基于物理概念邏輯性和實用性的大學物理教學改革研究*

連赟猛，許玉冬，林 雪

(福建農林大學金山學院，福建 福州 350002)

0 引言

隨著國家經濟的發展和社會的進步，人才的培養占據及其重要的地位，國家需要研究型人才，應用型人才，技能型人才的全方位發展，各類型人才在社會發展中占據不同的地位，解決不同的需求。其中研究型人才重在提出問題，把握社會發展方向，這是部分“211”和“985”高校的人才培養目標；應用型人才重在學以致用，如何解決問題，這是當前大部分地方高校提出的培養目標；技能型人才重在實際操作，熟練技術，培養工匠，這是當前高職院校的培養目標。

基于應用型人才培養的需求，大學物理作為專業課的先修課程，是高校理工科專業的一門基礎課程，該課程所教授的物理學基本概念、基本定律，物理學的原理和思想方法，是學生形成科學方法論和世界觀的重要部分，同時也是科學技術應用的基礎理論；因此，如何培養學生的創新思維，使學生具有如何應用基礎理論知識解決實踐問題的能力是大學物理教學的重要研究內容。針對當前“大班授課”和大學物理學時不斷縮減的情況，學生學習積極性不高的問題，學生只知道學不知道應用的現狀，如何進行大學物理教學改革，使之主動服務應用型人才培養，是擺在物理教師面前的一個重要課題和緊迫任務。本課題主要從物理規律發展的邏輯性、歷史性和實用性入手，即介紹物理學原理的來龍去脈，物理思想的發展過程，介紹物理學理論的基礎工程應用，切身感受物理的魅力，引導學生動手設計簡易實驗解決實際問題，體會物理的實用性，使同學們在學習過程中體會科學的方法論，啟迪其探索精神，培養優秀的邏輯思維和解決實際問題的能力。

1 大學物理課程教學改革現狀

當前各理工科專業加強專業課及專業實踐鍛煉課程，開始弱化大學物理教學，容易給學生造成物理不重要的假象，被動學習物理，失去學習興趣；基本物理解題能力不斷下降，學以致用的能力和創新能力很難發揮出來。為了解決大學物理教學過程中表現出來的各種問題，許多應用型地方高校的大學物理教師積極探索有效的課程教學方法，提出一系列的教學改革措施。西藏大學寧長春[1]總結大學物理期刊近十年教改論文，結合個人的教學經驗，在教學內容、教學方法，課堂反饋等方面提出了如何提高教學效果的建設性建議。湖北理工學院熊輝[2]通過豐富多樣的理論教學方法，創新大學物理實驗手段，引導學生參與大學物理競賽，產學研合作教學等方法，為物理學專業建設提供一定參考和借鑒；姜寒玉[3]提出基于遷移理論的肖像式結構原則混合探究式教學模式，達到學生深度理解知識的效果，并增強其創新能力。哈爾濱工業大學王曉鷗[4]基于新工科背景下的課程體系改革，教學方式的改變，轉變教師角色，以學生為主體，取得良好的教學效果。廣東石油化工學院張昌莘[5]在工程教育觀的指導下對大學物理理論課和實驗課進行初步改革探索，提出了一系列改革措施，提出工程背景的實際案例與教程編排。陳杰[6]、程杰[7]、胡秋波[8]都通過線上線下結合，翻轉課堂等方式激發學生學習興趣，促使學生主動學習

邏輯異或檢測法：對兩幅二值圖像，使用邏輯異或運算將兩幅圖像中相同部分置為背景，而不同部分置為目標，獲得一幅代表兩個時相間地表地物光譜變化的差值圖像，可以快速自動地檢測地震造成的地表地物變化。

圖像差值法：是最常用、最簡單的遙感圖像地表地物變化檢測法，其原理是對已配準的、不同時相的兩幅遙感圖像進行逐像元灰度值相減，獲得一幅代表兩個時相間地表地物光譜變化的差值圖像，差值圖像中差值為0 或接近為0 的地表地物不變，而在差值不為0 的地表地物發生變化。

2 大學物理課程教學改革

2.1 立足“過去”教學方法

創造力的獲得，并不一定要站在時代的前端，在人類文明發展的歷史長河中一樣擁有豐富的資源，一樣隱藏著創造的源泉[9]。縱觀2000 多年的物理學發展史，物理概念、定律、思想方法的形成并不是一蹴而就的，而是長期的曲折與反復過程，包含了分歧與斗爭、停滯與突破[10]，將如何獲得物理概念與定理的思想斗爭過程介紹給學生，學生既可以知道物理知識的來龍去脈，也可以加深物理概念實質的理解，物理大師辯論的焦點也會體現在學生學習的重難點中，知曉物理定律獲得過程的研究思路，研究方法，使得學生受到科學方法論和世界觀的教育。例如費馬原理和能量守恒定律的發展歷史。

2.1.1 費馬原理的歷史發展過程簡介

在費馬原理章節，以問題的方式開始：為什么光的反射角等于入射角？是什么決定光的實際路徑？介紹公元前1 世紀，希羅（Hero）采用幾何學的論證方法提出了光傳播的最短路徑原理[11]，這是利用極值思想方法的最早的最簡單的案例,自然界有著趨于簡單性的內在傾向[12]。接著介紹光的折射定律，首先，介紹開卜勒在實驗中發現光的折射規律的失敗案例，再講解斯涅爾（W.R.Snell）在實驗中發現折射光線的比值規律，但是卻缺乏理論的驗證；而首次把入射角和折射角的正弦之比在折射定律中表達出來的是笛卡爾，但是笛卡爾的錯誤之處在于假定光在光密介質中比光在光疏介質中更易于傳播[13]，因此費馬排除了笛卡爾的一些錯誤觀點，在希羅最小路徑的啟發下，在光的折射中提出最小時間原理，經過了4 年的時間，對光的直線傳播、光的反射、折射給出了統一的描述，現在看來，費馬原理的論證雖然也有不足之處，但是也要繼承和發展其價值所在，正如薛定諤所說的，在量子力學創立過程中發揮了極為重要的作用。

2.1.2 能量即能量守恒定律的歷史過程

（1）運動的量的表達形式

關于物體運動的量的描述，笛卡爾認為用質量和速度的乘積來表示，并認為運動永遠不變或守恒；而萊布尼茲根據伽利略落體定律，提出質量與速度平方的乘積（mv2）作為運動的力的真正度量[14]。直到1801 年英國物理學家托馬斯·楊用“能”這個詞表示物體質量與速度平方的乘積，1829 年法國工程師彭塞利（J.Poneclet）引入“功”這個詞，科里奧利對功的明確定義，為以后能量的轉化奠定了定量分析的基礎[15]。

（2）熱的本質認識過程

在能量守恒定律的發現過程中，關于熱的本質認識過程也起到一定的作用。向學生介紹熱質說和熱動說，熱質說認為熱是無重量的特殊物質；熱動說認為熱是組成物質的細小微粒的運動。熱質說的主要倡導者，英國化學家布萊克在熱質說的基礎上提出“比熱”和“潛熱”的概念，對熱學的發展起到一定的促進作用，但也存在一定的局限性，不能解釋摩擦力做功生熱的現象，而倫福得和戴維的實驗和論證可以得出合理的結論，熱是物體微粒的運動或振動[16]，熱的本質認識過程也是對學生常識理解的一個沖擊過程。

（3）能量守恒定律的發展

隨著自然科學的蓬勃發展，自然界中不同的運動形式存在著各種各樣的聯系與轉化關系不斷被發現，比如電磁聯系，電熱轉化，電光轉化等等，能量守恒定律就是在這種轉化關系上建立起來的，在能量轉化的量化關系中起到關鍵作用是邁耶、焦耳和亥姆霍茲；邁耶從哲學思辨上提出熱功當量的換算；焦耳則從實驗入手；最后亥姆霍茲采用數學語言統一能量轉化規律，使得能量轉化定律真正確立起來。

（4）大統一本源理念

人類一直在尋求一種統一的理論體系來描述自然世界前因后果，因此針對不同的物理體系，不同層次上的“變化”，是否存在某種性質的自相似特征？而能量轉化與守恒則是一個重要的共同的線索[17]

2.2 結合“現在”，工程應用與切身感受相結合

物理知識的理解與掌握，僅靠物理習題的練習是不夠的，從教育心理學的角度來說，注重知識的應用也是學生掌握知識的重要一環，在課堂講授中，適當引入成熟的工程應用案例和有趣的生活現象，并引導學生使用簡易材料演示物理規律或現象，說明物理原理在科技生活中的重要作用，能夠使學生開拓視野，激發興趣，感受物理的價值，在傳承中啟發其創新性。

2.2.1 情景化教學

“學起于思，思源于疑”，學生的思維活動起源于問題，引入物理現象問題，引起興趣，促進思考，引出要講解的知識[18]

（1）問題情景化

引入貼近生活的看似尋常的物理現象，理論分析后又超乎常識的例子，對引起學生的專注力和學習興趣起到很好的調動作用。

案例1：為什么冬天的白天，墻內表面溫度比室溫低？墻外表面溫度又比戶外溫度高？（熱傳遞）

案例2：為什么地面上的河流總是蜿蜒曲折的？（動量定理，水流壓強）

案例3：將硬幣放在強磁鐵上，為什么只是傾斜的穩定？（勢能）

案例4：后浪來了，前浪一定會被拍死在沙灘上嗎？（波傳播的獨立性）

（2）習題情景化

設計與選擇與實際問題、貼近時代和生活的問題，更具有針對性和鮮活度[1]

案例1：已知月球與地球間距R=3.84km，用孔徑為1m 的天文望遠鏡觀察月球表面，求月球表面細節的最小間隙為多少？

案例2：如圖1 所示，在雷達探測飛機時，某一時刻飛機與雷達直線距離為r1=2.8km，與水平方向夾角θ1=370，經過1.2s 后，又測得飛機與雷達直線距離為r2=3.6km，與水平方向夾角θ2=300，且假設r1，r2在同一豎直平面內，求這段時間內飛機的平均速度？

圖1

案例3：某停泊在赤道無風帶的小船.船長決定采用應急措施，把m=200kg 的錨升到長l=20m 的桅桿頂上使船運動，船及其負載(不包括錨)的質量M=1000kg，（地球半徑為6400km）問：

①船為什么會運動？朝哪個方向運動？運動速度多大？

②使船運動的能量從何而來？

（3）演示實驗情景化

楊振寧先生說過，“公式演算并不是物理學中最重要的部分，現象是物理學的根源”，在物理內容的設計上，引入物理演示實驗的內容，能夠調動學生學習積極性，觸發溝通與討論，起到拋磚引玉的作用，學生能在演示實驗或探究實驗中創新出新的實驗或想法，或是可以促進大學生創新創業[1]。

案例1：5 塊質量分布均勻的磚頭，如何搭才能使露出桌面的距離最大？圖2 所示為部分同學演示作品，目的是促使同學們從實踐中激發興趣。課堂討論時，同學們自然提出磚頭數目增多，搭法如何？是否有理論計算作為支持？激發了同學們學習的動力和興趣。（剛體動力學）

圖2 手機最大懸出距離

案例2：教授剛體角動量守恒定律，同學們演示茹科夫斯基椅，如圖3 所示

圖3 茹科夫斯基椅演示

案例3：在楊氏雙縫干涉章節，課前引導同學們利用簡易材料演示干涉實驗，圖4 所示為同學們的演示圖。

圖4 干涉實驗演示

2.2.2 工程應用案例教學舉例

案例1：質點動力學工程應用案例

植保無人機噴灑霧滴的數學建模、物理建模及其動力學分析，計算霧滴相對地面的速度和位移表達式及其影響因素[19]。

案例2：惠更斯原理與夫朗禾費衍射工程應用案例

惠更斯原理看似表述簡單，可以解釋反射、折射、衍射等，在相控陣雷達中卻有重要的應用，相控陣雷達的發射單元看作發射子波的波源，只是相位上存在差異，在發射過程中強度的分布可以用光柵衍射進行分析，體現理論的具體應用。

案例3：黑體輻射與導彈預警系統

根據普朗克的黑體輻射公式溫度在2000K以下的物體，輻射能量主要集中在紅外波段，由斯特潘-玻爾茲曼定律，黑體輻射本領與絕對溫度T4成正比，因此可以通過紅外掃描盒凝視相機跟蹤導彈尾焰并實時顯示其軌跡，根據在不同高度上的形狀和亮度差異，來定位追蹤導彈的發射

3 小結

與傳統教學相比，課后同學們的反饋更加積極了，主要體現在概念的邏輯性和歷史性上，例如某同學反饋終于知道動量概念的來龍去脈及其與動能的區別，對于工程應用也起到了拋磚引玉的作用，有同學對相控陣雷達表現出了極大的興趣，正好趁此機會鼓勵其進一步學習，并做好課堂分享。而且學生課堂互動明顯增強，參與程度很高，很好的起到了引導學生思考的作用。正所謂教無定法，從一切能夠激發學生興趣的教學手段和教學方式入手，作為教師，需要及時關注國家政策導向，物理前沿問題，在新媒體下及時關注收集與物理相關的案例，在學生的每一次作業中、每一堂課后做好及時反饋和反思總結，不斷豐富教學內容和教學手段方式，不斷提高大學物理教學質量。