基于CDIO大學物理教學改革的探索

孟雪琴

摘要：CDIO代表構思、設計、實現與運作，CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。其中構思、設計與思維密切聯系，而實踐、運作則突出了實踐性的特點。本文論述了筆者在大學物理教學過程中把CDIO教育理念融入到理論課程教學改革的探索與思考。

關鍵詞：CDIO；大學物理；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0128-02

一、大學物理課程特征及學生學習情況

大學物理是高等學校理工科專業學生的一門重要的必修公共基礎課程，主要為學生后續專業課程的學習奠定了堅實的理論基礎，訓練學生科學實驗與解決工程問題的基本技能。通過本課程的學習，使學生具備了扎實的物理基礎、科學的物理世界觀和方法論，訓練了學生的實驗動手能力、團隊協作能力，培養了科學素養與工程應用能力。傳統的教學模式存在以下幾點問題：（1）細致有余，生動不足：傳統大學物理教學內容過細、過難。教學中大量精力耗費在個別問題上，著力于將問題講得有深度，也就把物理課程變成了晦澀、枯燥的課程。不利于激發學生的興趣，也不能有效引導學生思考。（2）重理論、輕應用：傳統大學物理課程中以理論講授為主，缺乏實際應用案例分析，不符合工程教育的需要。（3）重知識，輕能力：傳統教學以掌握知識為目的而不是以培養能力為目的；培養了解題能力而不是實際分析能力。

為了改善大學物理教學現狀，筆者著重在以下幾方面對大學物理教學進行了改革探索以適應CDIO理念教學。

二、課程改革任務及目標

1.教學目標的改革。為了較好的融入CDIO教育理念，優化大學物理教學現狀，也為了培養學生對知識的應用能力及動手能力，在教學改革過程中，項目組成員經過探討與分析，重新擬定了大學物理教學任務及目標：（1）要求教師注重基本物理量的意義及用途，學生注重理解及應用基本物理量，為后續專業課程奠定扎實基礎。（2）要求教師引導學生思維能力的培養及訓練，要求學生靈活應用高數上的微積分意義，將物理模型轉化成數學計算，不強調計算過程，掌握微元分析法。（3）要求學生應用物理知識，完成2個小項目。

2.教學內容的改革。經典物理學在工程技術中的應用已相當廣泛，但經典教材注重理論知識的闡述，例題也僅注重理論計算而較少涉及應用。如經筆者近幾年的教學總結，在一般的大學物理教材中，靜電場（不包括靜電感應部分）共有概念6個、定理定律5個、例題11個，知識點并不是很多，在以往的教學過程中本章的教學要求如下：（1）掌握描述靜電場的兩個基本物理量——電場強度和電勢的概念。（2）理解靜電場的兩條基本定理——高斯定理和環路定理。（3）掌握用點電荷的電場強度和疊加原理以及高斯定理求解帶電系統電場強度的方法；能用電場強度與電勢梯度的關系求解較簡單帶電系統的電場強度，但是教材上涉及到的公式有40個左右，故學生學習時覺得難度較大。這些公式大多都是用疊加定理與高斯定理來計算電場強度的，而這兩方面的計算要求學生熟練使用積分和劃分微元的方法，對于很多學生，數學知識本就不扎實，故計算難度較大，學生也覺得枯燥，很多學生物理知識能理解，一旦涉及到積分計算就束手無策，學生就失去了學習的信心和樂趣，體現不了工程應用，明顯與先進教育理念不符合。另外，物理學是一門發展中的科學，發現了許多新現象、新規律，如激光、超導、核反應、混沌、分形等，其中很多理論已經成熟，且已達到了實用階段，能有選擇地將它們引入教學，學生就會感到他們所學的物理課是一門充滿生命力的科學。因此，為了實現上述的教學目標，教學內容必須重構。在知識體系上，項目組繼續保留力、熱、光、電和近代物理5大部分。每部分根據專業特點把知識模塊化，先提出應用專題，根據應用模型引入概念、基本原理，進而用基本物理知識解決問題。由于我校專業特征，下邊主要給出電磁學及光學部分的專題內容：（1）電磁學部分：①電場促進農作物的生長，涉及基本概念：電場強度；涉及基本定理：電場強度疊加原理，勻強電場的產生。②電力工作人員高壓作業安全保護措施及高壓變電站周圍電網的作用，設計基本原理：靜電屏蔽。③針的使用，涉及知識：尖端放電。④電容器，涉及的基本概念：電勢；涉及基本知識：電解質極化。⑤高壓線周圍的安全距離計算，涉及知識：直流導線的磁場。⑥線圈三相發電機的發電原理，涉及知識：電磁感應。⑦其他發電方式，涉及知識：霍爾效應。⑧學生參與項目：制作小型發電機；制作靜電屏蔽演示儀器；制作電磁繼電器。（2）光學部分：①太陽眼鏡的原理，涉及知識：薄膜干涉；②光子計數器，設計知識：邁克爾遜干涉；③哈勃太空望遠鏡，涉及知識：圓孔衍射；④偏光鏡的應用，涉及知識：光的偏振；⑤學生參與項目：制作紅綠光鏡；干涉衍射在日常生活中的應用。

3.教學方式的改革。教學方式的改革也是亟待解決的問題。基于CDIO理念，改革后的教學以學生為主體，采用劇本式的教案，教師是導演，學生是演員，講臺就是舞臺，充分激發學生的學習主動性。下邊以薄膜干涉知識講解為例進行說明。首先，教師給出應用模型太陽鏡，請同學們查閱太陽鏡的作用、工作原理，然后進行歸納總結，提煉出知識點：薄膜干涉。自主學習薄膜干涉原理，提出疑問，教師解答并進行梳理，最后依據薄膜干涉原理要求學生設計某種反射鏡薄膜，最終形成以下形式的教學。

4.考核方式的改革。由于教學目標的改變，對學生考核也不再以一張試卷作為評判標準，改革后的考核方式分為如下兩方面。

三、結語

改革后的教學過程將打破一本書、一講臺、一教師，轉變為將理論基礎知識翻譯給學生的狀態。扭轉大學物理一直以來的“兩難”問題，使學生在做中學，玩中學，充分實現大學物理的學科價值，培養學生的學習能力、應用能力及創新精神。

參考文獻：

[1]顧佩華，陸小華.CDIO大綱與標準[M].汕頭大學出版社，2008.

[2]馬文蔚.物理學[M].北京：高等教育出版社，2006.