融入創(chuàng)新方法的大學(xué)物理課程教學(xué)改革

張化福

（山東理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

在“提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家”的發(fā)展戰(zhàn)略下，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育已成為高等學(xué)校人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。大學(xué)物理課程在培養(yǎng)理工科專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識及提高學(xué)生分析問題和解決問題能力等方面具有其他課程不可替代的重要作用。為更好地滿足我校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，我們對創(chuàng)新思維和方法應(yīng)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和研究，并在大學(xué)物理課程的教學(xué)過程中進(jìn)行了探索應(yīng)用。

1 創(chuàng)新方法融入大學(xué)物理課程教學(xué)的探索

1.1 創(chuàng)新方法師資隊(duì)伍建設(shè)

要在大學(xué)物理課程的教學(xué)過程中融入創(chuàng)新方法，首先要進(jìn)行創(chuàng)新方法方面的師資建設(shè)。盡管我們從教多年，有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，但對創(chuàng)新方法尤其是在教學(xué)中的應(yīng)用了解不多。因此，要在教學(xué)過程中恰當(dāng)融入創(chuàng)新方法，必須組建創(chuàng)新方法教學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過參加學(xué)校組織的培訓(xùn)、報(bào)告以及自學(xué)等方式進(jìn)行創(chuàng)新方法的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究討論。創(chuàng)新方法有很多種，常見的有16種，如表1所示。團(tuán)隊(duì)教師要對每一個創(chuàng)新方法進(jìn)行深入討論分析，尤其是這些創(chuàng)新方法的應(yīng)用范圍、應(yīng)用原則和使用方法。此外，還要通過典型案例的學(xué)習(xí)、分析與討論來提升實(shí)際應(yīng)用能力。需要說明的是，以往的典型案例大都是針對實(shí)際工程應(yīng)用的，而大學(xué)物理的內(nèi)容主要是一些基本概念、實(shí)驗(yàn)定律和定理等基礎(chǔ)理論。因此，已有的典型案例經(jīng)驗(yàn)無法直接遷移到大學(xué)物理課程。與工科課程或有應(yīng)用背景的課程相比，在大學(xué)物理課程中融入創(chuàng)新方法的難度要大得多，這要求教師團(tuán)結(jié)協(xié)作共同探索，并對應(yīng)用效果進(jìn)行反思和總結(jié)，然后進(jìn)行改進(jìn)和提高。

表1 16種典型創(chuàng)新方法

1.2 可融入創(chuàng)新方法的教學(xué)內(nèi)容研究探索

需要特別注意的是，在大學(xué)物理課程中融入創(chuàng)新方法的目的是提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，而不是生硬地把創(chuàng)新方法應(yīng)用到大學(xué)物理課程中。應(yīng)用創(chuàng)新方法時一定要結(jié)合大學(xué)物理課程的知識結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。大學(xué)物理是非物理類理工科學(xué)生的一門基礎(chǔ)課，其內(nèi)容主要包括力學(xué)、熱學(xué)、振動和波、電磁學(xué)、光學(xué)及相對論等。該課程的特點(diǎn)是概念多、理論抽象難懂、相關(guān)知識點(diǎn)容易混淆、對高等數(shù)學(xué)知識要求高等。首先，列出有待于融入創(chuàng)新方法的知識點(diǎn)，這里需要列出的是課程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)及易錯易混淆的知識點(diǎn)，而不是簡單、容易理解、好掌握的知識點(diǎn)。然后，把創(chuàng)新方法和知識點(diǎn)分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)系中把兩者能結(jié)合的點(diǎn)用星號標(biāo)注出來，從而篩選出可融入創(chuàng)新方法的知識點(diǎn)。對篩選出的知識點(diǎn)做進(jìn)一步的分析，并標(biāo)注出融合程度。例如，學(xué)習(xí)角量和剛體定軸轉(zhuǎn)動時，綜攝法具有較高的融合度；學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)時，智力激勵法具有較高的融合度；學(xué)習(xí)電場、磁場、光的干涉時，思維導(dǎo)圖法具有較高的融合度。對融合度高的知識點(diǎn)進(jìn)行深入研究討論，制定出切實(shí)可行的融入方案，利用啟發(fā)式、探究式、小組合作討論等教學(xué)模式，對角量、剛體定軸轉(zhuǎn)動、電磁感應(yīng)、光的干涉等知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)方式方法的探索與研究。

1.3 創(chuàng)新方法融入教學(xué)的典型案例

下面通過兩個典型的例子來看一下創(chuàng)新方法在大學(xué)物理課程中的具體應(yīng)用。首先看一下綜攝法在學(xué)習(xí)剛體定軸轉(zhuǎn)動時的應(yīng)用。在大學(xué)物理課程中，剛體定軸轉(zhuǎn)動是一個重點(diǎn)，同時也是一個難點(diǎn)。在課堂上，學(xué)生要在幾個學(xué)時（約4個學(xué)時）學(xué)習(xí)幾個重要的概念（如轉(zhuǎn)動慣量、力矩）和公式（如轉(zhuǎn)動定律和角動量守恒定律），并且在處理問題時還要用到很多物理量，如表2所示。這使得多數(shù)學(xué)生感到學(xué)習(xí)困難，公式不好掌握，記不住、容易混淆。考慮到學(xué)生對質(zhì)點(diǎn)的平動知識非常熟悉，而剛體的定軸轉(zhuǎn)動和質(zhì)點(diǎn)的平動又有很多相似之處，因此我們在學(xué)習(xí)過程中融入了綜攝法。在學(xué)習(xí)過程中，利用類比、聯(lián)想、遷移等方法，學(xué)生很容易就能掌握這些概念和公式，并且還不易忘。在利用核心知識點(diǎn)轉(zhuǎn)動定律求解定軸轉(zhuǎn)動問題時，可從選取研究對象、受力分析、列方程、物理量之間的關(guān)系討論等方面類比牛頓第二定律，從而能使學(xué)生在較短時間內(nèi)掌握好轉(zhuǎn)動定律。同時，教學(xué)過程中，創(chuàng)新方法的融入過程也增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

表2 利用綜攝法學(xué)習(xí)剛體的定軸轉(zhuǎn)動

下面再來看一個利用思維導(dǎo)圖梳理電場知識的例子。電場是大學(xué)物理課程的一個核心知識點(diǎn)，既是前面力學(xué)知識的延伸與拓展，也是后續(xù)磁場、電磁感應(yīng)及光學(xué)知識的重要基礎(chǔ)。同時，這部分知識也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，概念多、抽象難懂、知識脈絡(luò)關(guān)系復(fù)雜。在多年的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，在課堂上講解某一知識點(diǎn)時，學(xué)生理解掌握情況還可以，但是等學(xué)完電場之后，學(xué)生容易把知識點(diǎn)弄混淆，有些學(xué)生分不清電場強(qiáng)度和電勢，有些學(xué)生分不清真空、導(dǎo)體和介質(zhì)等，出現(xiàn)這些情況的原因在于學(xué)生知識脈絡(luò)不清。為此，我們構(gòu)建了電場的思維導(dǎo)圖，如圖1所示。很顯然，該圖清晰明了地給出了靜電場的知識脈絡(luò)，重點(diǎn)知識、各知識點(diǎn)之間的關(guān)系等一目了然。教學(xué)實(shí)踐表明，思維導(dǎo)圖有助于學(xué)生把握好知識結(jié)構(gòu)和脈絡(luò)，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

圖1 電場的思維導(dǎo)圖

2 結(jié)論

將創(chuàng)新方法融入大學(xué)物理課程的教學(xué)改革，需要從創(chuàng)新方法師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新方法融入方式等方面開展全面系統(tǒng)的研究。首先篩選出融合度高的知識點(diǎn)，然后經(jīng)過研究討論設(shè)計(jì)好融入方案，之后在教學(xué)過程中進(jìn)行實(shí)踐，并根據(jù)應(yīng)用效果進(jìn)行反思和改進(jìn)。實(shí)踐表明，在大學(xué)物理課程中恰當(dāng)?shù)厝谌雱?chuàng)新方法，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。