大學(xué)物理“問題驅(qū)動”法教學(xué)實踐

馬 晴，李耀宗，華雪俠

（咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

大學(xué)物理是理工科非物理專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識奠定學(xué)科基礎(chǔ)，還使學(xué)生在科學(xué)素養(yǎng)、探究性學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維等方面得到培養(yǎng)。錢彥等在對中美高等教育物理課程教學(xué)的對比和啟迪研究中提到，目前國內(nèi)大學(xué)物理的教學(xué)目標、課程設(shè)置、教材內(nèi)容與結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法、考核方式等與教育發(fā)達國家相比還存在很多問題。[1]如果嚴格按照教學(xué)大綱的目標實施教學(xué)，固有模式使學(xué)生不能很好地與現(xiàn)代科技聯(lián)系在一起自主學(xué)習(xí)；理論教學(xué)與實驗教學(xué)的分離，會導(dǎo)致學(xué)生的動手能力欠缺；教材內(nèi)容按力、熱、電磁、光、近代物理的傳統(tǒng)分類，在經(jīng)典理論所占比例較大的情況下，不利于物理學(xué)與其他學(xué)科之間的交叉，容易形成大學(xué)物理學(xué)“無用”的錯覺。

隨著科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的進步，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的大背景下，對大學(xué)物理課程教學(xué)的改革、思考、探究等從未間斷，文獻[2-14]對目前大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀（生源質(zhì)量、教學(xué)大綱、教材內(nèi)容、教學(xué)手法、課時量、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、社會就業(yè)等方面）進行了剖析，呼吁大學(xué)物理教學(xué)必須大膽革新，優(yōu)化和調(diào)整教學(xué)模式和教學(xué)方法。馮林等[3]認為批判性思維教學(xué)可以促進學(xué)生的全面發(fā)展，趙言誠等[4]從作業(yè)的自主設(shè)計入手，避免了學(xué)生抄襲作業(yè)的現(xiàn)象的發(fā)生，同時也可回避70%與高中相似的物理內(nèi)容，使學(xué)生感覺到大學(xué)與中學(xué)在物理問題分析方法和表述的區(qū)別，并提出教師要轉(zhuǎn)變觀念，改變教學(xué)模式和教學(xué)方法，最大限度的發(fā)揮大學(xué)物理的作用。

“問題驅(qū)動”法教學(xué)是以學(xué)生為中心，以教師引導(dǎo)學(xué)生解決問題為主線的教學(xué)模式，極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。針對目前的大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，為保證教學(xué)質(zhì)量，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)習(xí)慣，實現(xiàn)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標。筆者結(jié)合咸陽師范學(xué)院大學(xué)物理課程教學(xué)的實際，在教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容方面進行改革探索，將“問題驅(qū)動”法運用在大學(xué)物理的教學(xué)過程中，通過多年教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性、興趣、自主性、社會適應(yīng)性等均有明顯提高。

1“問題驅(qū)動”法教學(xué)及其特點

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要形式，所以將課堂教學(xué)方法的改革作為教學(xué)改革的重點之一，并借鑒國內(nèi)外多所大學(xué)和學(xué)院相關(guān)課程的教改經(jīng)驗，[5-7]發(fā)現(xiàn)“問題驅(qū)動”法教學(xué)能較好地適應(yīng)學(xué)生實際及大學(xué)物理課程的特點。

“問題驅(qū)動”法教學(xué)以客觀問題為主線，按照提出物理問題、構(gòu)建物理學(xué)基本概念和模型、設(shè)計解決問題途徑、引導(dǎo)學(xué)生解決問題運用合理的方法、并總結(jié)出物理學(xué)基本規(guī)律的順序?qū)嵤┙虒W(xué)。其特點是：（1）“問題驅(qū)動”法中教師圍繞解決實際問題組織教學(xué)，讓學(xué)生在完成問題的過程中學(xué)習(xí)新知識和新技能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力；（2）“問題驅(qū)動”法教學(xué)的目標明確，內(nèi)容實用，能使學(xué)生感受到學(xué)有所用；（3）“問題驅(qū)動”法教學(xué)可以提高學(xué)生的主動參與意識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2“問題驅(qū)動”法教學(xué)設(shè)計

為實現(xiàn)大學(xué)物理課程的教學(xué)目標，要求教師必須轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，從傳統(tǒng)的以“知識”為主要目標的教學(xué)理念向以“能力”為主要目標的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變。教師在課堂教學(xué)中要營造物理學(xué)探究問題的情景，讓學(xué)生體驗物理學(xué)發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的過程，使學(xué)生了解物理學(xué)與自然、生活、社會發(fā)展的關(guān)系。根據(jù)大學(xué)物理課程的特點和課程教學(xué)面臨的困難，筆者經(jīng)過多年的教學(xué)研究與實踐，在課堂教學(xué)中應(yīng)用“問題驅(qū)動”法教學(xué)。為了有效提高教學(xué)效果，特提出如下原則：

（1）在生活實際、生產(chǎn)實踐、物理現(xiàn)象、科學(xué)實驗等學(xué)生熟悉或?qū)W生感興趣的領(lǐng)域中，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)與課程教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的問題，如熱學(xué)中的相變——雨滴的形成過程。

（2）從普遍性的問題導(dǎo)入教學(xué)單元及各章的教學(xué)內(nèi)容，以較具體的問題導(dǎo)入各節(jié)次的教學(xué)內(nèi)容。通過問題使學(xué)生了解教學(xué)單元及章、節(jié)的研究目的和任務(wù)。如拉車、騎車、汽車在路上行駛等力學(xué)問題，引入力與運動及其關(guān)系。

（3）以問題的準確化、簡單化導(dǎo)入章節(jié)內(nèi)容涉及的概念與模型。如點電荷、質(zhì)點、剛體、彈性體、流體等理想模型。并概括出物理學(xué)模型既可以是系統(tǒng)對象模型，也可以是過程或條件模型。

（4）圍繞物理問題的表述導(dǎo)入數(shù)學(xué)方法。如不同形狀的帶電體產(chǎn)生電場與點電荷產(chǎn)生電場的關(guān)系等問題。在物理學(xué)研究中，注意實驗、歸納、推理演繹、對稱性、類比、假設(shè)與猜想等方法的特點、區(qū)別及應(yīng)用條件，從而體現(xiàn)出方法論在物理學(xué)探究中的獨特地位。

（5）針對不同的物理現(xiàn)象，設(shè)計不同層次的探究形式，如討論、提問、設(shè)疑等中間環(huán)節(jié)，最大限度地讓學(xué)生參與到教學(xué)過程中，獲得探索、失敗、成功的情感體驗，體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位，如落體偏離、摩擦力產(chǎn)生原因等問題的討論。

（6）根據(jù)解決問題時提出的限制條件，明確所得結(jié)論（規(guī)律或公式）的適用范圍和條件。如能量均分定理、牛頓運動定律等。物理學(xué)規(guī)律及表達形式均有一定的適用范圍和使用條件，這往往使學(xué)生不能通過有效分析解決實際問題，教師應(yīng)在教學(xué)中重視這一現(xiàn)象。

（7）以例題體現(xiàn)物理學(xué)規(guī)律的應(yīng)用及意義。如消防員將不同半徑壓扁的圓柱帶子從有傾角的斜坡上滾下并自動解開會與哪些因素有關(guān)？帶子全部展開需要的時間與什么有關(guān)？生動、具體、趣味、實用性的例題，能激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)規(guī)律探究的欲望，加深對物理學(xué)規(guī)律的理解，體驗物理學(xué)規(guī)律的實用性與意義。

（8）以課堂訓(xùn)練檢測學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，如通過課后思考題的分組討論，教師可了解學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，了解學(xué)生的知識水平及差異，有利于因材施教。

（9）以新問題導(dǎo)入下一節(jié)課的內(nèi)容，布置預(yù)習(xí)任務(wù)及作業(yè)題。為了提高課堂教學(xué)的效率，克服教學(xué)課時不足的實際情況，督促學(xué)生課后預(yù)習(xí)非常必要，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3“問題驅(qū)動”法教學(xué)的實施案例與分析

下面以靜電場能量1節(jié)教學(xué)為例，介紹“問題驅(qū)動”法教學(xué)的具體實施步驟。該節(jié)教學(xué)目標是掌握靜電場的能量分布及其探究方法，為導(dǎo)入主要內(nèi)容首先設(shè)計了“真空中帶電體系中相互作用勢能分布于哪里？”的問題。計算真空中兩個點電荷系統(tǒng)的勢能，它應(yīng)等于將一個點電荷從無限遠處移到系統(tǒng)中電場力做功的負值，即

顯然，當(dāng)q1,q2一定時，We與r有關(guān)，可見這個能量存在于點電荷外部的電場中。當(dāng)r改變，空間電場分布發(fā)生變化，導(dǎo)致電荷之間的相互作用勢能也隨之改變，所以電場能量分布在電場之中。

一個例子不足以得到普遍性的結(jié)論，再來分析真空中均勻帶電球面的電場能，它應(yīng)是將無限分散的電荷均勻聚集在半徑為r的球面上外力克服電場力做的功，即

此處r為均勻帶電球面的半徑，電場分布在球外空間。r變小，說明電場分布區(qū)域變大，反之，r變大，電場分布區(qū)域變小，仍然說明電場能與電場分布的空間相關(guān)，隨電場分布的變化而改變。

當(dāng)r→0時，均勻帶電球面模型轉(zhuǎn)化為點電荷模型，（1）（2）兩式所得結(jié)論一致。

既然電場能存在于電場之中，為進一步探索電場能量分布遵從的規(guī)律，那么“靜電場能量分布規(guī)律與電場分布存在什么關(guān)系？”即要探討能量密度與電場強度的關(guān)系。為計算方便，以學(xué)生較為熟悉的平行板電容器中的均勻電場為例，在真空的情況下，引導(dǎo)學(xué)生計算平行板電容器充電后存儲的電能，即電源移動電荷克服電場力做的功，可得

為了揭示電場能量密度與電場強度的關(guān)系，進行變量代換，即用電場強設(shè)E及電容器極板間體積V為變量，則得

因為電容器存儲的電場能存在于電容器兩極板之間的電場之中，且為均勻分布，則能量密度為：

式（5）再次表明，電場能不僅分布在電場中，而且電場能的分布規(guī)律與電場的分布規(guī)律密切相關(guān)。上述結(jié)論是否具有普遍性？可以再計算均勻帶電球面產(chǎn)生的非均勻電場的能量密度加以驗證，從而將由特殊電場分布得出的結(jié)論推廣到一般情況。另外，以能量密度這個物理量為對象進行討論，一方面使學(xué)生看到，能量密度不僅是計算靜電場能的一種方式，更揭示出電場的物質(zhì)性，從而加深對靜電場的認識。

對于電介質(zhì)中的靜電場的能量密度問題，仍然可以仿照上述過程，通過類比方法得出

此結(jié)果還可推廣到任意電場分布及時變電場。正是因為電場具有能量，地面才能接受到太陽輻射的能量，植物才能進行光合作用。

綜上所述，該節(jié)課在兩個具體問題的引導(dǎo)下，通過特殊電荷分布模型，計算了電場能及能量分布關(guān)系，給出了電場能的分布區(qū)域后與電場的關(guān)系。既給出了電場能量的定量計算方法，也說明了其物理本質(zhì)，在問題的解決過程中也體現(xiàn)出物理學(xué)認識物質(zhì)世界的基本方法。同時在教學(xué)過程中，營造了發(fā)現(xiàn)和探究物理問題的情景，培養(yǎng)了學(xué)生解決物理問題的能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念。

4結(jié)論

“問題驅(qū)動”法教學(xué)就是通過精心設(shè)計的各類問題，可使新教學(xué)內(nèi)容的導(dǎo)入合理、自然，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于教學(xué)活動在不同層次問題的驅(qū)動下，基本圍繞解決問題分階段、分步驟進行，研究目標明確，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，從而降低了學(xué)習(xí)難度，提高了課堂學(xué)習(xí)的積極性。

“問題驅(qū)動”法教學(xué)的基礎(chǔ)是發(fā)現(xiàn)和提出問題，由于大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容與生活實踐、自然現(xiàn)象、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系密切，只要在已有知識的基礎(chǔ)上勤于思考、善于類比，不難找到與各章、節(jié)內(nèi)容相適應(yīng)的問題?！皢栴}驅(qū)動”法教學(xué)的實施過程也是問題的探究過程，通過客觀問題的提出、建立對立模型、具體分析、選擇實施方案，最終獲得解決的過程。在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。在“問題驅(qū)動”法教學(xué)的基礎(chǔ)上，如果配以實際演示、電腦模擬和多媒體課件等多種教學(xué)手段，可大大增加學(xué)生對物理規(guī)律的直觀認識，增大課堂教學(xué)的信息量，有利于教學(xué)效率的提高和教學(xué)效果的進一步改善。

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