以“安培环路定理”为例谈大学物理“SEFDS”教学模式

刘文彦,张海月,齐丽晶

(1.吉林化工学院 理学院,吉林 吉林 132022;2.吉林毓文中学,吉林 吉林 132000)

为主动应对新一轮科技革命与产业变革,支撑服务创新驱动发展,2017年2月18日教育部在复旦大学召开了高等工程教育研讨会,对新时期工程人才的培养进行了讨论,提出了“新工科”建设[1]。并于2017年2月20日发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》[2]。“新工科”的提出,反映出现有的高等工程教育培养的人才不能满足新时期经济发展的需求,需要寻求高等工程教育的创新与变革[3]。大学物理作为“新工科”专业必修的一门公共基础课,主要培养工科学生的科学思维方式和研究问题的方法,使学生具备一定的科学素养、创新能力,为今后专业领域广度和深度的发展打下基础[4]。因而,对“新工科”背景下大学物理的教学内容和教学手段进行改革迫在眉睫[5-10]。

1 “SEFDS”教学法

文章聚焦“新工科”背景下大学物理教学改革过程中的“痛点”问题,立足教学实践,结合线上线下混合式教学的教学特点,提出了“SEFDS”教学模式,即自主学习(Self-taught)——实验设计(Exprimental design)——翻转课堂(Flipped classroom)——讨论(Discuss)——归纳总结(Summary),见图1。现以“稳恒磁场的安培环路定理”这节课为例,探讨该教学模式在教学实践中的应用。

图1 “SEFDS”教学模式

2 章节背景

大学物理课程在讲授内容上分为力学、热学、光学、电磁学与近代物理基础五部分,“稳恒磁场的安培环路定理”是稳恒磁场中的一个章节。该定理是研究稳恒磁场性质的一个重要的基本定理,也是求解载流导线周围磁场的基本方法,与静电场环路定理、电磁场全电流安培环路定理一起贯穿了整个电磁场理论。因而安培环路定理的学习对学生掌握电磁场理论,掌握整个电磁场的性质有着重要意义,也有利于学生凝练物理学基本研究方法与生成物理思维。

磁场是一种人们无法直接通过五感去感知但又客观存在的一种特殊物质,如何使学生“感知到磁场的存在”是本节课的教学难点;而如何使学生通过安培环路定理去定性地理解稳恒磁场的有旋性则是教学中的另一个难点所在。

3 教学设计

3.1 线上课前

教师任务:设计学习任务清单;在线发起课前研讨并参与讨论;查看平台智能统计数据,分析学生预习情况和学习难点。

学生任务(Self-taught):完成课前的预习任务,包括观看课程视频、完成单元测试、讨论区发帖参与讨论、以组为单位设计一个小实验(自主学习能力、创造力)。

该环节注重学生自学能力的培养。

3.2 线下课堂设计

该环节注重启发学生智慧,注重能力培养。

3.2.1 以实验设情景(Exprimental design)

学生展示自己实践的奥斯特实验(语言表达能力),如图2所示,在使学生“感受”磁场的同时,引导学生进一步深入思考:如果转动导线,小磁针的指向会发生改变吗?进而引出本节课的内容——载流导线的有旋性。

图2 学生录制奥斯特小实验视频

3.2.2 类比引新知

图3 类比引新知

3.2.3 翻转教学学新知(Flipped classroom)

旋转导线,小磁针的指向会发生变化吗?改变环路的绕行方向会怎样?电流在回路外会怎么样?教师以问题引导学生自行证明稳恒磁场安培环路定理,见图4。将枯燥的理论推导转变为学生阶梯式小任务,强化了学生的认知参与度与知识的生成过程。

图4 阶梯式小任务引导学生翻转学新知

3.2.4 讨论练新知(Discuss)

通过发布“小组PK活动”——“利用稳恒磁场安培定理求解均匀带电球面/球体的空间磁场分布”,提升了学生学习的挑战度,注重培养学生的竞争意识。

3.2.5 归纳总结(Summary)

通过“小组活动”引导学生利用思维导图对本节课的内容进行总结与讲解,培养学生的语言表达能力与归纳总结能力。

3.3 线上课后

教师任务:布置线上作业;在讨论区组织课后研讨。

学生任务:完成线上作业;参加线上课后研讨。

该环节注重学生应用能力的培养。

4 结 论

“SEFDS教学模式是聚焦“新工科”人才培养需求,改变传统“一言堂”教学模式的单调沉闷,以学生为中心,在教学过程中注重学生知识的参与度、知识体系的生成过程与产出度,强化对学生的自学能力、创新能力、应用能力的培养与锻炼。