高校物理课堂中如何有效教与学

裴丽娅

（北京化工大学 数理学院，北京 100029）

物理学是人们在探索自然奥秘过程中形成的重要基础科学，它的各个分支学科已经高度渗透到提高现代生产生活质量的方方面面。在信息化高度发展的今天，大学生的兴趣点和关注点更加多元，因而人才培养的模式发生了重大变化。同时，在人工智能和大数据的时代洪流中，与现代科学文明相关的专业知识的精细化和交叉化，对人们的当下和未来提出了更高的能力要求：信息甄别，独立思考，终身学习。高校物理课堂作为培养新时代高素质科学创新青年人才的重要场所，适应于过去时代的知识“满堂灌”［1］不再适应当前时代的发展需要，而致力于挖掘和增强学生提出与解决问题的内驱力才是本科教学与人才培养的核心任务。

一、高校物理教与学的现状及反思

（一）关于“教”

学生学习有勤有惰，高校教师亦有“用心”授课与否的区别。当然，这里面存在着有无充分时间、意愿和能力，以及是否能得到必要的管理支持等多种原因。物理学科是基础学科，北京化工大学物理系的教师除了针对本院系专业的本科生开设相关专业课和核心课，还需要面对全校开设“普通物理”及实验课程作为通识基础课供各院系各专业的本科生进行必修。就笔者而言，四年时间内先后讲授过“半导体物理”“普通物理”“大学物理实验”和“固体电子学”等课程，另有针对物理文献阅读相关的“科技英语”。面对繁重的课程任务及不同专业或兴趣背景的学生，还有教师个人或团队的物理科研任务及职业理想，使得教师一直在完善授课内容和思路，以及在推进科研进度的路上废寝忘食。然而，在目前的物理课堂上，往往是教师讲得“头头是道”，平时测试和结课考试的结果却常常不尽如人意。课堂教学作为实施本科教育最重要的一环，达不到教师备课时期待的育人效果，总是憾事。有物理教育研究［2］表明，以传授知识为目的的传统教学方式，学生的学习成效和困难基本上与授课教师没有关系。

（二）关于“学”

通过匿名问卷和课下谈话等不同形式，针对学生“不想学”或“学不好”物理相关课程的现象进行探究，我们发现学生在主观上的学习内驱力较弱是核心原因。比如，在“普通物理”课程中，部分学生表示学习物理的过程比较枯燥，上课只是为了应付考试拿到学分，找不到“我为什么要学”的深层次原因。需要知识具备眼前认知能力之内所识别的实用性的想法，与大学的办学宗旨或功能是相矛盾的。在这个瞬息万变的信息时代，这样的想法尤其危险。还有部分学生觉得课堂上似乎都听明白了，下课就糊涂了，知识留存率较低。对于最终考试成绩好的学生，从平时互动表现来看，可能也只是分数高，并不意味着他们在生活的大课堂中可以学以致用、举一反三，知识失去了作为创新“源头”的作用。

（三）“教”与“学”换位思考

人在婴幼儿时期，对自然界是有着非常强烈的探索愿望的。大学生各种表现形式的惰学现象，来自后天环境对其学习内驱力的磨灭，本质上涉及的是“如何有效学习”的问题。教师应该试着站在学生的角度接受这些学习状态，并理解其背后的原因。学生如无法对物理相关课程进行有效学习，重要的原因主要有：教师的“教”打开方式不对，没有引导学生主动要学的内驱力；学生的“学”找不到价值入口，没有找到“我为什么要学”的真正支撑点，更谈不上学以致用。高校物理课堂的教与学，面临着严峻的考验，亟须改革与创新以满足社会和人类发展的需求。

二、科学社会与课程思政

细菌和病毒永远是人类需要应对的挑战。人类要在这个地球上高质量地生活，基础科学是最重要的支撑。作为青年力量的我们如何实现个人价值，在这个过程中能为社会做些什么呢？19世纪，法国微生物学家巴斯德开启了人类治疗狂犬病的历史，被世人称颂为“进入科学王国的最完美无缺的人”。他取得多项重大历史成就的秘诀在于，他招募世界各地不同科学背景的人，追踪社会需求中亟须解决的重大问题，推进“跨学科研究”，既解决了实践的应用问题造福社会，又在基础研究上获得重大成就。

2022年6月，新东方旗下直播间“东方甄选”用做教育的理念做上课式双语直播带货，短时间内就受到了人们大量的关注与喜欢。俞敏洪让人们知道相比于“表演”，知识底蕴和文化素养才是大浪淘沙之后最终能留下的金子，人需要不断地学习和创新，韬光养晦才能厚积薄发。

拓宽视野和跨学科式关注前沿科学与社会问题，是激发学生提出与解决问题的内驱力的重要一步。20世纪顶尖的物理大师费曼在其著名的《费曼物理学讲义》中，传达了他的重要教学理念：物理课不能单纯讲物理本身，也需要定性地将物理学的各个方面及与其他学科和生活周边的联系介绍出来。这也是如今逐渐受到高校重视的物理教育观念转变的问题［3］。大学校园不是“象牙塔”，作为即将步入社会各个岗位或进一步专业深造的大学生，应当具有强烈的社会责任感和造福人类的心理倾向，要为自己的“学”找到价值入口，从而获得进行有效学习的力量源泉。

三、引导“课堂”向“学堂”转型

（一）规划微课图景助力学生自主学习

微课［1］是以微视频为主要形式，辅助以文字讲解知识点的教学形式，表现力和感染力明显优于以板书和PPT为主的教学形式。在教学过程中，微课就像是精练的课程“细胞”，便于学生专注重点；分享性强，推动以灌输书本知识为主的“课堂”向以学生自主学习为主的“学堂”转型。

针对同一系或专业的物理课程，如果院校管理层面可以多方位支持组织教师联合团队，对重要知识点进行分工梳理和集中整合，共同制定有逻辑管理规划的微课图景，教学将会事半功倍。在这个微课图景中，知识点之间的关系尽可能清晰明了，先行的学习往往使得后行的学习更为容易。在先后具体实施的课程中，师生可按需取用相关微课小视频，便于学生建立自己的知识体系，也避免浪费时间重复教学。

（二）形象类比法助力学生消化知识点

在物理教学过程中，如果只是对知识点进行常规描述，学生即便明白了逻辑或推导，也常常因为应付考试而使得学习过程较痛苦，从而导致部分学生结课之后很快地遗忘该课程教授的内容，更不用说课堂知识能够帮助学生解决课堂外遇到的问题。认知科学告诉我们，当人们接触到新知识时，如果可以与其先前的认知——所谓的“经验”或“知识库”产生“链接”，则更容易让大脑理解、接纳和留存。而形象类比法，就是一种很好的“链接”新知识与旧经验的桥梁。譬如，“费米能级EF”是在与固体物理相关的课程中有所涉及的重要概念，在一定温度下EF能完全确定电子在量子态上的统计分布，然而在课堂上学生常常无法真正接纳和运用。但如果把“费米能级”类比为特定水位线，把电子类比为水分子，则与此概念有关的内容在学生大脑中就有了画面感。当热力学温度T=0时，“水分子”全都被“冻住”在“水位线”以下；当T＞0（温度不很高）时，极少数“水分子”从“水位线”附近逃离，成为处于“水位线”以上自由的“蒸汽”。学生亦更容易掌握两块半导体接触结合形成p-n结时，其能带和势垒高度的形成：在接触之初，两个“河堤”（导带底）高度相同，但由于“水位线”高度不同，“水”将从“水位线”高的n区流向“水位线”低的p区，因而n区“水位线EFn”不断下移，p区“水位线EFp”不断上移，直至二者等高即达到平衡状态，此时p-n结中有统一的“水位线”（费米能级处处相等）。在这个过程中，接触区之外的仍然是p区和n区，所以只能是p区能带与n区能带相对整体移动。因此，在接触区形成一个弯曲的“河堤”，弯曲量（p-n结势垒高度）为EFn-EFp。我们可以制作相应的微课视频帮助学生对“费米能级”概念及其相关内容形成深刻印象。

（三）提供知识点与物理现象之间的链接

一般来说，每门课程都设定了固定的学时，授课教师为了按时完成教学大纲内容任务量的要求，往往会进行知识“满堂灌”。但在当前信息网络时代，搜索到物理知识并不是难事，难的是如何进行独立思考和甄别，有效学习及将知识转化为自己的思想。而高校物理课堂就应该也必须肩负着培养学生该方面能力的重担。

物理是实验科学，是人们在生产实践过程中对自然规律的发现和总结，再完美的理论模型都不能脱离实验事实。而在非实验课的教学中，基本是偏重物理理论及结论的传授，而忽略了物理思维历程的探究和实验感官经验的建立。后者正是打开学生学习物理大门的钥匙，学习的过程应该是体验“看得见摸得着的生动有趣”，而不是想象高深的概念和烦琐的公式堆砌起来的“空中楼阁”。以面向全校开设的理论课“普通物理”为例，虽然在“大学物理实验”课程中有不少内容与其呼应，但因课时有限，使得多数学生的目标仅是尽快按照课本上的实验步骤获得数据完成报告，几乎无“有趣”可言；同时更重要的是，因为是不同的课程，在教学计划安排上是否将相关内容进行了高度有机结合并没有引起足够的关注。

然而，物理作为自然科学的上游学科［3］，其高校教育是现今时代培养科学创新素质人才的首要基石。针对当下物理教学现状，我们应该有所认识，继而有所改善。首先，院校应该足够重视实验在物理教学中的地位，开设多种类型的实验，除了开设普通物理实验外，还需开设近代物理实验和前沿物理实验，并且面对全校实行预约制开放，每个实验配备专门的助教，定期有教师在场并预告开放时间，从而提供学生根据兴趣接近或深入高端与前沿物理的机会和渠道，制定规则灵活地给完成相应实验探索的学生计入必修或选修学分。

以激光为例。激光理论早在1916年就被爱因斯坦提出，第一台激光器也在1960年被梅曼研制出来，现如今激光的应用已非常广泛。然而，我们的课堂基本还停留在仅让学生从PPT中理解激光产生的三要素，很少有学校提供平台让学生有体验制作激光的机会。是因为制作非常烦琐且需要耗费很多时间吗？非也。早在十年前德国的卡尔斯鲁厄理工学院，助教为实验教室搭建的简易氮分子激光器在空气中就可以工作［4］，所用的基本器材除了高压电源外，仅仅是两块铝板、一片铝箔、一张塑料薄膜、一个电阻和两颗螺丝钉。为了在实验室顺利制作激光，学生必然会主动提前了解激光器的原理，在操作中遇到困难又会让他们主动思考对理论是否理解到位。最终，学生回到理论课堂进行讨论总结或深入拓展，在整个学习过程中学生建立了自己的感官经验，物理知识才会真正沉淀为他们自己的思想。

另一方面，也可以根据理论课内容设计简洁小巧但内涵丰富且物理概念清晰的随堂实验。当然，这需要授课教师深厚的物理功底，并投入大量的时间设计课堂内容（包括相关的实验小道具）。在课前预习部分，可以要求学生先行针对知识点尝试设计小实验，并写出课前预习报告，作为该门课程考核的参考。这样一来，学习的过程是独立思考先行并在课堂中能够与师生的思想进行“碰撞”，而不是课前未预习、课中被动接受教师的灌输。

在高度信息化的时代背景下，提供资源和平台引导“课堂”向“学堂”转型，使得学生能够进行“有效学习”，是增强学生提出与解决问题的内驱力的主要任务。

四、授课教师应持续推进教学研究

本校从2021级开始，实行本科第一年大类统一培养，在此阶段坚持夯实数理基础，培养学生学习兴趣和主动学习意识，初步养成独立思考和善于分析问题的习惯。经过一年的大类培养，要求掌握数学、物理等自然科学的基础知识，并能运用相关知识表述、推演和分析相关专业问题。无论专业分流后学生是否选择与物理相关的专业，物理基础知识是每一个理工科学生必修的内容，也与每一个人的生活息息相关。当今科技与社会高速发展，授课教师应跟随时代变化而推进教学研究，才能为持续挖掘学生学习的内驱力提供源源不断的动力。

（一）物理教学与科研的关系

在本科物理教学过程中，让学生获得知识和培养学生探索未知的能力同等重要［5］，在这个需要终身学习的信息时代，后者甚至更加重要。作为高校教师，除了需要学习先进的教学理念，注重教授能力的提高外，更要意识到“培养学生探索未知的能力”与“科学研究”是一脉相通的。要将教学与科研有机结合起来，以科研思维带动教学，以教学思维促进科研。与科学研究一样，教学研究同样需要“较真”的精神，每一位授课教师都应该有意识地开展和推进教学研究，把培养学生“想学、学透、学以致用、学无止境、终身学习”的意识作为自己的教育使命和追求。有些高校专门设置纯教学岗的做法有待商榷，高校教师如果只是纯教学，教授课本中清楚描述的知识点，没有科研思考作为“活水源头”，就必然不能成为真正意义上新时代终身学习的带头人。

（二）“渗透式”教学与“透彻式”教学

在物理教学过程中，教师常常重视对知识点进行逻辑严密地描述，为了完成教学大纲的任务要求，而把课堂45分钟安排得满满当当，尽量不要让学生还留有困惑，可以称之为“透彻式”教学。作为重头戏的期末考试基本就是在检验学生“教师教的内容记住了多少”。杨振宁在他1998年出版的《杨振宁文集》当中曾指出，这样的学习过程“过多地强调引导或启发学生，你一本接一本地读书，却让迷障遮住双眼。你不想探究其他事物，也没有人告诉你要深入思考，结果只能是学生学完这一步后还希望有人会告诉他们下一步怎么办。”

与“透彻式”学习不同，“渗透式”作为另一种学习方式，也应该受到重视。很多东西常常是在不知不觉中，经过了长时期的接触，慢慢地就懂了。这是人们从出生以来在经历中不断学习的常态。与之相应的“渗透式”教学，应该也在课堂上占有一席之地。在课堂上不必将所有知识点讲全、讲深、讲透，留下时间让学生自己发现问题、主动思考和互相讨论，最后自己解决问题的成就感，有利于进一步增强学生学习的内驱力，这符合以学生的“学”为中心的思想。

五、以“教”带“学”，基于知识点制作展演作品贡献科普力量

在传统课堂中，学生习惯听教师讲课，是被动学习者的角色。为了提高教学成效，也可以反过来让学生扮演传授知识的角色，在用自己的语言向外输出知识之前，学生就从被动学习者转变为主动学习者，知识留存率将会大幅提高。费曼和爱因斯坦都表达过类似的观点——“如果你不能向其他人简单地解释一件事，那么你就还没有真正弄懂它”。物理不是晦涩的，体现在生产生活、国防、体育及医学等各个方面，学生若能将其中涉及的物理知识点以通俗易懂的语言表达出来，使非专业人士或社会大众也能领会和接纳，那么该知识才算是真正成为学生的思想，这就是以“教”带“学”。

所谓科普，是将专业知识和科学前沿的内容用简洁易懂的方式传达给社会大众。若能带动大学生面向公众科普专业知识，则可谓一举两得，既可以作为实践以“教”带“学”的重要方式，又能让学生群体作为高等教育的受益者为社会贡献一份科普力量，从而增强社会责任感和成就感，进一步增强了学生学习的内驱力。

社会大众并不会对复杂抽象的物理公式和概念感兴趣，要想实现有效科普，学生只是记住了公式会考试是远远不够的，重要的是要能给出明了的“道理”（物理图像）让人建立“新的感官经验”（新知识与先前的经验或知识库产生链接）。有趣的“故事”或“表演”总是吸引人的，物理大师费曼常在轻松的主题故事中完成了对自然法则原汁原味的、深刻理解的表述［6］。在课程学习的过程中，尽可能地提供机会和平台，让学生基于知识点思考如何制作科普展演小作品，其中易于操作的方式有以物理学院或专业为单元建立公众号，将优秀科普作品发布出来；筛选作品的过程也可作为课程考核的一部分。

六、问题及思考

物理教育是高校教学的难点之一，为了更好地科学地改进物理教学，美国在1999年正式将物理教育［7］作为一个研究分支，从而发展出后来的很多教学理论。十年以来，国内一些先行者倡导了其中的很多做法［8］，譬如“同伴教学法”及以学生为中心的主动学习环境与“翻转教学”等。但在国内高校晋升制度和压力之下［9］，好的教学理论在实践之中受重视程度以及成效如何［3］不得而知。最终，衡量教学成功与否的标准，还要看学生学到了什么，是否提高了对物理的兴趣，是否增强了善于独立思考及分析与解决问题的能力。不过，综观高校物理教学的过去与当下，从课程要求、教材建设、课程实施到课程考核等，我们要思考是否仍然有不少的环节是在消耗学生学习的内驱力，学生修完课程后能够留下什么知识。以其中的教材建设为例，教学当中是否必须依靠一两本教材，所用教材多久才会更新，教材内容的呈现方式是否用心激发了学生的学习兴趣，以及对社会问题的关注及思考探索的欲望［10］。教学改革是慢工细活［3］，需要多方位人员的支持与协作。而在这个过程中，授课教师作为学习的引路人，是否得到了必要的支持以不断提高自身的学识和能力，更是需要重点关注的问题。