淺析新工科背景下在思維導圖指導下的研討對大學生物理思維的影響

趙超櫻 葛凡 黃清龍 吳玲

【摘要】：大學生物理課程的學習方法跟高中生物理課程的學習方法是完全不一樣的。前者更加側重物理思維的培養和對物理原理的過程分析。本校物理課程中存在的問題，在課程設計中采用教學網絡平臺和思維導圖交互使用的方法，為后續開展物理教學給出指導意見。

【關鍵詞】：新工科背景? 思維導圖? 物理? 教學網絡平臺

【基金項目】感謝杭州電子科技大學高等教育教學改革一般項目（ZX180402309048）支持。

中圖分類號：G624.4

1、大學生物理課程與高中生物理課程的區別

高中生物理課程中介紹的原理通常直接給出最終結論，沒有復雜的推導過程。這樣有部分學生通過強行記憶記住了結果，但是對于為什么會出來這個結果學生思考得非常很少。高中生對物理知識的理解都是片段化的，還沒有完全消化吸收，還不能獨立解決一個理論問題。大學生物理課程剛好反過來重點講這個結果是怎么出來的？大學生物理課程的講解也是依照從一到多，從簡到難的過程^[1]。譬如《應用光學》課程從單個球面鏡成像到兩個球面鏡成像（單透鏡成像）再到多個透鏡構成的透鏡組成像。如果考慮透鏡的厚度，那么兩個球面鏡成像（單透鏡成像）還需要再修正^[2-3]。譬如《物理學原理及其工程應用》課程從單個質點到多個質點，再從多個質點到質點系，舉一反三，再從力學到電磁學，遵從相同的物理思維方式，從抽象到具體。通過物理建模，能獨立的解決一個實際的問題。

2、物理課程的設計和物理思維的培養

大學生物理課程的學習過程中，知識點很多，每堂課的知識點又相互關聯。如果每節課都是推導繁雜的公式，學生最后考試通過刷題獲得高分，這樣長久下去學生對物理課程的學習就會散失興趣，會覺得課程枯燥無味。在新工科背景下，我們將與生活息息相關的有趣的物理現象作為研討題目，讓研討組的同學通過思維導圖先將知識點引出來，并通過實際案例介紹知識點。這些實際案例是他們從小玩過，或者是用過的某些技術，但是不知道其中的物理原理，或者對原理模棱兩可。在此基礎上，通過讓學生課后手工制作和視頻錄制等方式在課堂上進行講解和演示，并運用已有的知識進行數值模擬。這培養了學生的物理思維。讓學生充分的發揮實踐動手能力。這些題目極大的帶動了學生的學習積極性。獨立完成一個小的課程設計，并在課堂上講解和演示，極大的增強他們的自信。這在其他課程中是沒有的。通過《應用光學》課程設計讓大學生了解這些高大上的光學儀器設計的基本過程。從中找到激發點。單純的講課并不能把這個過程完整的呈現出來。這是一個循序漸進的過程。需要學生對光學知識有一定的了解，同時將知識與實踐相結合，培養他們用物理思維方式來思考問題。通過《物理學原理及其工程應用》課程設計整個過程連貫起來就是：發現問題，提出問題和解決問題。物理思維的培養過程是一個循序漸進的過程。最后通過教學網絡平臺考察學生對這個知識點的理解。對于知識點掌握不好的學生，作業打回重做，直到將知識點掌握了為止。這樣的課程設計可以讓學生直觀的體會到物理原理的實際應用與工業界的巧妙設計，感受到物理對于日常生活的重要性和不可或缺性。讓學生從高中的題海戰術中解脫出來，進入物理思維的海洋中去，對很多司空見慣的生活現象能問一個為什么？

3、思維導圖在大學生物理課程學習中的應用

譬如《應用光學》課程中的景深。首先，讓光學專業的學生先通過思維導圖引出照相機、攝影機、望遠鏡等光學儀器要求在某個像平面上給出整個空間的像時產生的景深現象。舉例普通手機拍攝出的背景虛化的景深效果圖。并比較有無景深時，圖像的成像質量。其次，讓學生自己動手做牛頓環實驗，通過調節顯微鏡的調焦旋鈕調節牛頓環圖像，發現在很小的一段距離內都可以看清，并進一步解釋產生這個現象的原因。再次，通過景深計算器、景深軟件來調節參數，給出不同參數對景深的影響。最后，通過教學網絡平臺加深學生對景深這個知識點的理解。

譬如《物理學原理及其工程應用》課程中的竹蜻蜓。竹蜻蜓是世界上最早的飛機模型，17世紀由中國的蘇州巧匠首次發明，18世紀才傳到歐洲。首先，讓機械制造專業的學生先通過思維導圖給出線動量和角動量之間的關聯和區別。舉例花樣滑冰、跳水、九條命的貓等讓學生總結出角動量守恒的條件。其次，讓學生自己動手做竹蜻蜓，研究不同材質、不同橫截面積，不同旋轉速度和不同旋轉角度等因素對竹蜻蜓角動量特性的影響。最后，通過教學網絡平臺加深學生對角動量守恒這個知識點的理解。

參考文獻：

[1]姚文葦。思維導圖在大學物理教學中的有效應用。教書育人（高教論壇），2015，8：94