基于CDIO大學(xué)物理教學(xué)改革的探索

孟雪琴

摘要：CDIO代表構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作，CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果。其中構(gòu)思、設(shè)計(jì)與思維密切聯(lián)系，而實(shí)踐、運(yùn)作則突出了實(shí)踐性的特點(diǎn)。本文論述了筆者在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中把CDIO教育理念融入到理論課程教學(xué)改革的探索與思考。

關(guān)鍵詞：CDIO；大學(xué)物理；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）15-0128-02

一、大學(xué)物理課程特征及學(xué)生學(xué)習(xí)情況

大學(xué)物理是高等學(xué)校理工科專業(yè)學(xué)生的一門重要的必修公共基礎(chǔ)課程，主要為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)與解決工程問(wèn)題的基本技能。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備了扎實(shí)的物理基礎(chǔ)、科學(xué)的物理世界觀和方法論，訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，培養(yǎng)了科學(xué)素養(yǎng)與工程應(yīng)用能力。傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）細(xì)致有余，生動(dòng)不足：傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容過(guò)細(xì)、過(guò)難。教學(xué)中大量精力耗費(fèi)在個(gè)別問(wèn)題上，著力于將問(wèn)題講得有深度，也就把物理課程變成了晦澀、枯燥的課程。不利于激發(fā)學(xué)生的興趣，也不能有效引導(dǎo)學(xué)生思考。（2）重理論、輕應(yīng)用：傳統(tǒng)大學(xué)物理課程中以理論講授為主，缺乏實(shí)際應(yīng)用案例分析，不符合工程教育的需要。（3）重知識(shí)，輕能力：傳統(tǒng)教學(xué)以掌握知識(shí)為目的而不是以培養(yǎng)能力為目的；培養(yǎng)了解題能力而不是實(shí)際分析能力。

為了改善大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，筆者著重在以下幾方面對(duì)大學(xué)物理教學(xué)進(jìn)行了改革探索以適應(yīng)CDIO理念教學(xué)。

二、課程改革任務(wù)及目標(biāo)

1.教學(xué)目標(biāo)的改革。為了較好的融入CDIO教育理念，優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，也為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力及動(dòng)手能力，在教學(xué)改革過(guò)程中，項(xiàng)目組成員經(jīng)過(guò)探討與分析，重新擬定了大學(xué)物理教學(xué)任務(wù)及目標(biāo)：（1）要求教師注重基本物理量的意義及用途，學(xué)生注重理解及應(yīng)用基本物理量，為后續(xù)專業(yè)課程奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。（2）要求教師引導(dǎo)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)及訓(xùn)練，要求學(xué)生靈活應(yīng)用高數(shù)上的微積分意義，將物理模型轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)計(jì)算，不強(qiáng)調(diào)計(jì)算過(guò)程，掌握微元分析法。（3）要求學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)，完成2個(gè)小項(xiàng)目。

2.教學(xué)內(nèi)容的改革。經(jīng)典物理學(xué)在工程技術(shù)中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，但經(jīng)典教材注重理論知識(shí)的闡述，例題也僅注重理論計(jì)算而較少涉及應(yīng)用。如經(jīng)筆者近幾年的教學(xué)總結(jié)，在一般的大學(xué)物理教材中，靜電場(chǎng)（不包括靜電感應(yīng)部分）共有概念6個(gè)、定理定律5個(gè)、例題11個(gè)，知識(shí)點(diǎn)并不是很多，在以往的教學(xué)過(guò)程中本章的教學(xué)要求如下：（1）掌握描述靜電場(chǎng)的兩個(gè)基本物理量——電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的概念。（2）理解靜電場(chǎng)的兩條基本定理——高斯定理和環(huán)路定理。（3）掌握用點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度和疊加原理以及高斯定理求解帶電系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度的方法；能用電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)梯度的關(guān)系求解較簡(jiǎn)單帶電系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，但是教材上涉及到的公式有40個(gè)左右，故學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)覺(jué)得難度較大。這些公式大多都是用疊加定理與高斯定理來(lái)計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度的，而這兩方面的計(jì)算要求學(xué)生熟練使用積分和劃分微元的方法，對(duì)于很多學(xué)生，數(shù)學(xué)知識(shí)本就不扎實(shí)，故計(jì)算難度較大，學(xué)生也覺(jué)得枯燥，很多學(xué)生物理知識(shí)能理解，一旦涉及到積分計(jì)算就束手無(wú)策，學(xué)生就失去了學(xué)習(xí)的信心和樂(lè)趣，體現(xiàn)不了工程應(yīng)用，明顯與先進(jìn)教育理念不符合。另外，物理學(xué)是一門發(fā)展中的科學(xué)，發(fā)現(xiàn)了許多新現(xiàn)象、新規(guī)律，如激光、超導(dǎo)、核反應(yīng)、混沌、分形等，其中很多理論已經(jīng)成熟，且已達(dá)到了實(shí)用階段，能有選擇地將它們引入教學(xué)，學(xué)生就會(huì)感到他們所學(xué)的物理課是一門充滿生命力的科學(xué)。因此，為了實(shí)現(xiàn)上述的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容必須重構(gòu)。在知識(shí)體系上，項(xiàng)目組繼續(xù)保留力、熱、光、電和近代物理5大部分。每部分根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)把知識(shí)模塊化，先提出應(yīng)用專題，根據(jù)應(yīng)用模型引入概念、基本原理，進(jìn)而用基本物理知識(shí)解決問(wèn)題。由于我校專業(yè)特征，下邊主要給出電磁學(xué)及光學(xué)部分的專題內(nèi)容：（1）電磁學(xué)部分：①電場(chǎng)促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，涉及基本概念：電場(chǎng)強(qiáng)度；涉及基本定理：電場(chǎng)強(qiáng)度疊加原理，勻強(qiáng)電場(chǎng)的產(chǎn)生。②電力工作人員高壓作業(yè)安全保護(hù)措施及高壓變電站周圍電網(wǎng)的作用，設(shè)計(jì)基本原理：靜電屏蔽。③針的使用，涉及知識(shí)：尖端放電。④電容器，涉及的基本概念：電勢(shì)；涉及基本知識(shí)：電解質(zhì)極化。⑤高壓線周圍的安全距離計(jì)算，涉及知識(shí)：直流導(dǎo)線的磁場(chǎng)。⑥線圈三相發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理，涉及知識(shí)：電磁感應(yīng)。⑦其他發(fā)電方式，涉及知識(shí)：霍爾效應(yīng)。⑧學(xué)生參與項(xiàng)目：制作小型發(fā)電機(jī)；制作靜電屏蔽演示儀器；制作電磁繼電器。（2）光學(xué)部分：①太陽(yáng)眼鏡的原理，涉及知識(shí)：薄膜干涉；②光子計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)知識(shí)：邁克爾遜干涉；③哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，涉及知識(shí)：圓孔衍射；④偏光鏡的應(yīng)用，涉及知識(shí)：光的偏振；⑤學(xué)生參與項(xiàng)目：制作紅綠光鏡；干涉衍射在日常生活中的應(yīng)用。

3.教學(xué)方式的改革。教學(xué)方式的改革也是亟待解決的問(wèn)題。基于CDIO理念，改革后的教學(xué)以學(xué)生為主體，采用劇本式的教案，教師是導(dǎo)演，學(xué)生是演員，講臺(tái)就是舞臺(tái)，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。下邊以薄膜干涉知識(shí)講解為例進(jìn)行說(shuō)明。首先，教師給出應(yīng)用模型太陽(yáng)鏡，請(qǐng)同學(xué)們查閱太陽(yáng)鏡的作用、工作原理，然后進(jìn)行歸納總結(jié)，提煉出知識(shí)點(diǎn)：薄膜干涉。自主學(xué)習(xí)薄膜干涉原理，提出疑問(wèn)，教師解答并進(jìn)行梳理，最后依據(jù)薄膜干涉原理要求學(xué)生設(shè)計(jì)某種反射鏡薄膜，最終形成以下形式的教學(xué)。

4.考核方式的改革。由于教學(xué)目標(biāo)的改變，對(duì)學(xué)生考核也不再以一張?jiān)嚲碜鳛樵u(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，改革后的考核方式分為如下兩方面。

三、結(jié)語(yǔ)

改革后的教學(xué)過(guò)程將打破一本書、一講臺(tái)、一教師，轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒗碚摶A(chǔ)知識(shí)翻譯給學(xué)生的狀態(tài)。扭轉(zhuǎn)大學(xué)物理一直以來(lái)的“兩難”問(wèn)題，使學(xué)生在做中學(xué)，玩中學(xué)，充分實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理的學(xué)科價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用能力及創(chuàng)新精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧佩華，陸小華.CDIO大綱與標(biāo)準(zhǔn)[M].汕頭大學(xué)出版社，2008.

[2]馬文蔚.物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.