生物医学工程专业大学物理课程教学探索与实践

张 亮

（空军军医大学基础医学院 陕西·西安 710032）

0 引言

物理学是研究物质运动最一般规律的学科，是自然科学和工程技术的重要基础。现代科学各领域包括医学领域的发展都离不开物理学的支撑，特别是医学工程领域每一项技术革新都与物理学的新成就和新发现息息相关。因此，作为医学工程领域发展的骨干力量，在生物医学工程专业学生的素质培养体系中，物理学具有十分重要的地位。

大学物理作为生物医学工程专业必修的公共基础课，不仅是后续其他专业课程的根基，还能进一步培养学生的科学思维和探索精神，提高科学文化素养，为将来的研究或技术工作奠定基础。随着“互联网+”时代的到来，各种信息化手段已逐渐融入各大院校，大学物理的教学模式也在不断更新升级。从传统的板书授课到微课、[1]慕课、[2]翻转课堂、[3]雨课堂；[4]文字、声音、图像、视频等多媒体要素不断丰富着教学手段，增强授课过程的亲和力和时代气息。同时，大学物理的教学内容也在与时俱进，更贴近实践应用，更匹配相关的专业课程体系。[5]但是，我们也应当看到：由于专业跨度较大和课程设置的复杂性，“物理难学”的声音在医工专业学生中依然回响，学生学习物理的兴趣难以激发的问题依旧存在。因此，在教学手段之硬件和教学内容之软件都在不断更新升级的今天，如何“软”“硬”结合以提高教学质量，让医工专业的学生真正在大学物理这门课程的学习中有所思、有所悟、有所获，这是所有大学物理教员常备不怠的重要课题。

要充分利用课堂教学这个平台，将“软件”加载到“硬件”上，教员的教学理念和教学方法至关重要。本文结合本校大学物理课程和生物医学工程专业学生特点，基于自身教学经验，提出并探讨了一种新的教学理念和可供参考的教学新方法，旨在提升生物医学工程专业大学物理课程教学质量，激发学生的学习兴趣，提高学习效率，促进其综合素质的提升。

1 大学物理课程性质分析

大学物理课程的教学目的是使学生深入系统的掌握物理基础理论、基本知识和基本技能，从而为其他专业课程的学习特别是进一步学习新理论、新技术，不断更新知识，以及将来从事本专业工作，奠定必要的基础。其特点在于：

1.1 基础性

大学物理主要学习物理学的基础理论，每部分内容后续都有专业基础课程与之对接深化。基础课程的意义是隐性的，学生在学习时会觉得很重要，但没有重要在哪的实感，学习能动性受兴趣牵引的情况较普遍。教员在授课时也会面临深度把握问题：要么过于深奥，内容无趣；要么生动有余，内涵不足。

1.2 全面性

大学物理内容有力学、热学、电磁学、光学、相对论以及量子物理，涵盖了近代物理学发展的主要领域，范围广，跨度大，内容丰富。在有限时间内，学生要记清楚、学明白，是个不小的挑战。教员在授课中面临内容取舍问题：内容多了，时间不够，讲不完；内容少了，缺乏系统性，对后续课程的学习容易产生影响。

1.3 连贯性

大学课程设置大部分都可以看成环环相扣的锁链式设置，每一门课程都是这条锁链的重要环节：高等数学是大学物理的预修课程，是大学物理课程学习的基础；同时，大学物理又是后续其他专业基础课程学习的基础。这样连贯紧凑的设定，让学生在学习过程中面临压力：一旦哪个环节掉了链子，对后续学习将会产生影响；同时也对教员提出了要求：要清醒的认识大学物理课程的前后定位，充分的统御大学物理课程内容，在教学过程中能够做到放的潇洒，收的自如，行的恰当，止的及时。

1.4 融合性

当前，学科发展正逐渐呈现出融合趋势，传统经典学科的界限被不断打破，学科边界也被重新划分。课程教学过程中，知识点也不再是单一离散的出现，而是高度融合于某一示例或现象。特别针对医工专业的学生，大学物理课程教学不再是一个实验或示例对应单一知识点，而应当紧密联系医学应用背景，让学生尽可能的了解所学知识与今后工作之间的潜在关联。

2 医工专业学生特点分析

大学物理通常开设于大一下半学年和大二上半学年，该阶段的医工专业学生有如下特点：

（1）学习兴趣强，好学敢问。学生在入学时都有较好的基础，且对医学工程领域怀有一定的好奇心与兴趣，在学习过程中能够保留较高的学习初始积极性，面对疑难敢于提问。

（2）事物繁杂，精力有限。刚踏入大学校园，除了学习，学生还要面对各种事物：生活琐碎、人际交往、校园活动等。精力消耗较大，将直接影响课堂与课下的学习效果。

（3）课程种类多，时间压缩。医工专业学生所需学习的课程种类多，且课程门类跨度相对较大，要求较严。学生需要足够的时间来满足每门课程的学习要求，时间利用率高，压力大。同时，近年来部分院校正在逐渐优化调整课程教学体系以适应学校现代化建设需要。不少课程的教学课时量有所压缩。

（4）能动性易失，目标不明。尽管大部分学生出于兴趣报考了该专业，但对本专业在医学领域的定位和作用并不清楚，甚至有些学生是调剂到本专业。因此，部分学生在入学一段时间后，容易迷茫，失去前进目标，学习动力逐渐不足，学习主观能动性缺失，最终学习过程易受个人喜好和兴趣的牵引，对有趣的课程投入较多，无趣或者难度较大的课程易放弃。

3 框架式闭环大学物理课程教学理念

3.1 “根强枝壮”的知识框架目标

针对大学物理课程的基础性、连贯性以及医工专业学生时间紧，精力有限等特点，可以尝试将教学的重点目标放在构建学生的大学物理知识框架上。这样做的优势在于通过知识框架的构建，学生能够快速的统揽学习内容，了解学习重点和各知识要点在整个课程内容中的存在意义，节省学习时间和精力消耗，提高学习效率，便于后续学习过程中随时回顾。

这种框架式教学主要是为学生提供一种对知识理解的概念框架，是为促进学生对课程内容进一步理解而存在，重视学生认知结构的发展和学科的知识结构，提倡发现学习，注重直觉思维。其代表性理论是布鲁纳的结构主义教学。[6]

但是，这种模式不能生搬硬套。传统的框架式教学主要包含三个阶段：骨架学习（结构）、表格整理（砌砖）、习题巩固（粉饰）。通过三个阶段大容量、快节奏、多反复的构建，最终形成完整的知识结构体系框架。但对于时间和精力有限的学生而言，这些工作叠加在一起反而容易增加学习压力，适得其反。因此，知识框架构建不能由教员主导，而应当是通过启发式教学，引导学生根据自己的理解来主导。这样可以加深印象，进而减少构建工作的反复性。教员的主要任务是讲清楚各知识要点之间的内在逻辑，让框架内各要素的联系更加紧密，枝干更加稳固。同时，充分理解大学物理的基础性，可以适当弱化学生对大学物理各章节具体内容的巩固。因为学生可以在后续专业课程中进一步加深相关内容的理解。通过后续相关专业课程的学习，可以继续对该框架的枝叶部分进行填充完善，最终构建一个与自己所学专业相对应，且“枝繁叶茂”的知识结构体系。

3.2 “四于一体”的闭环教学思路

物理学研究来源于实践，其成果最终也要回归实践。大学物理的教学也应当如此。教学内容的出发点源于现象，分析解决问题的本质落于模型，研究过程中得到的答案结于规律，最终成果的转换和运用要归于现实。通过现象认知激发学生兴趣，观察现象特征，凝练出研究问题；通过解析问题，联系现有知识对其进行数学建模；解析数学模型，讨论其中的可变参量，最终总结规律，得到成果；将所得成果紧密联系实际应用，让学生能够进一步感受所学有用，所得有益，或以实际需求为牵引，结合学科交叉与融合，将所得成果应用到实践当中（如图1 所示）。

图1 闭环式教学思路

这种“四于一体”的闭环式教学思路，既遵循大学物理课程教学过程的基本思路，又能贴近“医工特色”与“服务医学”的教学需求，还能激发学生的学习兴趣，提高其主观能动性，使得课堂教学效果提升。

3.3 基于框架式闭环理念的几种教学实践方法

（1）“内容—结构”相对应的幻灯+板书设计。现代课堂教学中，幻灯演示已基本替代了板书。这种方法的优势是形式多样，内容丰富，易吸引人；不足之处在于“流水式”的演示让人很难对比前文进行思考，且学生在学习过程中对幻灯的依赖性增加，对教材的关注度反而减少。部分教员也会配合幻灯进行板书，但板书内容比较零散，与幻灯缺乏联系性。因此，基于框架式教学理念，课堂教学可以采用“内容—结构”相对应的幻灯+板书设计方法。幻灯主要用于演示教学内容，而板书则重点展示本次课的思想、要点及其之间的联系。这样学生在课堂学习过程中，可以随时对本次课“内容”与“结构”进行比较，便于其在学习过程中加强理解，为构建知识结构框架打下基础。

（2）借用计算机仿真软件辅助教学。数学在大学物理教学过程中起到至关重要的作用。由于大学物理开设于入学初期阶段，学生的数学基础和功底并不深厚，导致其在学习过程中面对很多数学建模问题难以理解，进而造成了“物理难学”的主观印象。但随着计算机技术不断成熟的今天，利用相关的计算软件来辅助大学物理教学，可以弥补学生数学功底不深带来的理解困难，提升教学效率。[7]同样，教员也可以在教学过程中借用计算机物理仿真软件来对一些抽象化的问题进行建模仿真。一方面可以通过实际操作，将抽象问题具象化，进一步增强课堂教学的感受性和互动性；另一方面，由于这些软件都是当前科学研究和工程实践过程中不可或缺的工具，通过课堂接触，有利于学生提前了解，为后续的学习和工作奠定基础。

（3）基于研究课题挖掘与课程的连接点。不少教员都有自己的科研课题，这些都是潜在的教学素材。从课题中挖掘问题要点，将之与大学物理教学内容相关联。既可以增强课程内容与实际应用之间的联系，又能让学生近距离接触科学研究和工程探索，激发其对科研工作的兴趣。

4 结语

关于提升大学物理的课堂教学质量，很多专家学者都有思考。[8-10]对于一些共性的结论：物理内容的熟悉和理解、教育学的一般原理、时间的投入等，这里不再赘述。本文主要从教学实践经验出发，结合本校大学物理课程标准和生物医学工程专业学生特点，提出一些观点：以构建牢固的知识框架为目标，适度减轻学生时间和精力负担，提高学习效率；以“实践—模型—结论—实践”的闭环模式为教学思路，激发学生的兴趣和主观能动性；借用计算机仿真软件，提升课堂教学互动，增强学生对学习内容的感受性；适时联系科研课题，增加学生接触科学研究和工程实践的机会，提高课堂教学与实践的紧密性。希望这些观点能够进一步促进同行们的思考与探讨，为进一步提医科院校大学物理课程教学质量抛砖引玉。