基于CDIO大学物理教学改革的探索

孟雪琴

摘要：CDIO代表构思、设计、实现与运作，CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。其中构思、设计与思维密切联系，而实践、运作则突出了实践性的特点。本文论述了笔者在大学物理教学过程中把CDIO教育理念融入到理论课程教学改革的探索与思考。

关键词：CDIO；大学物理；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0128-02

一、大学物理课程特征及学生学习情况

大学物理是高等学校理工科专业学生的一门重要的必修公共基础课程，主要为学生后续专业课程的学习奠定了坚实的理论基础，训练学生科学实验与解决工程问题的基本技能。通过本课程的学习，使学生具备了扎实的物理基础、科学的物理世界观和方法论，训练了学生的实验动手能力、团队协作能力，培养了科学素养与工程应用能力。传统的教学模式存在以下几点问题：（1）细致有余，生动不足：传统大学物理教学内容过细、过难。教学中大量精力耗费在个别问题上，着力于将问题讲得有深度，也就把物理课程变成了晦涩、枯燥的课程。不利于激发学生的兴趣，也不能有效引导学生思考。（2）重理论、轻应用：传统大学物理课程中以理论讲授为主，缺乏实际应用案例分析，不符合工程教育的需要。（3）重知识，轻能力：传统教学以掌握知识为目的而不是以培养能力为目的；培养了解题能力而不是实际分析能力。

为了改善大学物理教学现状，笔者着重在以下几方面对大学物理教学进行了改革探索以适应CDIO理念教学。

二、课程改革任务及目标

1.教学目标的改革。为了较好的融入CDIO教育理念，优化大学物理教学现状，也为了培养学生对知识的应用能力及动手能力，在教学改革过程中，项目组成员经过探讨与分析，重新拟定了大学物理教学任务及目标：（1）要求教师注重基本物理量的意义及用途，学生注重理解及应用基本物理量，为后续专业课程奠定扎实基础。（2）要求教师引导学生思维能力的培养及训练，要求学生灵活应用高数上的微积分意义，将物理模型转化成数学计算，不强调计算过程，掌握微元分析法。（3）要求学生应用物理知识，完成2个小项目。

2.教学内容的改革。经典物理学在工程技术中的应用已相当广泛，但经典教材注重理论知识的阐述，例题也仅注重理论计算而较少涉及应用。如经笔者近几年的教学总结，在一般的大学物理教材中，静电场（不包括静电感应部分）共有概念6个、定理定律5个、例题11个，知识点并不是很多，在以往的教学过程中本章的教学要求如下：（1）掌握描述静电场的两个基本物理量——电场强度和电势的概念。（2）理解静电场的两条基本定理——高斯定理和环路定理。（3）掌握用点电荷的电场强度和叠加原理以及高斯定理求解带电系统电场强度的方法；能用电场强度与电势梯度的关系求解较简单带电系统的电场强度，但是教材上涉及到的公式有40个左右，故学生学习时觉得难度较大。这些公式大多都是用叠加定理与高斯定理来计算电场强度的，而这两方面的计算要求学生熟练使用积分和划分微元的方法，对于很多学生，数学知识本就不扎实，故计算难度较大，学生也觉得枯燥，很多学生物理知识能理解，一旦涉及到积分计算就束手无策，学生就失去了学习的信心和乐趣，体现不了工程应用，明显与先进教育理念不符合。另外，物理学是一门发展中的科学，发现了许多新现象、新规律，如激光、超导、核反应、混沌、分形等，其中很多理论已经成熟，且已达到了实用阶段，能有选择地将它们引入教学，学生就会感到他们所学的物理课是一门充满生命力的科学。因此，为了实现上述的教学目标，教学内容必须重构。在知识体系上，项目组继续保留力、热、光、电和近代物理5大部分。每部分根据专业特点把知识模块化，先提出应用专题，根据应用模型引入概念、基本原理，进而用基本物理知识解决问题。由于我校专业特征，下边主要给出电磁学及光学部分的专题内容：（1）电磁学部分：①电场促进农作物的生长，涉及基本概念：电场强度；涉及基本定理：电场强度叠加原理，匀强电场的产生。②电力工作人员高压作业安全保护措施及高压变电站周围电网的作用，设计基本原理：静电屏蔽。③针的使用，涉及知识：尖端放电。④电容器，涉及的基本概念：电势；涉及基本知识：电解质极化。⑤高压线周围的安全距离计算，涉及知识：直流导线的磁场。⑥线圈三相发电机的发电原理，涉及知识：电磁感应。⑦其他发电方式，涉及知识：霍尔效应。⑧学生参与项目：制作小型发电机；制作静电屏蔽演示仪器；制作电磁继电器。（2）光学部分：①太阳眼镜的原理，涉及知识：薄膜干涉；②光子计数器，设计知识：迈克尔逊干涉；③哈勃太空望远镜，涉及知识：圆孔衍射；④偏光镜的应用，涉及知识：光的偏振；⑤学生参与项目：制作红绿光镜；干涉衍射在日常生活中的应用。

3.教学方式的改革。教学方式的改革也是亟待解决的问题。基于CDIO理念，改革后的教学以学生为主体，采用剧本式的教案，教师是导演，学生是演员，讲台就是舞台，充分激发学生的学习主动性。下边以薄膜干涉知识讲解为例进行说明。首先，教师给出应用模型太阳镜，请同学们查阅太阳镜的作用、工作原理，然后进行归纳总结，提炼出知识点：薄膜干涉。自主学习薄膜干涉原理，提出疑问，教师解答并进行梳理，最后依据薄膜干涉原理要求学生设计某种反射镜薄膜，最终形成以下形式的教学。

4.考核方式的改革。由于教学目标的改變，对学生考核也不再以一张试卷作为评判标准，改革后的考核方式分为如下两方面。

三、结语

改革后的教学过程将打破一本书、一讲台、一教师，转变为将理论基础知识翻译给学生的状态。扭转大学物理一直以来的“两难”问题，使学生在做中学，玩中学，充分实现大学物理的学科价值，培养学生的学习能力、应用能力及创新精神。

参考文献：

[1]顾佩华，陆小华.CDIO大纲与标准[M].汕头大学出版社，2008.

[2]马文蔚.物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.