导论贵在导字

高守宝 孟庆田

摘  要 以物理学导论的教学为例，探讨导论课程在教学内容安排、教学方法选择以及教学组织形式等方面的问题，阐明物理学导论教学要想达到课程开设的目的，必须从“导”字入手，重在知识的趣味性、系统性和实用性，逐步引导学生走上物理科学之路。

关键词 物理学导论;通识课程;混合式课程

中图分类号：G652    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）10-0013-05

Guiding is Key to INTRODUCTION//GAO Shoubao， MENG Qingtian

Abstract Taking the teaching of INTRODUCTION TO PHYSICS as an example， we discuss the relevant issues about the arrangement of contents， the choice of methods and the organizing of forms in the course of INTRODUCTION teaching. We also throw light upon the importance of guiding in the teaching of INSTRUCTION TO PHY-SICS， and emphasize the interestingness， systematics and practices of the knowledge imparted， so as to pave the way for students to the physics science.

Key words INTRODUCTION TO PHYSICS; general courses; blen-ded curriculum

0  引言

物理学导论是为高校物理专业新生开设的一门通识课程，主要介绍物理学的基本概念、基本理论和基本发展脉络，简要介绍物理学知识与科技前沿领域的联系。通过本课程的教学，一方面可以帮助学生了解物理学的基本知识，为进一步开展学习和研究奠定基础;另一方面是为帮助学生了解物理学在现代科技中的应用，培养他们对科学研究的兴趣，领悟科学研究中的思想和方法，提高分析和解决问题的能力，进而热爱科学并投身到物理科学的工作中。

考虑到目前全国基础物理教学形势，为适应大学物理教学需要，不少高校先后开设了物理学导论或类似课程，也有了一些值得借鉴的做法。比如，吉林大学物理学院一直重视物理学导论的教学工作，摸索出一套行之有效的教学方法，使学生对学习物理、从事物理科学充满信心，特别是张汉壮教授总结多年的教学经验后编写的《物理学导论》教材，被全国多所高校使用[1];长江大学物理与光电工程学院为新生开设的物理学概论也是一门导论性质的课程，该课程结合物理学史的介绍，帮助学生了解物理学的内容和方法，认识物理学的重要地位和应用前景，激发他们对物理的学习兴趣[2];东南大学在文科专业中开设的物理学概论课程，虽然与开设物理学导论的目的不完全相同，但其中的一些做法，比如重视和强化学科间的相互渗透、提高人才的自然科学素养等，都值得在物理学导论的教学中参考[3]。

由于所处的教育环境不同，国外高校历来重视在大学物理新生中开展物理学导论类似课程的教学。特别是既有理论也有实验的美国华盛顿大学物理学导论课程，无论是教学内容还是教学模式，都很有特色。该课程的实验项目内容紧扣理论教学环节并尽可能澄清课堂学习的一些问题。实验讲义以物理史实或以身边易于实践的自编故事为引子，切入原理并让学生继续展开实验。以物理系和网络上可寻的与实验相关的科技前沿发展背景为延伸，注重学生兴趣导向[4] 。美国塔夫茨大学罗纳德教授研究团队基于交互式教学的物理学导论课程改革也取得很好的效果，他们的研究表明，交互式教学法在班级授课的形式下，针对不同教学内容，对于中学与大学的所选样本都具有良好的适用性。特别是对于大学生，他们学习的主动性更强，教学效果更加显著[5]。可以这么说，为了搭建好中学物理和大学物理学习的桥梁，让更多的学生走上物理之路，物理学导论课程的开设已成为国外知名大学物理学教学的趋势[6-7] 。

通过以上介绍和分析可以发现，国内外在大学物理教学中非常重视对物理学知识的入门和引导，无论是以导论的形式，还是以概论的形式，“导”很重要。在这方面，笔者也深有体会。为了适应大学物理教学的新形势，最近几年，学校也在物理学各专业开设了物理学导论课程。教学实践表明，该课程的开设确实提高了学生学习物理的兴趣，增强了学生立志投身物理科学的信心。对于这种通识性质的课程，教学内容涉及多個学科部分，为了“导”好这门课，相关任课教师还是进行了一些探索和尝试，也摸索出一套引导学生走上物理之路的做法。本文将从教学内容的组织、教学方法的选择及教学过程的控制等几个方面，简要介绍物理学导论课程教学需要注意的一些问题，特别强调在教学中对“导”的理解和实施，供读者参考。

1  教学之导

物理学导论课程的开设旨在引导学生把握物理学的知识结构，提高他们学习物理的兴趣，进而走上物理科学之路。然而作为一门知识性和逻辑性较强的学科，物理学在高中阶段就被学生认为是一门较难的学科，选考学生相对较少。考上物理专业的大学生，虽然这方面的问题没有那么突出，但受到的影响也不容忽视，因此，在大一阶段开设导论课程就显得尤为重要。这里以这几年物理学导论课程的教学为例，介绍导论教学中的一些做法。

1.1  做好铺垫

物理知识具有其自身的逻辑性。这是物理教学的优势，但也给导论教学提出挑战。不像美国华盛顿大学等开设的物理学导论课程，既有各专业理论部分，也有相应的实验课程配套[4]，因而实际上是将其开设为一门综合课程。而如前所述，我国高校开设的物理学导论课程是一门通识课程，更加注重物理学的入门，强调对物理学重要性的认识，而不是全面系统地介绍物理学知识，因而在介绍相关物理学内容时做好铺垫尤为重要。

1.1.1  介绍物理学史，明史方能明智  与其他物理课程教学有所不同，物理学导论的教学有其特殊性，这种特殊性主要体现在相关物理知识群的导入上。特别是对于一些概念和规律难以深入理解的知识群，了解其发现（提出）和发展的过程，是激发学生学习兴趣、把握相关物理思想的关键。而结合不同的物理内容，适当介绍相关的物理事件以及为物理规律的发现作出贡献的物理学家的事迹，不失为吸引学生注意力，培养学生科学思维、科学态度及社会责任感的有效途径。

众所周知，相对论的教学是大学物理教学的难点之一。为了克服这个难点，在进行物理学导论教学时，就是借助物理学史来帮助学生理解爱因斯坦当时建立相对论的思想历程。人们认识运动物体是从认识参考系出发，逐渐形成相应的时空观的。为了描述物质及其运动，古希腊哲学家亚里士多德提出“以太”的概念，并为之后的诸多物理学家（包括牛顿）所推崇，然而迈克尔逊—莫雷实验的“零”结果实际上对“以太”概念予以否定，特别是使其失去了作为绝对参考系的特质。正是爱因斯坦通过对时间概念的重新分析，在两条基本假设的基础上，推导出物体的“动尺收缩”、时间的“动钟变慢”及同时的相对性等，才形成一套新的时空观，建立了狭义相对论[8]。

狭义相对论的建立过程告诉人们，一个强大理论的建立，并不是某一个物理学家的功劳，而是一代代物理学家共同努力的结果;不仅需要严格的逻辑推理，有时候还需要一定的挑战性思维和批判精神。对于刚步入大学校门的学生来说，这种导入方式对于培养他们的科学态度和创新精神显得那么重要！

需要指出的是，按照高师院校的要求，在大学二年级会开设物理学史选修课，因而对物理学史的讲解并不是物理学导论教学的中心任务，这里介绍物理学史的主要目的在于引导学生了解和认识物理规律的发现过程。

1.1.2  利用知识结构  开设物理学导论课程，教学内容是按照力学（包括理论力学及量子力学）、热学（包括热力学和统计物理学）、电磁学（包括电动力学）、光学、原子物理（包括分子物理及凝聚态物理）和相对论等的次序来安排的。显然由于学生的知识储备不足，一些内容的介绍会给学生的接受带来一定的难度。把握知识脉络、理解各个知识点在知识群中的相对地位，是进行导论教学的关键。为方便学生了解和把握物理规律的发现过程和物理本质，结合学生的认知规律和知识结构，从以下两个方面开展教学工作。

1）由易到难：以理论力学部分的教学为例。物理学导论一开始介绍的是力学部分的内容，相对来说，学生在中学阶段有了较为坚实的质点力学知识基础。在导论教学中充分利用这个基础，参照质点运动的规律来处理刚体的运动。比如在介绍刚体的定轴转动时，将其规律与质点的运动规律作类比（力/力矩，位移/角位移，速度/角速度，加速度/角加速度等），然后将刚体的运动分为质心的平动以及刚体绕质心的转动，前者利用质点运动规律来处理，后者则利用刚体的定轴转动来处理。其他比如分析力学中的虚功原理、哈密顿正则方程等，相关部分也采取了类似的教学方式。这种由易到难的类比教学方式，不仅减少了教学难度，也对学生将来系统学习理论力学树立了信心。

2）由浅入深：以量子力学的教学为例。大家知道，从薛定谔方程的建立到其用来处理微观体系的量子力学问题，波函数的概念贯穿教学始终。因而波函数概念的建立是引导学生认识量子力学的出发点，也是量子力学教学的立足点。区别于理论力学内容的引入方式，在物理学导论中对量子力学内容的介绍采用的是紧扣切入点、由浅入深的教学方式。首先从电子的狭缝衍射出发，通过对一个电子和多个电子衍射图纹的比较，给出微观粒子的波粒二象性，進而引出描述这种性质的波函数，并进一步介绍该波函数所满足的薛定谔方程。当然，薛定谔方程的求解不是的教学目的，在引入薛定谔方程后，可以简单介绍薛定谔方程的求解在实际中的应用，让学生了解量子力学所解决的主要问题。这样就达到了介绍量子力学基本知识、引导学生认识量子力学重要性的教学目的。

1.1.3  突出知识应用  物理学导论的主要目的就是认识物理、激发学习物理的兴趣。为达到此目的，介绍物理知识的应用不失为一个好方法。物理学作为一门应用性比较强的学科，知识的应用理所当然可以在每一相关内容的引入中发挥作用。以“原子分子物理及凝聚态物理”部分的引入为例，介绍相应的做法。

众所周知，新材料是未来经济的主要增长点之一[9]，而新材料的研发离不开原子分子物理学、特别是凝聚态物理学知识。结构决定功能，作为分子生物学的一个经典理论，也是新材料研发所遵循的一个基本准则。科技和社会发展所需要的新材料，其功能的实现肯定与一定结构的原子及分子团簇相关，寻找这种原子及分子团簇正是原子分子物理和凝聚态物理研究的内容。在“原子分子物理及凝聚态物理”教学中，正是按照这个思路导入相关内容的。特别是目前人们比较感兴趣的石墨烯纳米材料，也是基于对碳原子及其团簇性质的充分认识而研发出来的，其优良的光学、电学、力学和热学性质在未来科技发展中必将发挥重要的作用。这种教学方式无疑会激发学生学习物理的兴趣，从而坚定他们从事物理的志向。

同样，肆虐全球的COVID-19疫情，从发生、传播到最终控制和战胜疫情，其过程学生历历在目。在未来介绍原子分子物理内容时，可以利用这个事件，让学生充分认识在疾病的早期发现、疫苗研制、药物设计与及时治疗等过程中，原子与分子物理学所能发挥的作用，这对于学生加强专业知识的学习也是大有裨益的。

1.2  提供学法

同其他一些具体学科不同，物理学导论课程涉及大学物理的诸多学科，但由于学时和学习基础的限制，不可能对每部分内容都做系统介绍，要求学生在短时间内系统地掌握这些知识也是不现实的。为了达到物理学导论的教学目的，在教学中也有意识地指导学生如何学好这门课程。具体要求包括以下几个方面。

1.2.1  珍惜课堂时间  课堂教学也是大学教学的主要形式。在大一阶段，由于多门公共课和专业课同时开设，学生学业任务繁重。在这种情况下，物理学导论的学习就必须充分利用课堂教学时间。然而一个不能回避的问题是，由于导论课程是非主干课程，加之考虑到学生的基础，教学内容深度要求不高，学生对这门课难以高度重视，不易达到理想的课堂教学效果。为了调动学生的积极性并将课堂时间充分利用起来，在集体备课时要求任课教师灵活运用各种教学手段，向课堂要质量，并结合第一节课的“绪论”教学，给学生介绍该课程的学习方略。比如，可以结合具体教学内容，通过讲述相应的物理故事吸引学生的注意力，以激发他们学习的兴趣;在介绍学生较为关切的内容时，可以设计一些问题供学生回答，并增加课堂表现分，调动他们的思维积极性，让他们听课有成就感。

事实上，为了以后更好地开展导论课程的教学，每年都在期末考试的最后一题，要求学生对该课程的教学提出建议。就如何充分利用课堂教学时间等问题，汇总分析学生提供的意见发现，绝大多数学生的建议是多提开放性问题，增加有趣互动——这无疑是广大师生的共识。总之，调动学生学习的积极性是提高课堂教学效率的主要手段，也对教师备课提出更高的要求。

1.2.2  重视课后复习  大学一年级是大学学习的起步阶段，也是培养良好学研习惯的关键阶段。从中学到大学，学习内容发生很大变化，学习方式和方法也必然要发生相应改变。物理学导论课程的学习在这方面显得尤为突出。从教学内容上看，该课程一次课至少要学习一个知识群（比如几何光学知识群、统计物理知识群等），虽然各知识群内容不要求那么深，但涉及知识面较宽，要系统地了解和把握这么多知识点，难度可想而知，此时加强课后复习对学生来说显得那么重要！

区别于其他课程的课后复习，导论课程的复习更注重知识群之间的联系，比如，力学部分质点的运动学和动力学之间的联系，质心的平动规律和刚体转动规律的联系，经典物理和量子物理研究对象与研究方法之间的联系，等等。这些联系都需要任课教师在教学中结合具体教学内容予以正确引导，帮助学生把握知识脉络。另外，在导论教学中除了提供必要的教学参考书以外，还会将课件传给学生，供他们课下复习巩固用。通过课后复习把握这些联系，不仅对于学生整体认识物理的知识结构有重要意义，更为重要的是可以由此养成一个良好的学研习惯，为后续学习和工作形成良好的行为定式。

1.2.3  密切联系实际  知识的运用是学习的有效方法。如前所述，我国所开设的物理学导论课程是一门集普通物理学与理论物理学于一体的通识性课程，物理学的特点也决定了该课程与日常生活及科技实践具有紧密的联系。因此，引导学生主动联系生活实际，是导论课程学习的出发点，也是导论课程学习的落脚点。

在进行统计物理中有关统计分布内容的教学时，先从最简单的物理测量开始，课前让每一个学生提供自己身高，最后统计人数按照身高的分布。结果会发现，身材较矮和较高的人数都较少，而中等身高的人数较多。然后通过视频介绍新中国成立以来我国青少年平均身高变化的情况，并与欧美国家进行比较。通过这种纵横向比较可以发现，身高的分布不仅反映了群体的年龄特征，也反映了群体所在社会的经济发展水平，当然也能反映人种的不同。因此，不仅物理量（比如身高）本身能反映物理特点，物理量的统计分布也能反映物理规律。通过这个例子可以使学生认识学习统计物理的意义。如果课后作业中要求学生再列举几个有关统计物理量的例子，他们必然会对统计物理的学习有更进一步的认识，特别是这种学习方法可以培养良好的思维习惯。

1.3  促进互动

建构主义认为，学习不单是知识由外到内的转移和传递，更应该是学习者主动地建构自己的知识经验的过程，这种建构离不开教师的指导[10]。与这一观点相适应，教学也必须把焦点从教师转到学生，从教师中心转到师生互动。在物理学导论教学过程中，为了提高教学效率，通过加强师生互动环节，把学生的注意力集中引导到教学内容上，提高了课堂教学效率。

寻找互动契合点，了解学生的认知基础，寻找学生的兴趣点是加强师生互动的关键。考虑到学生已经有了高中物理基础，尽管还不是很系统，但足以为物理学导论教学过程中师生契合点的寻找提供有利的条件。在进行导论教学时，一开始学生对这门课到底要学习哪些内容、学到什么程度并不是很清楚。从大家熟知的距离概念出发，通过播放视频，让大家从距离地球几十亿光年的宇宙天体出发，“旅行”到地球，再从肉眼能看到的宏观世界深入原子分子的内部世界，整个过程涉及宇观、宏观、介观和微观，包括了物理学研究的所有对象。用这种方法呈现教学内容，学生倍感兴趣，他们能够结合已知的物理学知识，指出在各个距离范围上所对应的物理学知识范畴，为后续物理学导论相关内容的教学打下较好的基础。

对于当今的年轻人来说，对未知世界的认识是他们的共同渴望，时空隧道就是大家比较感兴趣的话题。然而，时空隧道到底是怎么回事？有没有这种客观存在？大家都渴望了解。正是基于这种考虑，在进行广义相对论教学时，充分发挥学生的主观能动性，让大家先寻找站在迎新晚会三维空间舞台上的感觉，然后引导大家在狭义相对论的基础上，结合四维时空的概念，逐渐认识引力场所导致的时空表演舞台弯曲，而超强的引力会使这种舞台虫洞化，从而成为时空隧道。这种教学方式会使广义相对论的内容显得没有那么深奥，从而让学生感觉更加有趣。

1.3.1  更新教学手段  目前随着科技的进步，特别是教育技术的发展，一些新的教学手段和教学形式应运而生，比如慕课（MOOC，大规模开放在线课程）、混合式课程（将线上教学与传统课堂教学有机结合起来的一种新的教学模式）等。物理学导论作为一门专业通识课程，占有学时较少，基本上采用的是传统教学模式，并逐步向混合式课程过渡。同时推荐吉林大学张汉壮教授的物理学导论在线课程供学生學习。这些课程都要求学生有学习的主动性，将线上内容和线下学习有机结合起来，并主动与任课教师沟通，增强互动，提高学习效率。

另外一个不容忽视的现象是，不少学生在上课时经常看手机。不能否认这种行为可能与教学活动无关，但教师如果能充分利用手机作为教学互动的工具，则可能化羁绊为力量。对于这个问题，采用限制+引导的方式予以解决，即利用所开发的软件，上课时用手机扫码考勤兼锁屏，并在课堂教学的不同阶段对手机解锁，利用软件中开设的各学习专区，让学生提交问题、反馈答案。教师对学生的回答实时展示分析，也可以通过问卷星等工具收集学生听课中存在的问题，由教师课后分别作答，等等。

这种限制+引导的方式，使手机变成课堂辅助教学手段，不仅提高了课堂学习效率，而且提升了学生的参与度。总之，对手机问题的解决要面对现实，正面引导、疏而不堵，这样才有可能让其在课堂上发挥正面作用，成为教学的辅助手段。

1.3.2  鼓励学生参与  物理学导论作为一门专业基础课，学生还是有一定知识积淀的。在课堂教学过程中，可以利用这个条件并结合需要分配学生担任一定的角色，这是促进师生互动的一个良好手段。比如，在进行导论光学部分的教学时，教师先介绍几何光学与物理光学概念的区别，然后请几个学生各给出一个物理光学现象的例子。这种随机提问的方式无疑会促进学生的主动参与，避免教师的单向活动以及学生上课走神现象的发生。

另一个值得提倡的做法是课下分组讨论、课上展示结果，这样既能让学生主动参与教学，也能提高教学效率。电磁学部分是高中阶段的主要教学内容之一，也是与日常生活联系较为密切、大家比较感兴趣的学习内容。在导论有关场的这部分内容介绍前，首先通过微信群给学生布置学习任务，让大家回忆一下在高中阶段所学习的电和磁的关系;然后在正式上课时，各学习小组组长通过微信提交答案。教师教学则是在展示和分析这些答案的基础上，先介绍人们对静电场的认识过程，再介绍恒磁场的理论发展，而对电磁感应定律的介绍使人们对电磁场的认识达到新的高度，为之后电磁波部分内容的介绍打下基础。

总之，学生的主动参与会让他们由被动学习变为主动学习，认识到自己在学习中的中心角色，从而通过问题解决获得一种学习上的成就感。这对于通过导论课程的学习培养学生的参与意识并树立学习物理的信心是非常重要的。

2  教学启示

通过这几年的物理学导论教学发现，从整体上看，学生对这门课还是比较感兴趣的，然而由于学生的基础不同，接力任课教师的教学方式和教学内容也不一样，学生对这门课的认识程度也不一样，特别是在教学过程中所暴露出的一些问题也引起诸多思考。具体来说，要搞好导论课程的教学，笔者认为应该从以下几个方面入手。

2.1  把握学生基础

物理学导论实际上是大学一年级学生的物理导向课程。要达到这个导向的目的，在教学内容的组织和教学方法的选择上必须结合学生的基础。通过与学生的互动来看，虽然学生已经有了一定的高中物理基础，但对知识来龙去脉的认识和灵活运用还欠火候。比如对场的概念的认识，有的学生并不清楚势、场和力之间的联系，缺乏知识的系统性。又比如，当介绍用力学知识去分析一些球类运动的规律时，不少学生缺乏必要的体育常识，反映了他们在高中阶段少得可怜的体育运动基础。从另一个方面来讲，为保证教学过程的顺利进行，教师应利用各种方法和手段（分析学生特点、关注课堂反馈等）切实了解学生身心发展和知识基础，讲解应该从学生的实际出发，选择恰当的教学内容作为导学的切入点，着眼于学生学习的最近发展区，努力达到教学目的。

2.2  规范教学内容

同各门具体物理学科不一样，物理学导论的教学内容突出物理知识的系统性、趣味性和应用性的结合，因而在内容选择上要纵览物理知识全局，注意知识点、线、面和群的关系，在知识的导入、串联和应用上多下功夫。毫无疑问，教师对物理学史的把握是讲好物理学导论的前提。然而，物理学导论毕竟不是物理学史，况且对于大多数师范院校来说，有单开的物理学史课。如果说前者注重物理知识系统性的话，后者则更注重物理学发展的系统性，因而并不赞成用讲物理学史的方法来介绍物理学导论。这里推荐吉林大学张汉壮教授主编的《物理学导论》作为教学参考书，该书注意了基本知识的逻辑性、历史性和实用性的有机结合[1] 。

另外，出于教学内容的考虑，不少高校在物理学导论教学中采用接力上课的形式，但这也可能带来一些问题，比如不同教师执教风格的不一样、内容组织形式的不一致等，从而给学生听课带来不适应。在历次期末考试的最后一题对该课程提出的教学建议中，不少学生也指出这个问题，并建议由一个教师来讲。这个问题的关键在于，任课教师可以通过集体备课来统一教学组织形式，尽量减少给学生带来的不适应。虽然方法可以灵活多样，但应服务于导论教学，以达到良好的教学效果为目的。

2.3  突出联系实际

知识应用于实践是教学的出发点，也是教学的落脚点，无论是课题的引入，还是知识的运用，联系实际是一个非常有效的途径，对于物理学导论这门课的教学尤其如此。在教学中发现，每当介绍与物理学相关的日常生活和科技发展成就时，也是学生全神贯注的时候。这启示教师在备课时应该通过各种方式收集相关物理知识应用的例子，并在教学中灵活运用，这是搞好导论教学一个不可缺少的环节。

另外，理论联系实际也是学生应该具有的优良学风，在日常学习中就应该注意培养。除了在课堂教学中要通过联系实际来引入课题、巩固知识外，在课下也要通过完成作业、课外活动等形式，引导学生主动联系实际、参与科研实践，在实践中认识知识的价值。特别是将课外活动实践与课堂教学结合起来，更能引导学生产生共鸣，提高教学效率。学生在期末考试答题中所给的另一个建议，即多联系生活实践，也印证了这一点。

虽然演示实验是理论和实践相结合的一种重要方式，而且在一定情况下完全可以在教学中使用，特别是对于单节课教学内容较少的课题，但对于物理学导论教学来说，由于单元课堂涵盖教学内容较多，知识范围较宽，除了个别课题可以用之来引入教学外，大多数内容不宜采用这种形式，虽然有学生建议增加一些演示实验内容。

3  结语

本文以物理学导论的教学为例，探讨导论教学过程中必须注意的一些问题，而在这些问题中，“导”字最为关键。从教学过程的每一个环节出发，立足于学生的认知基础，从教学内容组织安排、教学方法设计应用以及教学效果检查反馈等几个方面，帮助学生认识物理学的重要性，提高他们学习物理的兴趣。相信经过广大物理教师的共同努力，一定能引导学生踏实走上物理科学之路，并化对物理科学的敬畏态度为学习物理的动力，为我国的基础科学研究提供雄厚的人才储备！■

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