基于理工科專(zhuān)業(yè)的大學(xué)物理“跨學(xué)科”教學(xué)研究

胡 南 王 飛

（重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院，重慶 400054）

20世紀(jì)20年代“跨學(xué)科 ”（Interdisciplinary）一詞在美國(guó)出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的關(guān)注并于20世紀(jì)80年代作為研究通識(shí)教育（general education）而引入的新的綜合方法得到全面的研究和發(fā)展.我國(guó)是從20世紀(jì)80年代興起“跨學(xué)科”研究，研究時(shí)間不長(zhǎng)，成果有限.跨學(xué)科被界定為 “打破學(xué)科壁壘，將不同學(xué)科的理論或方法有機(jī)地融為一體［1］.”目前，跨學(xué)科研究已經(jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)科學(xué)與教育發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì).由于我國(guó)大學(xué)起步較晚，大學(xué)跨學(xué)科研究仍存在著較多的問(wèn)題：缺乏宏觀上跨學(xué)科的有效管理體制、運(yùn)行機(jī)制以及有效的跨學(xué)科研究平臺(tái)；教師的跨學(xué)科意識(shí)不強(qiáng)，對(duì)跨學(xué)科片面理解為知識(shí)交叉等［2］.中國(guó)的教育系統(tǒng)龐大，如希望自上而下地在具有了一定的“跨學(xué)科”體制、制度、平臺(tái)后再開(kāi)展對(duì)應(yīng)的“跨學(xué)科”嘗試，還需要漫長(zhǎng)的過(guò)程.鑒于此，我們課程團(tuán)隊(duì)著眼于實(shí)際的教學(xué)課程，在重點(diǎn)研究了 “跨學(xué)科”的內(nèi)涵基礎(chǔ)上，脫離單純的“跨”學(xué)科知識(shí)，創(chuàng)新性提出了基于大學(xué)物理學(xué)課程的跨學(xué)科教學(xué)理論和方法，并運(yùn)用于實(shí)踐，希望能推進(jìn)“跨學(xué)科”教學(xué)的發(fā)展.

1 “跨學(xué)科”的內(nèi)涵

1.1 從“學(xué)科”到“跨學(xué)科”

人類(lèi)采用科學(xué)分析與科學(xué)綜合的方法使其能逐步去了解既統(tǒng)一又多樣性的世界.“學(xué)科”就是人類(lèi)在認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程中采用科學(xué)分析的方法將世界分解成的亞體系，隨著局部亞體系的深入，科學(xué)綜合將已有的局部知識(shí)整合成更加完整的認(rèn)識(shí)整體，而“跨學(xué)科”就是科學(xué)綜合的嘗試.科學(xué)史證明，科學(xué)的分化與整合并不互相排斥，而是相互交織、互為補(bǔ)充、彼此轉(zhuǎn)化的.分化是為了更深更廣的整合，而更深更廣的整合又使新的分化成為可能［3］.“跨學(xué)科”首先是一種科學(xué)綜合.

1.2 “跨學(xué)科”不是簡(jiǎn)單的交叉

“跨學(xué)科”被大多數(shù)研究者界定為打破“學(xué)科”壁壘，將不同學(xué)科的理論或方法有機(jī)地融為一體.“跨學(xué)科”通過(guò)兩門(mén)或者兩門(mén)以上學(xué)科間的相互交叉融合來(lái)實(shí)現(xiàn)兩學(xué)科、多學(xué)科、群學(xué)科、交叉學(xué)科等的交叉和融合.而在“跨”的這個(gè)科學(xué)綜合行為中，尤其要注重學(xué)科特點(diǎn)的融合.“學(xué)科”根本上是一種特有的體系，它包含了學(xué)科知識(shí)、學(xué)科價(jià)值、學(xué)科方法論、學(xué)科語(yǔ)言、學(xué)科學(xué)術(shù)風(fēng)格以及學(xué)科認(rèn)同等基本要素.所以，跨學(xué)科不能僅僅理解成學(xué)科知識(shí)的融合，還包含了學(xué)科所具有的特點(diǎn)的交叉和融合.

在美國(guó)高等教育領(lǐng)域，跨學(xué)科被通俗地表述為“回答一個(gè)問(wèn)題、解決一個(gè)問(wèn)題或者選擇一個(gè)話題的過(guò)程 …… ”.用一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)話題，一個(gè)主題的的解決來(lái)實(shí)現(xiàn)“跨學(xué)科”的目的，貼近自然現(xiàn)實(shí)，跨越知識(shí)界限，實(shí)現(xiàn)全方面的融合.這樣的融合反饋到具體的形式上可以是大的文理融合，可以是交叉學(xué)科研究中的學(xué)科融合，也可以是關(guān)聯(lián)課程間的課程融合，乃至課程中知識(shí)、方法、語(yǔ)言等的融合.筆者認(rèn)為這是“跨學(xué)科”的本質(zhì)［4］.

2 大學(xué)物理學(xué)開(kāi)展“跨學(xué)科”教學(xué)勢(shì)在必行

2.1 物理學(xué)是自然科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科

在科學(xué)發(fā)展的“分合運(yùn)動(dòng)”中，物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，一方面隨著新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、新概念的產(chǎn)生及其向縱深方向的不斷發(fā)展，在內(nèi)部形成了眾多的分支學(xué)科；另一方面，物理學(xué)的橫向拓展使之滲透到自然科學(xué)領(lǐng)域，形成了眾多的跨學(xué)科研究和交叉學(xué)科，如生物物理學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué)、量子生物學(xué)、地球物理學(xué)等.所以，物理學(xué)本身就是一個(gè)較開(kāi)放的綜合學(xué)科，適合開(kāi)展與其他平行學(xué)科和后續(xù)學(xué)科的跨學(xué)科融合.

2.2 傳統(tǒng)大學(xué)物理學(xué)教學(xué)壁壘森嚴(yán)阻礙了課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

教育部把大學(xué)物理課程定位為高等學(xué)校理工科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生一門(mén)重要的公共必修基礎(chǔ)課程.毋庸置疑，通過(guò)大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力、科學(xué)觀察和思維的能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及求實(shí)創(chuàng)新等能力［5］.但是，傳統(tǒng)的物理學(xué)學(xué)科壁壘森嚴(yán)，教學(xué)模式地位依然牢固，課程教學(xué)嚴(yán)重缺乏跨學(xué)科的溝通和聯(lián)系，使得課程越來(lái)越遠(yuǎn)離時(shí)代.教師苦教，學(xué)生厭學(xué)，加之課程改革學(xué)時(shí)一再縮減，教學(xué)成了以完成教學(xué)內(nèi)容的體力活，嚴(yán)重背離了課程教學(xué)目標(biāo).因此，從教學(xué)的根本出發(fā)，一方面有的放矢地革新教學(xué)內(nèi)容，突破傳統(tǒng)；另一方面在大學(xué)物理的教學(xué)中進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)，與專(zhuān)業(yè)，與時(shí)代契合，才能提高教學(xué)質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).

3 大學(xué)物理課程教學(xué)中滲透“跨學(xué)科”教學(xué)理念

基于“跨學(xué)科”理論的分析，而不僅僅是片面的“跨”學(xué)科知識(shí)，針對(duì)大學(xué)物理課程教學(xué)中的不足，筆者從大學(xué)物理學(xué)本身的課程體系出發(fā)，結(jié)合我校院系特點(diǎn)作了以下相關(guān)方面的課程跨學(xué)科教學(xué)思考和實(shí)踐.

3.1 課程設(shè)置體現(xiàn)“跨學(xué)科”——分層、分類(lèi)教學(xué)結(jié)合、必修選修相輔相成

大學(xué)物理學(xué)是整個(gè)理工科的公共基礎(chǔ)課，不同的專(zhuān)業(yè)由于其自身特點(diǎn)和研究對(duì)象的差異，一方面縱向以物理學(xué)知識(shí)為軸線，另一方面橫向向?qū)I(yè)切合的交叉學(xué)科輻射，以加強(qiáng)學(xué)科間的滲透、交融及綜合［6］.我們?cè)诔浞挚疾旄鲗?zhuān)業(yè)方向的前提下，把后續(xù)專(zhuān)業(yè)課作為跨學(xué)科教學(xué)的主要依據(jù)，建立了公共大學(xué)物理課程4個(gè)層次、5個(gè)類(lèi)別的教學(xué)體系，即112學(xué)時(shí)、96學(xué)時(shí)、80學(xué)時(shí)和40學(xué)時(shí)4個(gè)層次；光電類(lèi)專(zhuān)業(yè)、材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)、生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)、機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)、化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)為5個(gè)類(lèi)別.一方面，突出專(zhuān)業(yè)特色，打破傳統(tǒng)架構(gòu)，學(xué)科融合突出應(yīng)用，譬如光電類(lèi)側(cè)重于力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代等；材料類(lèi)側(cè)重于電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等；另一方面，加大了近現(xiàn)代物理知識(shí)在教學(xué)中的比重［7］，因?yàn)榻锢砝碚撌歉咝录夹g(shù)的基石，也能體現(xiàn)新方法新思想，并能培養(yǎng)一定的創(chuàng)新能力，與時(shí)代接軌，更能體現(xiàn)科學(xué)的綜合，如：激光技術(shù)、等離子體、液晶、超導(dǎo)、全息、信息光學(xué)、電子顯微鏡、核磁共振等的應(yīng)用.

由于課程的分層分類(lèi)教學(xué)，學(xué)科融合的考慮，大學(xué)物理課程在有限學(xué)時(shí)內(nèi)必然有不能充分闡述的部分.為了給同學(xué)們提供更全面的物理學(xué)平臺(tái)，我校開(kāi)出了“物理思想與人文精神”“改變世界的物理學(xué)”“現(xiàn)代物理應(yīng)用技術(shù)概論”層次特色鮮明的全校素質(zhì)選修課，并配設(shè)了“大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)”，在課程之余把基于文理交融、學(xué)科交融、高新技術(shù)交融賦予物理學(xué)的后續(xù)選修課程，為大學(xué)物理的跨學(xué)科教學(xué)提供了更加完善的補(bǔ)充.

3.2 課程內(nèi)容體現(xiàn)“跨學(xué)科”——中心課題設(shè)置，專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)合，構(gòu)建跨學(xué)科資源庫(kù)

在課程分層分類(lèi)教學(xué)的基礎(chǔ)上，課程教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)體現(xiàn)“跨學(xué)科”理念，這也是課程實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)的重要環(huán)節(jié).我們的指導(dǎo)思想是保證物理基礎(chǔ)知識(shí)講解為前提，建立以體現(xiàn)跨學(xué)科特色的“中心題目”為載體的大學(xué)物理跨學(xué)科教學(xué)模式.形成基于我校各個(gè)專(zhuān)業(yè)的，由物理課教師和專(zhuān)業(yè)課教師組成的“跨學(xué)科”教學(xué)小組；通過(guò)學(xué)科分析、專(zhuān)業(yè)課程分析，提取有價(jià)值的“中心題目”；編寫(xiě)出中心題目為主體，分別適用于我校電子、車(chē)輛、材料、生物等專(zhuān)業(yè)的大學(xué)物理補(bǔ)充教材；針對(duì)中心題目，以重點(diǎn)闡述物理知識(shí)點(diǎn)與中心題目需講解相關(guān)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的交叉或后續(xù)的關(guān)系，重點(diǎn)以定性與半定量講解為主.譬如，對(duì)于光電類(lèi)，結(jié)合波動(dòng)光學(xué)知識(shí)設(shè)定“光柵衍射與光譜分析及其應(yīng)用”“基于衍射原理的無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用”等中心題目；結(jié)合電磁學(xué)知識(shí)設(shè)定“無(wú)處不在的場(chǎng)”“基于場(chǎng)與物質(zhì)作用的安全用電指導(dǎo)”“電磁波的傳播特點(diǎn)”等中心題目.對(duì)于機(jī)械類(lèi)，結(jié)合力學(xué)知識(shí)設(shè)定“力矩在機(jī)械裝置中的應(yīng)用”“車(chē)輛運(yùn)行中簡(jiǎn)單的力學(xué)原理”“建筑中的力學(xué)應(yīng)用”等.對(duì)于生物類(lèi)，結(jié)合力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，設(shè)定“加速度與人體生理反應(yīng)”“太空漫步失重的人體反應(yīng)與克服”；結(jié)合電磁學(xué)設(shè)定“人體心電圖信號(hào)”，結(jié)合光學(xué)設(shè)定“基于電磁波特性的醫(yī)學(xué)探測(cè)器”等等.對(duì)材料類(lèi)，結(jié)合彈性形變知識(shí)，設(shè)定“材料的應(yīng)變和應(yīng)力”；結(jié)合近代物理知識(shí)設(shè)定“超導(dǎo)體材料特性”“納米材料特性”等的中心課題.尤其在數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)的的大學(xué)物理課程中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)物理內(nèi)涵、物理思想和物理方法，結(jié)合數(shù)學(xué)方法開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模，其成果作為教學(xué)課件再應(yīng)用于教學(xué)實(shí)際.“中心課題”的選取和講解思路需要物理教師與相關(guān)專(zhuān)業(yè)教師共同交流，所以我們的工作才起步，希望能經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，形成有效的“中心題目”資源庫(kù)，能有效地開(kāi)展課堂的跨學(xué)科教學(xué).

3.3 課程教學(xué)方法體現(xiàn)“跨學(xué)科”——文理教學(xué)方法交融，多媒體輔助

長(zhǎng)期以來(lái)，理工科課程教學(xué)的特點(diǎn)是邏輯性很強(qiáng)，一環(huán)緊扣一環(huán).對(duì)于聽(tīng)課的學(xué)生來(lái)說(shuō)如果錯(cuò)過(guò)了前面的知識(shí)，后面就可能聽(tīng)不懂了，理科課程的特點(diǎn)決定了教師課堂教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)度高，常常讓學(xué)生會(huì)感到聽(tīng)覺(jué)疲勞.而文科教學(xué)的特點(diǎn)是發(fā)散式的，圍繞著一個(gè)中心，教師無(wú)不是旁征博引、浮想聯(lián)翩，像一篇散文，但又形散神不散.學(xué)生在聽(tīng)課時(shí)跟著教師欣賞華美語(yǔ)句的同時(shí)還若有所思，若有所悟.目前，全球范圍內(nèi)“討厭理科”的現(xiàn)象有日漸擴(kuò)張的趨勢(shì)，這與理科學(xué)習(xí)的特點(diǎn)不無(wú)關(guān)系.一些理科教師上課時(shí)貪多求全，不能抓住典型問(wèn)題深入分析，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不佳，忽視了學(xué)生理解理科教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn).

大學(xué)物理課程是理工科的基礎(chǔ)課程，仍然具有理科教學(xué)的特點(diǎn)和不足，但是物理課程也有它自身的特點(diǎn)，基于物理思想、物理精神、物理方法的講解可以借鑒文科教學(xué)方法.鑒于此，筆者在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中逐步形成以物理學(xué)史的人文事跡和跨學(xué)科的中心題目為教學(xué)興趣刺激點(diǎn)，在一個(gè)核心知識(shí)開(kāi)始講解時(shí)，用物理學(xué)史的人文事跡的發(fā)散式教學(xué)展開(kāi)學(xué)習(xí)，引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在知識(shí)點(diǎn)邏輯講解完后，再以跨學(xué)科的中心課題講解跨學(xué)科應(yīng)用案例.這樣循環(huán)往復(fù)，通過(guò)教學(xué)法的文理融合促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高.譬如，經(jīng)典力學(xué)動(dòng)力學(xué)學(xué)習(xí)之前，引入亞里士多德、伽利略、牛頓等事跡與科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的人文講解；動(dòng)力學(xué)（質(zhì)點(diǎn)及剛體）基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)后，完成對(duì)中心課題“橋梁中的力學(xué)原理”“汽車(chē)的扭矩”等的跨學(xué)科定性講解.結(jié)合多媒體技術(shù)，我們也逐步構(gòu)建起這樣的配套知識(shí)庫(kù)，當(dāng)然，這樣的累積需要不斷地更新，結(jié)合當(dāng)今實(shí)例，這樣才能有新的興趣刺激點(diǎn).

3.4 課程語(yǔ)言體現(xiàn)“跨學(xué)科”——強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)，深挖內(nèi)涵，融會(huì)貫通

眾所周知，以物理作為基礎(chǔ)的分支學(xué)科很多，但是由于課程教學(xué)常常受到教材、教參以及傳統(tǒng)教學(xué)慣性的影響，在物理課程教學(xué)的過(guò)程中，常常采取自己的課程語(yǔ)言來(lái)講解相關(guān)知識(shí)，而與后續(xù)分支學(xué)科課程以及平行交叉學(xué)科課程的關(guān)聯(lián)太小.這里的課程語(yǔ)言，主要指某種知識(shí)含義在該課程當(dāng)中的名稱(chēng)或稱(chēng)謂.通過(guò)開(kāi)始開(kāi)展跨學(xué)科專(zhuān)題調(diào)研以及多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)在分支學(xué)科課程和平行學(xué)科課程中存在很多相同、相關(guān)和相容的知識(shí)點(diǎn)，而僅僅因?yàn)楦髯哉n程的語(yǔ)言不一致，而無(wú)端形成了壁壘，增加了重復(fù)知識(shí)，也阻礙了對(duì)知識(shí)的深入理解.比如大學(xué)物理學(xué)中的“矢量”概論和高等數(shù)學(xué)中的“向量”概論，在講解時(shí)應(yīng)該一并提到，并重點(diǎn)闡述內(nèi)涵；大學(xué)物理學(xué)中的微元“dm”等物理量與高等數(shù)學(xué)中的微分量“dx”等的一致內(nèi)涵，乃至應(yīng)用于各學(xué)科中的“連續(xù)不均勻”的問(wèn)題；再比如大學(xué)物理學(xué)中的“力矩”概念與理論力學(xué)中的“力偶”“力偶矩”“扭矩”“轉(zhuǎn)矩”等相關(guān)概念的理解和學(xué)習(xí)；大學(xué)物理學(xué)中的“彈性形變”與材料力學(xué)中的“應(yīng)力”“應(yīng)變”的學(xué)習(xí)；大學(xué)物理學(xué)中“波函數(shù)”“波的分解和合成”與信息光學(xué)中的“光信號(hào)”“光信號(hào)衍射和疊加”與數(shù)字信號(hào)處理中“電信號(hào)”“電信號(hào)的分解和合成”“濾波”等的相通之處，以及數(shù)學(xué)中“傅里葉變換”的基本原理及其在上述理論中應(yīng)用的講解；大學(xué)物理學(xué)中“光柵衍射”與生物物理學(xué)的“光譜分析技術(shù)”的關(guān)聯(lián)性；大學(xué)物理中的相對(duì)論思想，光的波粒二相性與哲學(xué)中的一分為二等等.我們通過(guò)組建團(tuán)隊(duì)，交叉學(xué)習(xí)，分工合作，逐步在交叉和后續(xù)學(xué)科課程中發(fā)覺(jué)相同相關(guān)知識(shí)，跨越課程語(yǔ)言描述的不同，深挖知識(shí)內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)其本質(zhì)含義，將知識(shí)融會(huì)貫通.

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，大學(xué)物理課程“跨學(xué)科”教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，使學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)在所學(xué)專(zhuān)業(yè)中的重要性，能將物理學(xué)的學(xué)習(xí)與所學(xué)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展需要密切聯(lián)系起來(lái)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)物理的主觀能動(dòng)性，有效地提高大學(xué)物理課程的教學(xué)質(zhì)量.“跨學(xué)科”教學(xué)是長(zhǎng)期建設(shè)的課題，需要所有物理工作者和相關(guān)專(zhuān)業(yè)教師的通力合作，課程的交叉，教師的交流必將促進(jìn)“跨學(xué)科”研究的大力發(fā)展，為進(jìn)一步的“跨學(xué)科”平臺(tái)的搭建打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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