淺談大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計

呂素葉 于舸 呂愛君

[摘 要] 闡述信息時代背景下，大學(xué)物理教學(xué)方式革新的必要性和重要性，針對該課程兼具理論系統(tǒng)龐雜和應(yīng)用層面廣泛的特點，基于近幾年的教學(xué)改革探索和思考，提出采用翻轉(zhuǎn)課堂和案例教學(xué)法。教學(xué)實踐結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)課堂和案例教學(xué)法能夠極大促進學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明顯改善學(xué)習(xí)效果。

[關(guān)鍵詞] 大學(xué)物理教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;案例教學(xué)

[基金項目] 2019年度北京石油化工學(xué)院“以學(xué)生為中心教學(xué)范式改革”項目“‘大學(xué)物理教學(xué)中融入物理學(xué)史對教學(xué)效果影響的實踐和分析”（ZDFSGG20190802）;2020年度北京石油化工學(xué)院“以學(xué)生為中心教學(xué)范式改革”項目“‘以學(xué)生為中心的大學(xué)物理教學(xué)新模式的探索與實踐”（20032082002/020）

[作者簡介] 呂素葉（1981—），女，河北邯鄲人，工學(xué)博士，北京石油化工學(xué)院數(shù)理系講師，主要從事大學(xué)物理教學(xué)和高功率微波器件研究;于 舸（1962—），女，河南濮陽人，理學(xué)博士，北京石油化工學(xué)院教授，主要從事大學(xué)物理教學(xué)和量子光學(xué)、光譜及其成像技術(shù)研究;呂愛君（1972—），女，河北邢臺人，理學(xué)碩士，北京石油化工學(xué)院講師，主要從事大學(xué)物理教學(xué)和新型材料及計算電磁學(xué)研究。

[中圖分類號] G642? ? ?[文獻標識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）17-0144-04? [收稿日期] 2020-10-05

一、引言

大學(xué)物理是大學(xué)理工、農(nóng)、醫(yī)類專業(yè)學(xué)生必修的一門公共基礎(chǔ)課程，授課時間一般為大學(xué)一年級第二學(xué)期或大學(xué)二年級第一學(xué)期，屬于銜接高中物理和大學(xué)其他以其為基礎(chǔ)的更深教學(xué)專業(yè)類課程的過渡內(nèi)容。眾所周知，數(shù)學(xué)和物理是自然科學(xué)的兩大重要基礎(chǔ)，大學(xué)物理教學(xué)中很多問題的解決需要應(yīng)用高等數(shù)學(xué)知識，所以大學(xué)物理是基于高等數(shù)學(xué)（尤其是微積分以及矢量初步知識）等公共基礎(chǔ)課程的一門課程，重在培養(yǎng)學(xué)生理解并綜合運用大學(xué)物理課程中的基本概念、基本思想、基本規(guī)律和基本方法，使學(xué)生在理論、方法、能力等方面得到訓(xùn)練，并形成對物理學(xué)豐厚人文積淀的系統(tǒng)了解和認識，最終實現(xiàn)知識、能力和人文素養(yǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。近年來，社會各領(lǐng)域發(fā)生了深刻變革，社會已經(jīng)完全進入了信息高度發(fā)達的階段。雖然大學(xué)物理的經(jīng)典知識體系內(nèi)核已歷經(jīng)長久的實踐檢驗，但是其實際應(yīng)用的外延還在不斷發(fā)展。因此，大學(xué)物理課程的教學(xué)應(yīng)該突破僅在課堂上講授傳統(tǒng)經(jīng)典物理學(xué)體系的模式，有意識地充分結(jié)合信息時代的特點，引導(dǎo)學(xué)生接觸、思考、運用物理學(xué)與時俱進的外延應(yīng)用范疇[1]。

但是受課程學(xué)時所限，這一問題的解決需要教學(xué)方法的革新[2]。因此，大學(xué)物理課程的教學(xué)要在教學(xué)內(nèi)容和方法上不斷革新，并思考如何將物理知識與授課學(xué)生的具體專業(yè)對接，如何充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，最終讓學(xué)生獲得自主學(xué)習(xí)的能力和終身學(xué)習(xí)的意識。實踐表明，目前在大學(xué)物理課程教學(xué)中引入翻轉(zhuǎn)課堂和案例教學(xué)法，可以取得比較好的教學(xué)效果。

二、翻轉(zhuǎn)課堂與案例教學(xué)法

（一）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法在大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用

1.翻轉(zhuǎn)課堂。翻轉(zhuǎn)課堂的最初形式是2000年美國教授講授“經(jīng)濟學(xué)入門”時采用的教學(xué)模式，并逐漸得到一定的推廣和發(fā)展[3]。翻轉(zhuǎn)課堂最顯著的特點是可以重新構(gòu)建學(xué)習(xí)過程。通常的學(xué)習(xí)過程是信息傳遞——吸收內(nèi)化。教師在課堂上進行信息傳遞，學(xué)生課后進行信息的吸收內(nèi)化。翻轉(zhuǎn)課堂是將學(xué)生對知識的吸收內(nèi)化階段設(shè)置在課堂上進行，而信息傳遞階段則讓學(xué)生在課前進行。

在互聯(lián)網(wǎng)時代，翻轉(zhuǎn)課堂的實現(xiàn)已經(jīng)不存在技術(shù)上的困難，各種軟件和教學(xué)平臺的成熟穩(wěn)定完全可以深度支撐課堂的翻轉(zhuǎn)。信息傳遞方面，可以體現(xiàn)在大學(xué)物理課程教學(xué)過程中的各個環(huán)節(jié)。課前，依據(jù)將要進行的教學(xué)內(nèi)容制作短小精悍且針對性強的教學(xué)視頻，以所講授的知識點為個體單位錄制視頻，然后將其上傳至線上教學(xué)平臺（例如云班課、雨課堂等），同時教師可以提供即時在線輔導(dǎo)，從而能夠提前了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難之處，做到在課堂上有針對性地引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)。另外，課前教師針對授課內(nèi)容在線上教學(xué)平臺發(fā)布難度適中、有啟發(fā)性的習(xí)題供學(xué)生預(yù)習(xí)，從而使學(xué)生在進入線下課堂前已經(jīng)通過預(yù)習(xí)對將要學(xué)習(xí)的物理內(nèi)容有一定的認知，形成對所學(xué)知識內(nèi)容難度和深度的預(yù)判，從而由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嗅槍π缘闹鲃訉W(xué)習(xí)。教師根據(jù)線上教學(xué)平臺的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以提前了解學(xué)生預(yù)習(xí)情況并據(jù)此了解學(xué)生對某些概念、定理理解不透徹的地方，然后在課上重點講解，實現(xiàn)從整體上調(diào)整課堂節(jié)奏。吸收內(nèi)化方面，通過課堂上師生互動、生生互動來完成和加強，具體可以采用“小講師”、小組討論、頭腦風(fēng)暴等形式來開展。由于學(xué)生已經(jīng)在線上教學(xué)平臺進行了多種形式的預(yù)先學(xué)習(xí)，從而對所要講授的內(nèi)容有了一定的認知，因此在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)能全面提升教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動性。也就是說，教師從課堂上知識的主要傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)促進者。例如，學(xué)生成立學(xué)習(xí)小組進行討論學(xué)習(xí)，教師在這一過程中進行實時指導(dǎo)，甚至知識掌握程度好的學(xué)生可作為“小講師”開展“小講座”，輔導(dǎo)組內(nèi)其他學(xué)生的學(xué)習(xí)。

2.翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)要求。目前，通過在大學(xué)物理教學(xué)過程中對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法的運用與實踐，已經(jīng)深深感受到這是一種很好的教學(xué)方法，尤其是對于理論性較強的課程。大學(xué)物理課程理論性強，概念定義繁多，一般需要學(xué)生的反復(fù)學(xué)習(xí)才能達標。翻轉(zhuǎn)課堂這采用錄制并上傳教學(xué)視頻到線上教學(xué)平臺，不僅使授課內(nèi)容更加具體和形象化，而且方便學(xué)生重復(fù)觀看，深入思考。傳統(tǒng)教學(xué)在課堂上進行大面積的單次信息傳遞，有“一刀切”之嫌，使得學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同的學(xué)生在課上有“學(xué)到多少是多少”的感覺，從而直接影響了學(xué)生課后的復(fù)習(xí)信心，整體上不利于分層教學(xué)，最終影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。信息傳遞通過線上教學(xué)平臺在課前進行，使得每個學(xué)生可以按照自己的知識基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)速度在自己覺得合適的時間和地點進行學(xué)習(xí)。從教師自身來講，為了使教學(xué)效果達到預(yù)期，教師除了要剖析解構(gòu)大學(xué)物理系統(tǒng)知識細節(jié)，了解并熟練掌握大學(xué)物理各篇章的基本概念、思想與規(guī)律外，還必須做好以下幾個方面的教學(xué)工作。第一，堅定信念，提高信息素養(yǎng)。教育行為來源于教育理念。長期以來，在“分數(shù)至上”的教育環(huán)境中，很多課程的教學(xué)已然形成了固定的教學(xué)范式和習(xí)慣。教師傾情投入傳道授業(yè)解惑，學(xué)生緊跟教師思路坐聽“禪道”，判斷、分析解決問題的能力基本靠學(xué)生自身的領(lǐng)悟力。而實施翻轉(zhuǎn)課堂需要打破教師的舒適區(qū)、平衡態(tài)，讓教師處于不斷實踐學(xué)習(xí)的動態(tài)教學(xué)中。所以必須以堅定的改革信念作支撐，才能在課程改革中做到“一鏡到底”。其次，授課對象學(xué)生大都生于21世紀，成長于信息時代，各類電子產(chǎn)品和應(yīng)用軟件可以說是他們生活中的朋友，他們與信息技術(shù)沒有任何隔閡。年長他們較多的教師更需要提高自身的信息化素養(yǎng)，能夠?qū)⒄n程的教學(xué)內(nèi)容用當代技術(shù)展現(xiàn)出來，使教學(xué)內(nèi)容與時代同步、教學(xué)形式與學(xué)生共鳴。因此要堅持以教學(xué)大綱為主線，延拓教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)形式，使大學(xué)物理課程常教常新。第二，高效課堂，做好角色轉(zhuǎn)換。將“吸收內(nèi)化”這一階段翻轉(zhuǎn)到課堂上進行，是翻轉(zhuǎn)課堂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，畢竟面對面互動學(xué)習(xí)活動才是翻轉(zhuǎn)課堂最重要的價值所在。信息傳遞在課前已經(jīng)大量進行，這就涉及如何支配課堂上多出來的時間。圍繞教學(xué)內(nèi)容，精心準備課堂對話和討論、提前設(shè)計問題，讓學(xué)生能夠互動交流、自主思考，是實現(xiàn)高效課堂的有效手段。在每個視頻后面都設(shè)置3～4個小問題，一是可以幫助學(xué)生了解和檢測自身的學(xué)習(xí)掌握情況;二是可以提供教師在課堂上引導(dǎo)學(xué)生開展緊貼教學(xué)目標的課堂討論的素材。高效課堂有助于學(xué)生的“吸收內(nèi)化”，從而可以極大提升學(xué)習(xí)效率。第三，教師的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)換，從教學(xué)過程中的主角變?yōu)閹椭鷮W(xué)生學(xué)習(xí)的導(dǎo)師;相對地，翻轉(zhuǎn)課堂利用豐富的信息化資源，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主角。同時翻轉(zhuǎn)課堂的效果直接與學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性關(guān)聯(lián)，學(xué)生如果不自覺學(xué)習(xí)課前資料，不擅長提問，不主動參與課堂討論，將直接影響教學(xué)效果和教學(xué)目標的達成。但是，這不正是我們培養(yǎng)具備自主學(xué)習(xí)能力的新型人才必須要解決的問題嗎？因此，制定科學(xué)的效果評價機制和實時跟進的評價技術(shù)，能夠在學(xué)生學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)得到實證性資料，是翻轉(zhuǎn)課堂取得良好效果的保證，同時一定程度上解決了培養(yǎng)學(xué)習(xí)型人才的問題。

（二）案例教學(xué)法在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

1.案例教學(xué)法。案例教學(xué)法是指在大學(xué)物理教學(xué)過程中的某些環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排相應(yīng)的客觀典型事件，使學(xué)生通過對事件的分析和解決形成對所學(xué)知識的直觀感受，做到學(xué)以致用[4]。

在教學(xué)實踐中，具體操作有兩個方面。其一是在新章節(jié)導(dǎo)入環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容引入與本章節(jié)內(nèi)容高度相關(guān)的生動有趣且綜合性較強的真實典型事件，學(xué)生了解此類事件但是又有待解釋的問題存在其中，需要通過大學(xué)物理相應(yīng)章節(jié)的理論知識來求解。學(xué)生帶著問題進入下一階段的理論學(xué)習(xí)，最終使枯燥繁雜的物理公式、定義呈現(xiàn)出很強的生命力，學(xué)生開始能夠懂得這些理論知識在什么地方可以用以及如何用。這種教法可以加強知識的內(nèi)化，整合知識結(jié)構(gòu)體系，縮短理論到應(yīng)用層面的距離，使學(xué)生明白所學(xué)即所用。其二是在教學(xué)過程的知識應(yīng)用環(huán)節(jié)，基本的物理概念及定義的理解和應(yīng)用可以采用習(xí)題冊的形式進行強化鞏固，而運用所學(xué)理論知識解決實際問題的能力培養(yǎng)最好是緊扣教學(xué)內(nèi)容進行作業(yè)設(shè)計，設(shè)定合適的案例分析任務(wù)，以小組討論的形式開展并記錄，最終得出結(jié)論。案例的復(fù)雜和多樣性使得學(xué)生在完成這一任務(wù)的過程中，必須隨時復(fù)習(xí)和整合所學(xué)知識，必要時需要查閱相關(guān)資料，綜合運用各種知識對案例進行思考、分析和討論。在這一過程中學(xué)生能夠形成分析、解決問題的思維方式，進而提升個人的科學(xué)素養(yǎng)。

例如，在光學(xué)部分講授薄膜干涉一節(jié)內(nèi)容時，引入案例：去眼鏡店配眼鏡時，營業(yè)員推薦了兩款鍍膜眼鏡，一個表面是綠色，一個表面是紫色，選擇哪一款眼鏡對眼睛好呢？這一案例可以在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，引導(dǎo)學(xué)生從實際生活問題走向物理，再從物理走回實際生活。學(xué)生帶著“如何選擇對眼睛好的鍍膜眼鏡”這一問題進入薄膜干涉、增透膜和增反膜內(nèi)容的學(xué)習(xí)，將實際問題抽象成物理模型，應(yīng)用光程差這一關(guān)鍵物理量對此進行分析，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)光的干涉知識在生活和生產(chǎn)實踐中的廣泛應(yīng)用，達到學(xué)以致用的目的，使學(xué)生體會到學(xué)習(xí)的樂趣、成功的喜悅。所以，案例教學(xué)能夠引導(dǎo)學(xué)生建立“實際問題—建立模型—分析模型—解決問題”的思維方式，從而在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生利用已有知識解決實際問題的能力。

2.案例教學(xué)法的要求。對于理論體系龐大繁雜和應(yīng)用廣泛的大學(xué)物理課程，案例教學(xué)法還是頗具優(yōu)勢的，能夠在系統(tǒng)講述教材基本知識、基本原理的基礎(chǔ)上通過具體分析真實客觀案例來體現(xiàn)物理課程的實踐性。該方法把理論教學(xué)情境和真實事件情境聯(lián)系起來，使得學(xué)生不再有大學(xué)物理涉及的概念、規(guī)律、定理等都是紙上談兵的架空感，能夠深切感受到物理是現(xiàn)代科學(xué)大廈的重要根基。為使教學(xué)效果達到預(yù)期，針對案例教學(xué)法需要做好幾個方面的工作。①精心選編，與時俱進。對于在大學(xué)物理講授中所引入的案例，教師必須重視選編環(huán)節(jié)，精心挑選一些精、實、深的案例。所挑選的案例要能夠緊扣教材理論知識，能夠深度匹配教學(xué)內(nèi)容，形成理論與實踐相輔相成的效果。其次，案例要不斷更新，與時俱進，尤其是作業(yè)設(shè)計部分的案例題目。例如，光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)一節(jié)的講授內(nèi)容，物理評價概念不變，但是光學(xué)器件行業(yè)的發(fā)展，從光學(xué)顯微鏡到電子隧道顯微鏡折射出的新理念、新技術(shù)是需要在教學(xué)案例中體現(xiàn)出來的。所以，要使教學(xué)內(nèi)容與時代同步、與社會事件關(guān)聯(lián)，以教學(xué)大綱為主線，擴充教學(xué)內(nèi)容，使大學(xué)物理中的案例教學(xué)充滿生機和活力。②靈活教學(xué)，精當點評。任何一門課程都有自身的體系結(jié)構(gòu)，大學(xué)物理課程也不例外，因此教師要把握物理學(xué)科體系及其涵蓋的知識點。對于學(xué)生容易理解掌握的知識內(nèi)容進行一般的課堂講授即可;對于教學(xué)重難點則要用選編的合適案例進行教學(xué)，讓學(xué)生在對案例的分析、討論過程中真正掌握相應(yīng)的理論知識。案例教學(xué)是互動式教學(xué)，師生在交流過程中互為“教”的主體，所以組織案例教學(xué)的形式可以靈活多變，可以教師剖析案例為主，可以學(xué)生分組討論案例為主，甚至學(xué)生課后獨立完成案例，然后課上分享觀點，即以自學(xué)為主。③無論哪一種教學(xué)形式，教師對所得結(jié)論進行點評解析都是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。教師要做到精當點評，需要深厚的學(xué)科功底和臨場應(yīng)變能力，這其實對教師提出了更高的要求。學(xué)生分析案例得出的結(jié)論需要教師給予引導(dǎo)，從而促使教師加深思考。即使同一案例，由于不同學(xué)生對知識有不同的理解，就需要教師根據(jù)具體情況補充新的教學(xué)內(nèi)容，所以雙向的教學(xué)形式更能讓教師意識到“教無止境”。教師通過靈活組織教學(xué)，精當點評案例結(jié)論，使學(xué)生將大學(xué)物理每一范疇（力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、近代物理學(xué)）的基本原理和方法融會貫通于不同具體專業(yè)背景的聯(lián)系之中。

三、結(jié)語

2020年，新冠肺炎疫情之下，教學(xué)方式發(fā)生了深刻的變革。信息時代的產(chǎn)品為這一教育變革提供了技術(shù)支撐，能夠更便捷地實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂和案例教學(xué)。無論線上線下，教學(xué)的根本目的是“培養(yǎng)全面發(fā)展的人”。大學(xué)物理作為自然科學(xué)的重要基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方面具有顯而易見的重要作用。但是，在信息時代，學(xué)生對電子資源能輕易獲取，傳統(tǒng)的“教師在教室里講教材”式的教學(xué)，已經(jīng)不能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大學(xué)物理課程是大學(xué)理工類的一門基礎(chǔ)課程，要為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)與專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定必要的物理基礎(chǔ)，它的基本概念、基本理論與實驗方法向其他學(xué)科或技術(shù)領(lǐng)域的滲透總是毫無例外地促成該學(xué)科或技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生革命性的變化或里程碑式的進步，其重要性不言而喻。如何讓學(xué)生對這門課程從“知之”到“好之”進而到“樂之”是每個大學(xué)物理教師應(yīng)該追求的教學(xué)效果。

其實，任何一個人都有想變得更好的意愿，任何一個學(xué)生都有學(xué)習(xí)的意識和想學(xué)好的意愿，除非他學(xué)習(xí)遇到了真正的困難。這個困難應(yīng)該是教師能夠通過嘗試應(yīng)用不同的教學(xué)形式傳遞課程的核心知識來解決的。

在本門課程教學(xué)中引入翻轉(zhuǎn)課堂和案例教學(xué)法后，教學(xué)活動中的參與者能夠加強互動交流，學(xué)生的主體地位得到肯定，在問題解決過程中的成就感得到提升，從而極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性和主動性。如果學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠感受到心靈的滋養(yǎng)，體會到思想的塑造，那么學(xué)習(xí)這一行動應(yīng)該是自發(fā)的、快樂的。

參考文獻

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Study of the Teaching Design of College Physics

LüSu-ye， YU Ge， Lü Ai-jun

（Department of Mathematics and Physics， Beijing Institute of Petrochemical Technology，

Beijing 102617， China）

Abstract： The necessity and importance of the innovation of the teaching methods of College Physics under the background of the information age are elaborated in this paper. College Physics is characterized by complex theoretical system and wide range of application. Based on the exploration and thinking of the teaching reform in recent years， flipped classroom teaching and case teaching are proposed for the College Physics teaching reform. The teaching practice results show that both methods can greatly promote students learning initiative， improve students interest in learning， and significantly improve the learning effect.

Key words： College Physics teaching; flipped classroom; case teaching