生物醫學工程專業大學物理課程教學探索與實踐

張 亮

（空軍軍醫大學基礎醫學院 陜西·西安 710032）

0 引言

物理學是研究物質運動最一般規律的學科，是自然科學和工程技術的重要基礎。現代科學各領域包括醫學領域的發展都離不開物理學的支撐，特別是醫學工程領域每一項技術革新都與物理學的新成就和新發現息息相關。因此，作為醫學工程領域發展的骨干力量，在生物醫學工程專業學生的素質培養體系中，物理學具有十分重要的地位。

大學物理作為生物醫學工程專業必修的公共基礎課，不僅是后續其他專業課程的根基，還能進一步培養學生的科學思維和探索精神，提高科學文化素養，為將來的研究或技術工作奠定基礎。隨著“互聯網+”時代的到來，各種信息化手段已逐漸融入各大院校，大學物理的教學模式也在不斷更新升級。從傳統的板書授課到微課、[1]慕課、[2]翻轉課堂、[3]雨課堂；[4]文字、聲音、圖像、視頻等多媒體要素不斷豐富著教學手段，增強授課過程的親和力和時代氣息。同時，大學物理的教學內容也在與時俱進，更貼近實踐應用，更匹配相關的專業課程體系。[5]但是，我們也應當看到：由于專業跨度較大和課程設置的復雜性，“物理難學”的聲音在醫工專業學生中依然回響，學生學習物理的興趣難以激發的問題依舊存在。因此，在教學手段之硬件和教學內容之軟件都在不斷更新升級的今天，如何“軟”“硬”結合以提高教學質量，讓醫工專業的學生真正在大學物理這門課程的學習中有所思、有所悟、有所獲，這是所有大學物理教員常備不怠的重要課題。

要充分利用課堂教學這個平臺，將“軟件”加載到“硬件”上，教員的教學理念和教學方法至關重要。本文結合本校大學物理課程和生物醫學工程專業學生特點，基于自身教學經驗，提出并探討了一種新的教學理念和可供參考的教學新方法，旨在提升生物醫學工程專業大學物理課程教學質量，激發學生的學習興趣，提高學習效率，促進其綜合素質的提升。

1 大學物理課程性質分析

大學物理課程的教學目的是使學生深入系統的掌握物理基礎理論、基本知識和基本技能，從而為其他專業課程的學習特別是進一步學習新理論、新技術，不斷更新知識，以及將來從事本專業工作，奠定必要的基礎。其特點在于：

1.1 基礎性

大學物理主要學習物理學的基礎理論，每部分內容后續都有專業基礎課程與之對接深化。基礎課程的意義是隱性的，學生在學習時會覺得很重要，但沒有重要在哪的實感，學習能動性受興趣牽引的情況較普遍。教員在授課時也會面臨深度把握問題：要么過于深奧，內容無趣；要么生動有余，內涵不足。

1.2 全面性

大學物理內容有力學、熱學、電磁學、光學、相對論以及量子物理，涵蓋了近代物理學發展的主要領域，范圍廣，跨度大，內容豐富。在有限時間內，學生要記清楚、學明白，是個不小的挑戰。教員在授課中面臨內容取舍問題：內容多了，時間不夠，講不完；內容少了，缺乏系統性，對后續課程的學習容易產生影響。

1.3 連貫性

大學課程設置大部分都可以看成環環相扣的鎖鏈式設置，每一門課程都是這條鎖鏈的重要環節：高等數學是大學物理的預修課程，是大學物理課程學習的基礎；同時，大學物理又是后續其他專業基礎課程學習的基礎。這樣連貫緊湊的設定，讓學生在學習過程中面臨壓力：一旦哪個環節掉了鏈子，對后續學習將會產生影響；同時也對教員提出了要求：要清醒的認識大學物理課程的前后定位，充分的統御大學物理課程內容，在教學過程中能夠做到放的瀟灑，收的自如，行的恰當，止的及時。

1.4 融合性

當前，學科發展正逐漸呈現出融合趨勢，傳統經典學科的界限被不斷打破，學科邊界也被重新劃分。課程教學過程中，知識點也不再是單一離散的出現，而是高度融合于某一示例或現象。特別針對醫工專業的學生，大學物理課程教學不再是一個實驗或示例對應單一知識點，而應當緊密聯系醫學應用背景，讓學生盡可能的了解所學知識與今后工作之間的潛在關聯。

2 醫工專業學生特點分析

大學物理通常開設于大一下半學年和大二上半學年，該階段的醫工專業學生有如下特點：

（1）學習興趣強，好學敢問。學生在入學時都有較好的基礎，且對醫學工程領域懷有一定的好奇心與興趣，在學習過程中能夠保留較高的學習初始積極性，面對疑難敢于提問。

（2）事物繁雜，精力有限。剛踏入大學校園，除了學習，學生還要面對各種事物：生活瑣碎、人際交往、校園活動等。精力消耗較大，將直接影響課堂與課下的學習效果。

（3）課程種類多，時間壓縮。醫工專業學生所需學習的課程種類多，且課程門類跨度相對較大，要求較嚴。學生需要足夠的時間來滿足每門課程的學習要求，時間利用率高，壓力大。同時，近年來部分院校正在逐漸優化調整課程教學體系以適應學校現代化建設需要。不少課程的教學課時量有所壓縮。

（4）能動性易失，目標不明。盡管大部分學生出于興趣報考了該專業，但對本專業在醫學領域的定位和作用并不清楚，甚至有些學生是調劑到本專業。因此，部分學生在入學一段時間后，容易迷茫，失去前進目標，學習動力逐漸不足，學習主觀能動性缺失，最終學習過程易受個人喜好和興趣的牽引，對有趣的課程投入較多，無趣或者難度較大的課程易放棄。

3 框架式閉環大學物理課程教學理念

3.1 “根強枝壯”的知識框架目標

針對大學物理課程的基礎性、連貫性以及醫工專業學生時間緊，精力有限等特點，可以嘗試將教學的重點目標放在構建學生的大學物理知識框架上。這樣做的優勢在于通過知識框架的構建，學生能夠快速的統攬學習內容，了解學習重點和各知識要點在整個課程內容中的存在意義，節省學習時間和精力消耗，提高學習效率，便于后續學習過程中隨時回顧。

這種框架式教學主要是為學生提供一種對知識理解的概念框架，是為促進學生對課程內容進一步理解而存在，重視學生認知結構的發展和學科的知識結構，提倡發現學習，注重直覺思維。其代表性理論是布魯納的結構主義教學。[6]

但是，這種模式不能生搬硬套。傳統的框架式教學主要包含三個階段：骨架學習（結構）、表格整理（砌磚）、習題鞏固（粉飾）。通過三個階段大容量、快節奏、多反復的構建，最終形成完整的知識結構體系框架。但對于時間和精力有限的學生而言，這些工作疊加在一起反而容易增加學習壓力，適得其反。因此，知識框架構建不能由教員主導，而應當是通過啟發式教學，引導學生根據自己的理解來主導。這樣可以加深印象，進而減少構建工作的反復性。教員的主要任務是講清楚各知識要點之間的內在邏輯，讓框架內各要素的聯系更加緊密，枝干更加穩固。同時，充分理解大學物理的基礎性，可以適當弱化學生對大學物理各章節具體內容的鞏固。因為學生可以在后續專業課程中進一步加深相關內容的理解。通過后續相關專業課程的學習，可以繼續對該框架的枝葉部分進行填充完善，最終構建一個與自己所學專業相對應，且“枝繁葉茂”的知識結構體系。

3.2 “四于一體”的閉環教學思路

物理學研究來源于實踐，其成果最終也要回歸實踐。大學物理的教學也應當如此。教學內容的出發點源于現象，分析解決問題的本質落于模型，研究過程中得到的答案結于規律，最終成果的轉換和運用要歸于現實。通過現象認知激發學生興趣，觀察現象特征，凝練出研究問題；通過解析問題，聯系現有知識對其進行數學建模；解析數學模型，討論其中的可變參量，最終總結規律，得到成果；將所得成果緊密聯系實際應用，讓學生能夠進一步感受所學有用，所得有益，或以實際需求為牽引，結合學科交叉與融合，將所得成果應用到實踐當中（如圖1 所示）。

圖1 閉環式教學思路

這種“四于一體”的閉環式教學思路，既遵循大學物理課程教學過程的基本思路，又能貼近“醫工特色”與“服務醫學”的教學需求，還能激發學生的學習興趣，提高其主觀能動性，使得課堂教學效果提升。

3.3 基于框架式閉環理念的幾種教學實踐方法

（1）“內容—結構”相對應的幻燈+板書設計。現代課堂教學中，幻燈演示已基本替代了板書。這種方法的優勢是形式多樣，內容豐富，易吸引人；不足之處在于“流水式”的演示讓人很難對比前文進行思考，且學生在學習過程中對幻燈的依賴性增加，對教材的關注度反而減少。部分教員也會配合幻燈進行板書，但板書內容比較零散，與幻燈缺乏聯系性。因此，基于框架式教學理念，課堂教學可以采用“內容—結構”相對應的幻燈+板書設計方法。幻燈主要用于演示教學內容，而板書則重點展示本次課的思想、要點及其之間的聯系。這樣學生在課堂學習過程中，可以隨時對本次課“內容”與“結構”進行比較，便于其在學習過程中加強理解，為構建知識結構框架打下基礎。

（2）借用計算機仿真軟件輔助教學。數學在大學物理教學過程中起到至關重要的作用。由于大學物理開設于入學初期階段，學生的數學基礎和功底并不深厚，導致其在學習過程中面對很多數學建模問題難以理解，進而造成了“物理難學”的主觀印象。但隨著計算機技術不斷成熟的今天，利用相關的計算軟件來輔助大學物理教學，可以彌補學生數學功底不深帶來的理解困難，提升教學效率。[7]同樣，教員也可以在教學過程中借用計算機物理仿真軟件來對一些抽象化的問題進行建模仿真。一方面可以通過實際操作，將抽象問題具象化，進一步增強課堂教學的感受性和互動性；另一方面，由于這些軟件都是當前科學研究和工程實踐過程中不可或缺的工具，通過課堂接觸，有利于學生提前了解，為后續的學習和工作奠定基礎。

（3）基于研究課題挖掘與課程的連接點。不少教員都有自己的科研課題，這些都是潛在的教學素材。從課題中挖掘問題要點，將之與大學物理教學內容相關聯。既可以增強課程內容與實際應用之間的聯系，又能讓學生近距離接觸科學研究和工程探索，激發其對科研工作的興趣。

4 結語

關于提升大學物理的課堂教學質量，很多專家學者都有思考。[8-10]對于一些共性的結論：物理內容的熟悉和理解、教育學的一般原理、時間的投入等，這里不再贅述。本文主要從教學實踐經驗出發，結合本校大學物理課程標準和生物醫學工程專業學生特點，提出一些觀點：以構建牢固的知識框架為目標，適度減輕學生時間和精力負擔，提高學習效率；以“實踐—模型—結論—實踐”的閉環模式為教學思路，激發學生的興趣和主觀能動性；借用計算機仿真軟件，提升課堂教學互動，增強學生對學習內容的感受性；適時聯系科研課題，增加學生接觸科學研究和工程實踐的機會，提高課堂教學與實踐的緊密性。希望這些觀點能夠進一步促進同行們的思考與探討，為進一步提醫科院校大學物理課程教學質量拋磚引玉。