2014,16(suppl.):105

TheModularProcessingandInstructional

DesignofUniversityPhysics

MengQingxinZhangLingliHuoLeiZhangYuWangXiaoouZhaoYuan

(DepartmentofPhysics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin，Heilongjaing150001)

Keywords:newcoursestandardofhighschoolphysics;basicrequirementofcollegephysicsteaching;classificationofcontent;instructionaldesign