基于物理概念邏輯性和實(shí)用性的大學(xué)物理教學(xué)改革研究*

連赟猛，許玉冬，林 雪

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人才的培養(yǎng)占據(jù)及其重要的地位，國(guó)家需要研究型人才，應(yīng)用型人才，技能型人才的全方位發(fā)展，各類(lèi)型人才在社會(huì)發(fā)展中占據(jù)不同的地位，解決不同的需求。其中研究型人才重在提出問(wèn)題，把握社會(huì)發(fā)展方向，這是部分“211”和“985”高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)；應(yīng)用型人才重在學(xué)以致用，如何解決問(wèn)題，這是當(dāng)前大部分地方高校提出的培養(yǎng)目標(biāo)；技能型人才重在實(shí)際操作，熟練技術(shù)，培養(yǎng)工匠，這是當(dāng)前高職院校的培養(yǎng)目標(biāo)。

基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，大學(xué)物理作為專(zhuān)業(yè)課的先修課程，是高校理工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課程，該課程所教授的物理學(xué)基本概念、基本定律，物理學(xué)的原理和思想方法，是學(xué)生形成科學(xué)方法論和世界觀的重要部分，同時(shí)也是科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)理論；因此，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生具有如何應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)解決實(shí)踐問(wèn)題的能力是大學(xué)物理教學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。針對(duì)當(dāng)前“大班授課”和大學(xué)物理學(xué)時(shí)不斷縮減的情況，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的問(wèn)題，學(xué)生只知道學(xué)不知道應(yīng)用的現(xiàn)狀，如何進(jìn)行大學(xué)物理教學(xué)改革，使之主動(dòng)服務(wù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)，是擺在物理教師面前的一個(gè)重要課題和緊迫任務(wù)。本課題主要從物理規(guī)律發(fā)展的邏輯性、歷史性和實(shí)用性入手，即介紹物理學(xué)原理的來(lái)龍去脈，物理思想的發(fā)展過(guò)程，介紹物理學(xué)理論的基礎(chǔ)工程應(yīng)用，切身感受物理的魅力，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問(wèn)題，體會(huì)物理的實(shí)用性，使同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中體會(huì)科學(xué)的方法論，啟迪其探索精神，培養(yǎng)優(yōu)秀的邏輯思維和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 大學(xué)物理課程教學(xué)改革現(xiàn)狀

當(dāng)前各理工科專(zhuān)業(yè)加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)課及專(zhuān)業(yè)實(shí)踐鍛煉課程，開(kāi)始弱化大學(xué)物理教學(xué)，容易給學(xué)生造成物理不重要的假象，被動(dòng)學(xué)習(xí)物理，失去學(xué)習(xí)興趣；基本物理解題能力不斷下降，學(xué)以致用的能力和創(chuàng)新能力很難發(fā)揮出來(lái)。為了解決大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的各種問(wèn)題，許多應(yīng)用型地方高校的大學(xué)物理教師積極探索有效的課程教學(xué)方法，提出一系列的教學(xué)改革措施。西藏大學(xué)寧長(zhǎng)春[1]總結(jié)大學(xué)物理期刊近十年教改論文，結(jié)合個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，課堂反饋等方面提出了如何提高教學(xué)效果的建設(shè)性建議。湖北理工學(xué)院熊輝[2]通過(guò)豐富多樣的理論教學(xué)方法，創(chuàng)新大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手段，引導(dǎo)學(xué)生參與大學(xué)物理競(jìng)賽，產(chǎn)學(xué)研合作教學(xué)等方法，為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)建設(shè)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(jié)構(gòu)原則混合探究式教學(xué)模式，達(dá)到學(xué)生深度理解知識(shí)的效果，并增強(qiáng)其創(chuàng)新能力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王曉鷗[4]基于新工科背景下的課程體系改革，教學(xué)方式的改變，轉(zhuǎn)變教師角色，以學(xué)生為主體，取得良好的教學(xué)效果。廣東石油化工學(xué)院張昌莘[5]在工程教育觀的指導(dǎo)下對(duì)大學(xué)物理理論課和實(shí)驗(yàn)課進(jìn)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(shí)際案例與教程編排。陳杰[6]、程杰[7]、胡秋波[8]都通過(guò)線上線下結(jié)合，翻轉(zhuǎn)課堂等方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)

邏輯異或檢測(cè)法：對(duì)兩幅二值圖像，使用邏輯異或運(yùn)算將兩幅圖像中相同部分置為背景，而不同部分置為目標(biāo)，獲得一幅代表兩個(gè)時(shí)相間地表地物光譜變化的差值圖像，可以快速自動(dòng)地檢測(cè)地震造成的地表地物變化。

圖像差值法：是最常用、最簡(jiǎn)單的遙感圖像地表地物變化檢測(cè)法，其原理是對(duì)已配準(zhǔn)的、不同時(shí)相的兩幅遙感圖像進(jìn)行逐像元灰度值相減，獲得一幅代表兩個(gè)時(shí)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(fā)生變化。

2 大學(xué)物理課程教學(xué)改革

2.1 立足“過(guò)去”教學(xué)方法

創(chuàng)造力的獲得，并不一定要站在時(shí)代的前端，在人類(lèi)文明發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中一樣擁有豐富的資源，一樣隱藏著創(chuàng)造的源泉[9]?？v觀2000 多年的物理學(xué)發(fā)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(zhǎng)期的曲折與反復(fù)過(guò)程，包含了分歧與斗爭(zhēng)、停滯與突破[10]，將如何獲得物理概念與定理的思想斗爭(zhēng)過(guò)程介紹給學(xué)生，學(xué)生既可以知道物理知識(shí)的來(lái)龍去脈，也可以加深物理概念實(shí)質(zhì)的理解，物理大師辯論的焦點(diǎn)也會(huì)體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)中，知曉物理定律獲得過(guò)程的研究思路，研究方法，使得學(xué)生受到科學(xué)方法論和世界觀的教育。例如費(fèi)馬原理和能量守恒定律的發(fā)展歷史。

2.1.1 費(fèi)馬原理的歷史發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)介

在費(fèi)馬原理章節(jié)，以問(wèn)題的方式開(kāi)始：為什么光的反射角等于入射角？是什么決定光的實(shí)際路徑？介紹公元前1 世紀(jì)，希羅（Hero）采用幾何學(xué)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(jiǎn)單的案例,自然界有著趨于簡(jiǎn)單性的內(nèi)在傾向[12]。接著介紹光的折射定律，首先，介紹開(kāi)卜勒在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)光的折射規(guī)律的失敗案例，再講解斯涅爾（W.R.Snell）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)折射光線的比值規(guī)律，但是卻缺乏理論的驗(yàn)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(dá)出來(lái)的是笛卡爾，但是笛卡爾的錯(cuò)誤之處在于假定光在光密介質(zhì)中比光在光疏介質(zhì)中更易于傳播[13]，因此費(fèi)馬排除了笛卡爾的一些錯(cuò)誤觀點(diǎn)，在希羅最小路徑的啟發(fā)下，在光的折射中提出最小時(shí)間原理，經(jīng)過(guò)了4 年的時(shí)間，對(duì)光的直線傳播、光的反射、折射給出了統(tǒng)一的描述，現(xiàn)在看來(lái)，費(fèi)馬原理的論證雖然也有不足之處，但是也要繼承和發(fā)展其價(jià)值所在，正如薛定諤所說(shuō)的，在量子力學(xué)創(chuàng)立過(guò)程中發(fā)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(guò)程

（1）運(yùn)動(dòng)的量的表達(dá)形式

關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的量的描述，笛卡爾認(rèn)為用質(zhì)量和速度的乘積來(lái)表示，并認(rèn)為運(yùn)動(dòng)永遠(yuǎn)不變或守恒；而萊布尼茲根據(jù)伽利略落體定律，提出質(zhì)量與速度平方的乘積（mv2）作為運(yùn)動(dòng)的力的真正度量[14]。直到1801 年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊用“能”這個(gè)詞表示物體質(zhì)量與速度平方的乘積，1829 年法國(guó)工程師彭塞利（J.Poneclet）引入“功”這個(gè)詞，科里奧利對(duì)功的明確定義，為以后能量的轉(zhuǎn)化奠定了定量分析的基礎(chǔ)[15]。

（2）熱的本質(zhì)認(rèn)識(shí)過(guò)程

在能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，關(guān)于熱的本質(zhì)認(rèn)識(shí)過(guò)程也起到一定的作用。向?qū)W生介紹熱質(zhì)說(shuō)和熱動(dòng)說(shuō)，熱質(zhì)說(shuō)認(rèn)為熱是無(wú)重量的特殊物質(zhì)；熱動(dòng)說(shuō)認(rèn)為熱是組成物質(zhì)的細(xì)小微粒的運(yùn)動(dòng)。熱質(zhì)說(shuō)的主要倡導(dǎo)者，英國(guó)化學(xué)家布萊克在熱質(zhì)說(shuō)的基礎(chǔ)上提出“比熱”和“潛熱”的概念，對(duì)熱學(xué)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)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(xiàn)象，而倫福得和戴維的實(shí)驗(yàn)和論證可以得出合理的結(jié)論，熱是物體微粒的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)[16]，熱的本質(zhì)認(rèn)識(shí)過(guò)程也是對(duì)學(xué)生常識(shí)理解的一個(gè)沖擊過(guò)程。

（3）能量守恒定律的發(fā)展

隨著自然科學(xué)的蓬勃發(fā)展，自然界中不同的運(yùn)動(dòng)形式存在著各種各樣的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化關(guān)系不斷被發(fā)現(xiàn)，比如電磁聯(lián)系，電熱轉(zhuǎn)化，電光轉(zhuǎn)化等等，能量守恒定律就是在這種轉(zhuǎn)化關(guān)系上建立起來(lái)的，在能量轉(zhuǎn)化的量化關(guān)系中起到關(guān)鍵作用是邁耶、焦耳和亥姆霍茲；邁耶從哲學(xué)思辨上提出熱功當(dāng)量的換算；焦耳則從實(shí)驗(yàn)入手；最后亥姆霍茲采用數(shù)學(xué)語(yǔ)言統(tǒng)一能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，使得能量轉(zhuǎn)化定律真正確立起來(lái)。

（4）大統(tǒng)一本源理念

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

2.2 結(jié)合“現(xiàn)在”，工程應(yīng)用與切身感受相結(jié)合

物理知識(shí)的理解與掌握，僅靠物理習(xí)題的練習(xí)是不夠的，從教育心理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，注重知識(shí)的應(yīng)用也是學(xué)生掌握知識(shí)的重要一環(huán)，在課堂講授中，適當(dāng)引入成熟的工程應(yīng)用案例和有趣的生活現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生使用簡(jiǎn)易材料演示物理規(guī)律或現(xiàn)象，說(shuō)明物理原理在科技生活中的重要作用，能夠使學(xué)生開(kāi)拓視野，激發(fā)興趣，感受物理的價(jià)值，在傳承中啟發(fā)其創(chuàng)新性。

2.2.1 情景化教學(xué)

“學(xué)起于思，思源于疑”，學(xué)生的思維活動(dòng)起源于問(wèn)題，引入物理現(xiàn)象問(wèn)題，引起興趣，促進(jìn)思考，引出要講解的知識(shí)[18]

（1）問(wèn)題情景化

引入貼近生活的看似尋常的物理現(xiàn)象，理論分析后又超乎常識(shí)的例子，對(duì)引起學(xué)生的專(zhuān)注力和學(xué)習(xí)興趣起到很好的調(diào)動(dòng)作用。

案例1：為什么冬天的白天，墻內(nèi)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(dòng)量定理，水流壓強(qiáng)）

案例3：將硬幣放在強(qiáng)磁鐵上，為什么只是傾斜的穩(wěn)定？（勢(shì)能）

案例4：后浪來(lái)了，前浪一定會(huì)被拍死在沙灘上嗎？（波傳播的獨(dú)立性）

（2）習(xí)題情景化

設(shè)計(jì)與選擇與實(shí)際問(wèn)題、貼近時(shí)代和生活的問(wèn)題，更具有針對(duì)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(yuǎn)鏡觀察月球表面，求月球表面細(xì)節(jié)的最小間隙為多少？

案例2：如圖1 所示，在雷達(dá)探測(cè)飛機(jī)時(shí)，某一時(shí)刻飛機(jī)與雷達(dá)直線距離為r1=2.8km，與水平方向夾角θ1=370，經(jīng)過(guò)1.2s 后，又測(cè)得飛機(jī)與雷達(dá)直線距離為r2=3.6km，與水平方向夾角θ2=300，且假設(shè)r1，r2在同一豎直平面內(nèi)，求這段時(shí)間內(nèi)飛機(jī)的平均速度？

圖1

案例3：某停泊在赤道無(wú)風(fēng)帶的小船.船長(zhǎng)決定采用應(yīng)急措施，把m=200kg 的錨升到長(zhǎng)l=20m 的桅桿頂上使船運(yùn)動(dòng)，船及其負(fù)載(不包括錨)的質(zhì)量M=1000kg，（地球半徑為6400km）問(wèn)：

①船為什么會(huì)運(yùn)動(dòng)？朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？運(yùn)動(dòng)速度多大？

②使船運(yùn)動(dòng)的能量從何而來(lái)？

（3）演示實(shí)驗(yàn)情景化

楊振寧先生說(shuō)過(guò)，“公式演算并不是物理學(xué)中最重要的部分，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”，在物理內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，引入物理演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，觸發(fā)溝通與討論，起到拋磚引玉的作用，學(xué)生能在演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新出新的實(shí)驗(yàn)或想法，或是可以促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)[1]。

案例1：5 塊質(zhì)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(xué)演示作品，目的是促使同學(xué)們從實(shí)踐中激發(fā)興趣。課堂討論時(shí)，同學(xué)們自然提出磚頭數(shù)目增多，搭法如何？是否有理論計(jì)算作為支持？激發(fā)了同學(xué)們學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。（剛體動(dòng)力學(xué)）

圖2 手機(jī)最大懸出距離

案例2：教授剛體角動(dòng)量守恒定律，同學(xué)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(jié)，課前引導(dǎo)同學(xué)們利用簡(jiǎn)易材料演示干涉實(shí)驗(yàn)，圖4 所示為同學(xué)們的演示圖。

圖4 干涉實(shí)驗(yàn)演示

2.2.2 工程應(yīng)用案例教學(xué)舉例

案例1：質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)工程應(yīng)用案例

植保無(wú)人機(jī)噴灑霧滴的數(shù)學(xué)建模、物理建模及其動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算霧滴相對(duì)地面的速度和位移表達(dá)式及其影響因素[19]。

案例2：惠更斯原理與夫朗禾費(fèi)衍射工程應(yīng)用案例

惠更斯原理看似表述簡(jiǎn)單，可以解釋反射、折射、衍射等，在相控陣?yán)走_(dá)中卻有重要的應(yīng)用，相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射單元看作發(fā)射子波的波源，只是相位上存在差異，在發(fā)射過(guò)程中強(qiáng)度的分布可以用光柵衍射進(jìn)行分析，體現(xiàn)理論的具體應(yīng)用。

案例3：黑體輻射與導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)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(lǐng)與絕對(duì)溫度T4成正比，因此可以通過(guò)紅外掃描盒凝視相機(jī)跟蹤導(dǎo)彈尾焰并實(shí)時(shí)顯示其軌跡，根據(jù)在不同高度上的形狀和亮度差異，來(lái)定位追蹤導(dǎo)彈的發(fā)射

3 小結(jié)

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，課后同學(xué)們的反饋更加積極了，主要體現(xiàn)在概念的邏輯性和歷史性上，例如某同學(xué)反饋終于知道動(dòng)量概念的來(lái)龍去脈及其與動(dòng)能的區(qū)別，對(duì)于工程應(yīng)用也起到了拋磚引玉的作用，有同學(xué)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)表現(xiàn)出了極大的興趣，正好趁此機(jī)會(huì)鼓勵(lì)其進(jìn)一步學(xué)習(xí)，并做好課堂分享。而且學(xué)生課堂互動(dòng)明顯增強(qiáng)，參與程度很高，很好的起到了引導(dǎo)學(xué)生思考的作用。正所謂教無(wú)定法，從一切能夠激發(fā)學(xué)生興趣的教學(xué)手段和教學(xué)方式入手，作為教師，需要及時(shí)關(guān)注國(guó)家政策導(dǎo)向，物理前沿問(wèn)題，在新媒體下及時(shí)關(guān)注收集與物理相關(guān)的案例，在學(xué)生的每一次作業(yè)中、每一堂課后做好及時(shí)反饋和反思總結(jié)，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段方式，不斷提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量。