文科物理教學方法改革嘗試與思考

王曉鷗 霍 雷 孟慶鑫 趙 遠 張 宇

（哈爾濱工業大學物理系，黑龍江 哈爾濱 150001）

文科物理教學方法改革嘗試與思考

王曉鷗 霍 雷 孟慶鑫 趙 遠 張 宇

（哈爾濱工業大學物理系，黑龍江 哈爾濱 150001）

本文從我校多年的教學實踐與教學改革所進行的一些嘗試中，重新思考了有關文科物理課程的教學內容、教學方法、教學手段以及考核方式.并從文科學生對待物理學的心理、學習物理的態度上分析了目前在美國、中國臺灣地區以及一些歐洲國家的大學盛行的一種新的教學模式——工作室物理，應用于文科物理教學的可能性和必要性.

文科物理；教學方法；工作室物理

1 引言

文科物理是指對文科類學生開設的物理課程.由于我國的教育體制，文科學生從高中二年級時就不學習物理了，再加上文科學生多數是不喜歡物理或是懼怕物理才選擇學人文等社會科學的.這些學生的物理基礎很薄弱，并且對物理有一種抗拒情緒，導致他們對物理課程的不重視，多數學生是抱著只要能通過、能拿到學分就行的想法來上物理課的.面對這種局面，文科物理課“教什么”、“怎么教”是擺在每一位任課教師面前的重要課題.本文從我校多年的教學實踐與在教學改革中所進行的一些嘗試中，重新思考了有關文科物理課程的教學內容、教學方法、教學手段以及考核方式.

2 文科物理教什么？怎么教？

2.1 教什么

物理學是研究物質的結構、相互作用和物質基本的、普遍的運動形式及其相互轉化規律的科學.物理學原理是技術的源泉，是多學科交叉、轉移和滲透的支撐點，在研究型理工科人才培養過程中，物理學知識具有先導性和全局性作用；物理學的研究方法全面涵蓋了現代科學研究方法論，是培養學生從事創造性研究的基礎.這就決定了大學物理課是工科各專業的必修基礎課，但對文科學生來說，他們參加工作后所從事的領域絕大多數是與物理無關的，更何況物理學對他們來說是一門非常難學的課程，尤其是一些公式推導、數學運算和繁復的公式、符號等如同“天書”.面對這種情況，我們首先考慮的是為文科學生開設的物理課應該教什么？它絕不應該是理工科物理的簡化，應該是物理思維、物理方法，這是共識.怎樣將物理思維、物理方法傳授給文科學生，仁者見仁智者見智：有人結合物理學史傳授物理思維、物理方法；有人結合當代高新科技的發展過程傳授物理思維、物理方法.

我們認為文科物理既然叫物理，就應傳授物理學的基本知識、基本概念、基本規律和基本方法，從中傳播物理思維、物理方法，即通過物理學基本概念、基本規律的講解傳播物理學的思維方式以及物理學中分析問題、解決問題的方法.那么，怎樣將枯燥的物理學知識、物理學基本規律傳授給文科學生，是每一位任課教師必須面對的問題.

幾年來，我們在教學內容的選擇上作了多次嘗試，最初是將工科物理學內容作了簡化，效果不是很好.從2007年開始，我們改變了教學理念：從文化的角度傳播物理學知識，引導文科學生用科學的思維方法分析問題，重在拓展文科學生的科學視野.我們將重點放在介紹物理學的思維方式以及物理學中分析問題、解決問題的方法上，突出了科學思想和文化內涵，注重科學教育與人文教育的交融.我們采取的具體辦法是，以物理學發展史為線索，但又不能將文科物理變成物理學史課程，主要講解物理學的基本規律，從物理學的發展過程中讓學生了解物理思維方式的形成以及物理學對高新科技、對社會發展的影響.

例如對光本性的探究過程中，從牛頓的微粒說（介紹光的直線傳播、反射、折射成像等），到惠更斯的波動說（光的干涉、衍射、偏振等），再到愛因斯坦的光量子說（光電效應、康普頓效應等），通過對具體物理概念的不斷深入的認識過程中，介紹著名物理學家的創造性思維，培養學生的科學素養和創新能力.如講解光的全反射概念時，結合光的全反射原理介紹了2009年諾貝爾物理學獎的獲得者華裔物理學家高錕及其光纖通信原理、光纖網絡等，擴大學生的知識面、開闊視野，提高學生的綜合素質.再如愛因斯坦在解釋光電效應時，首先考慮到普朗克的電磁輻射機理：空腔中頻率為ν的電磁場以hν為基元能量向外輻射，稱這個基元能量為能量子，電磁輻射的能量是由能量子組成的，那么光的產生和轉化是否也具有這樣的性質呢？如果一個物體發射量子（普朗克的空腔），而另一個物體（光電效應中的陽極板）吸收它們，那么在兩個物體之間的空間中發生了什么呢？愛因斯坦認為在這兩個物體之間通過的能量同樣像是以光速飛行的量子（光量子）組成.也就是說，愛因斯坦提出輻射的能量不僅在吸收和發射的過程中是一份一份的，而且他把電磁波在空間的傳播途徑也描述為一連串的能量量子流hν.這樣，愛因斯坦就把輻射、傳播和作用三個環節中的光（電磁場）都統一地看作了光量子，從而合理地解釋了光電效應中的電子產生過程.這一思維方式同樣適用于人文科學領域.

如我校10級法學專業的郝華興同學說：“……這種思維方法對我們有莫大的益處，……在民法領域，社會生活中存在著復雜多變的平等主體之間的財產關系和人身關系，當我們拿到一個具體案例時，首先應判斷此案例是涉及物權關系還是債務關系等等，要發現是發生了哪種民事法律糾紛，應該運用哪些具體的法律規范，其次是根據民事法律關系的性質查找相對的法律條文，若無明確的法律規定，可尋找相關的法律基本原則、立法解釋、司法解釋等，直至找到適用案件的對策……”.房月同學寫道：“……法學專業與實際生活聯系密切，它要求它的學習者對現實生活有敏銳的洞察力，而這種關注生活的能力，也是物理學能夠賦予的……我在哈工大學物理，學習的不僅僅是物理學科，學的是一種思維方法.”.10級國際經貿專業的朱越同學寫道：“……物理學的思維對經濟學的分析真的很重要.比如伽利略在研究事物時的科學研究方法……也是經濟學研究必不可少的……物理學概念也在不斷地向經濟學滲透，如期權定價公式就是利用布朗運動和隨機微分方程給出的……”等等，這樣的感悟很多，這里不一一列舉.

2.2 怎么教

在如何調動文科學生學習物理的積極性、主動性上，我們一直在不斷地改進和嘗試.最初我們嘗試給學生留大作業，擬好題目，如時間是什么？熵帶給我們的思考等一些能激發學生想象空間的選題.并以班為單位，選派一人做成PPT到講臺上講解，給學生展現自我的機會，收到了一定的效果，但缺陷是只是到講臺進行講解的學生作了認真的準備，其他學生只是完成作業而已.為了調動廣大學生參與的積極性，后來推廣到五六個人一組，教師隨機抽取學生到講臺上講解，參與的學生數增加了，學生對本門課程的重視程度增加了，取得了較好的教學效果.例如06級英語專業的陳香同學圖文并茂、生動、風趣地講述了質量、能量關系；08級法學專業的吳龍洋同學從法律的角度理解時間概念，等等.但這只是對某一專題的討論，知識面有點窄，若要求學生能認真對待每一節課，就要調動每一位學生學習的熱情.今年我們采取的方法是，每節課結束時都要留作業題和預習題，下次課隨機提問預習題，督促學生養成課后復習和課前預習的良好習慣，取得了良好的效果.如10級國際經貿專業的王婉婉同學寫道：“……我覺得留預習題還是不錯的，留有懸念……自己動手查的內容記憶會更深刻.”

但這些都是教師推著學生學習、是被動的，怎樣喚起文科學生學習物理學的熱情、變被動學習為主動學習，我們認為還應從學習興趣著手.

2.3 如何實現師生互動

要調動文科學生學習物理的興趣、學習的主動性，應采用互動式教學方式，讓學生真正成為教學的主體.我們所作的種種嘗試，都是試圖調動學生學習的積極性和主動性，雖然取得了一定的效果，但還有很多不如意之處，如多數學生是在被動地學，學生的學習興趣并沒有調動起來.要讓文科學生對物理感興趣，首先要消除他們對物理的畏懼情緒，讓學生體會物理、感受物理，給學生動手鍛煉的機會，即讓學生自己動手做一些簡單、與生活聯系密切的小型實驗，從中尋找樂趣、激發靈感；其次，要減少學生的心理壓力，營造一種師生平等、民主的課堂氣氛，使學生能夠自由發言，主動思考；第三，引導、激發學生學習物理的興趣.

2010年臺灣中正大學物理系主任魏臺輝教授①來我校講學時，介紹了他們學校的工作室物理（Studio Physics）教學模式、教學實踐以及取得的良好教學效果（見附錄）.

工作室物理這種教學模式已在美國、中國臺灣地區以及一些歐洲國家的大學盛行十多年了［1～4］，它最先由美國倫塞勒工學院（Rensselaer Polytechnic Institute，簡稱RPI）于1993年在教學中進行實踐［5］，麻省理工學院（MIT）是使用Studio Physics最具影響的學校之一［6］.工作室物理將理論、實驗以及學生間的互助學習融為一體，是一種以學生為中心、提升學生自主學習能力的教學模式.多年的實踐表明，這種教學模式不僅培養了學生探索物理知識的能力，還全面培養了學生在集體環境中自我學習、自我成長、自我完善的能力，培養了學生團隊合作精神.由于工作室物理教學模式的成功，如今，美國一些大學已經開始在化學、工程類等［7，8］課程中實施這種教學模式.

3 工作室物理

工作室物理最大特點是將傳統授課和課堂活動融為一體，充分發揮學生自主學習的積極性.標準的工作室物理需要在一個專門的工作室物理教室中進行.這一教室除了具備我們一般多媒體教室的功能之外，在每一張課桌上放上小型實驗儀器，有條件的情況下，在課桌上配備網口和與Lab－Pro Device相連接的USB接口，通過Logger Pro數據采集軟件，可以將桌上實驗的數據進行采集處理，從而方便學生對數據進行分析.課堂規模：麻省理工學院（MIT）為60～90人、臺灣中正大學為99～117人（視教室情況而定），兩三個學生組成一組.圖1分別給出了RPI、臺灣中正大學以及MHT的Studio Physics教室實景.在教學過程中，教師可作精簡的講授，之后學生以學習小組為單位做實驗（稱為課堂活動）.每個班級配備一名主講教師，一名研究生助教，一名本科生助教.助教的作用是在課堂活動期間巡視課堂，及時解決學生的問題.這種教學模式強調的是學生互助式學習，以學生為學習主體，實現師生間的高度互動.

圖1 工作室物理教室實景

這種教學模式的其優點在于：（1）將實驗操作融入課堂教學環節中，不僅讓學生學習物理知識，更重要的是讓學生感受物理，完全整合了理論和實驗課堂，可充分發揮學生自主學習的積極性；（2）教師融入學生中，形成一種平等、易于溝通和交流的良好課堂氛圍，便于實施互動式教學.從教學理念而言，其旨在倡導教師引導、學生參與的互動式教學.

基于工作室物理的特點，我們認為這種教學模式不只適合工科物理，也非常適合文科物理教學.這種學生互助、師生互動式教學模式是文科物理課程教學最適合的教學方式.它提倡的是師生平等、民主的課堂氣氛，減輕了學生的心理壓力，為學生之間、學生與教師之間的溝通、交流提供了一個很好的場所.

4 嘗試改革考試方式

在以往的教學中，我們摒棄了由一張考卷決定成績的不科學的做法，在考試方式上作了初步改革嘗試，采取了“平時成績＋小論文＋師生互動（主要是針對某一選題學生做成PPT到講臺上講解）＋期末考試”的考試方式，基本上起到了素質教育的目的.使學生在掌握物理知識的同時提高了科學人文素質.

本課程的小論文側重文化層面，寫一篇物理學原理對你（人生）啟示的文章或感想，讓學生體會物理，感受物理文化，同時領悟人生哲理.如08級國際經貿專業宋晶晶同學寫道：“……人際關系中難免會出現摩擦，如果雙方都不肯寬容處之，那么就像作用力與反作用力，摩擦永遠都不會消失.所以不如寬容些，先放手，讓力消失，摩擦自然會消逝……”；07級英語專業冷曉東同學寫道：“……在社會交際時，人與人之間的交往就像作用力與反作用力一樣，你如何對待他人，也將獲得一個等量的回報……”.我們還嘗試了讓學生聯系所學專業，從所學專業角度闡述物理概念、理解物理學原理，08級國際經貿專業的孫雪梅結合愛因斯坦質能關系式E＝mc2將“……質量m與能量E比作兩種貨幣m和E，原先認為不能相互兌換，愛因斯坦發現：E是流通貨幣，m是存款，兩者可以兌換，兌換率是c2……”；10級的朱文岳結合能量守恒定律闡述經濟學上的“價值規律”：“……即商品的價值量取決于社會必要勞動時間，商品按照價值相等的原則相互交換.它是商品生產和商品交換的基本經濟規律.如果在買賣交換中不遵守等價交換原則，買家過分壓低價格，賣家故意虛高價格，都是不能長久的，終將被市場淘汰……”.學生感受的物理不只是科學，而更多的是文化——物理文化.

這種多元化的考試方式雖然取得了一定的效果.但還不夠完善，教師對每個學生的學習情況了解的不夠全面，很難恰當地評價每一位學生.要對教學方法、考核方式作根本性改革，我們認為工作室物理的教學模式是最好的選擇.

在工作室物理的教學模式中，由于教師與學生接觸密切，教師對每個學生都有全面的了解，可對學生做出正確的評價.這種教學模式的考試重點放在對平時的考核上，這樣做的優點是讓學生重視平時的學習效果，認真對待每一節課，避免了平時不學習、考試前集中突擊的現象，也可避免由一張考卷決定成績的不科學的做法，對認真學習的好學生是認可、是鼓勵，對不認真學習的學生是鞭策、是督促.既減輕了學生期末考試的負擔，又能從學習態度、理解能力、動手能力等方面公正、恰當、全面的考核學生.

［1］ Karen Cummings，Jeffrey Marx，Ronald Thornton，and Dennis Kuhl.Evaluating innovation in studio physics［J］.Phys.Educ.Res.，Am.J.Phys.1999，67（7），S38

［2］ Patrick B.Kohl，H.Vincent Kuo，and Todd G.Ruskell.Documenting the conversion from traditional to Studio Physics formats at the Colorado School of Mines：Process and early results［J］.AIP Conf.Proc.2008，1064，135

［3］ T.E.Furtak and T.R.Ohno.Installing Studio Physics［J］.The Physics Teacher.2001，39

［4］ G k，Tolga.Exploring of Students'Performances，Motivation Processes and Learning Strategies in Studio Physics［J］.Latin－American Journal of Physics Education.2011，5（1）：1870～9095

［5］ 王鑫，劉全慧.工作室課堂與大學物理教育——介紹美國Studio Physics教學模式［J］.大學物理.2010，29（2）：54～56

［6］ John W.Belcher.Studio Physics at MIT（see http：//web.mit.edu/cet/）

［7］ Lu T M.Turmoil and Opportunities in Higher Education［M］.New York：Integrated Book Technology.1999

［8］ Amy C.Gottfried，Ryan D.Sweeder，Jeffrey M.Bartolin，et al.Design and Implementation of a Studio－Based General Chemistry Course［J］.Journal of Chemical Education.2007，84（2）：265

感謝：

感謝臺灣中正大學的魏臺輝教授提供的資料.

附錄：

統計圖表1至圖表4給出了臺灣中正大學2006年至2009年傳統教學模式與工作室物理教學新模式的對比.圖表1和圖表2分別列出了2006年到2009年春季和秋季學期學生選課情況.深色為選擇傳統授課方式的學生人數，淺色為選擇工作室物理教學模式的學生人數.從中我們看到工作室物理教學模式越來越受到學生歡迎.圖表3和圖表4分別列出了2006年到2009年春季和秋季學期兩種授課方式學生期末考試成績情況.深色為選擇傳統授課方式的學生期末考試成績，淺色為選擇工作室物理教學模式的學生期末考試成績.從中我們看到選擇工作室物理教學模式的學生期末通過率明顯高于選擇傳統授課方式的學生.

2011－11－23）

資金項目哈爾濱工業大學優秀團隊支持計劃和黑龍江省新世紀高等教育教學改革工程項目（項目編號：5284）資助.