肖 思,邢若晨

(1.中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083;2.中南大學(xué) 先進(jìn)材料超微結(jié)構(gòu)和超快過(guò)程研究所,長(zhǎng)沙 410083)

1 提高物理教學(xué)的實(shí)用性和趣味性勢(shì)在必行

物理這門(mén)學(xué)科,從初中開(kāi)始接觸,高中繼續(xù)學(xué)習(xí)并作為高考考試科目受到重視[1].即使進(jìn)入了高等學(xué)府,高校物理作為一門(mén)基礎(chǔ)課程,也成為了大多數(shù)專(zhuān)業(yè)的必修課.初步估計(jì),截止到2012年底,全國(guó)每年需要接受物理教學(xué)的普通高校學(xué)生多達(dá)一千五百萬(wàn)人.因此,必須要重視高校物理的教學(xué)工作和實(shí)際效果[2].

因?yàn)樵谶M(jìn)入高校之前,學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了五到六年的物理學(xué)習(xí),一般性的物理知識(shí)已經(jīng)具備,對(duì)基于高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的高等物理學(xué)習(xí)普遍提不起興趣.根據(jù)筆者的第一手調(diào)查結(jié)果顯示,某大學(xué)電信專(zhuān)業(yè) 2013年下半學(xué)期《普通物理》的到課率在51%到80%之間;2013年上半學(xué)期《普通物理》的及格率僅在75%左右,排名為諸多公共基礎(chǔ)課之尾[2].學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)缺乏興趣以至于教學(xué)質(zhì)量不高,已成為了高校物理教學(xué)的普遍問(wèn)題.

針對(duì)學(xué)生的匿名調(diào)查顯示,學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)缺乏興趣的原因主要有三:一是基本物理概念已經(jīng)在初中、高中學(xué)過(guò),感覺(jué)高校物理只是在難度上有所增加,沒(méi)有新意;二是感覺(jué)物理學(xué)好后,沒(méi)有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值;三是物理課后習(xí)題和考試只是眾多公式的套用,只需要臨時(shí)死記硬背就可及格,無(wú)需認(rèn)真學(xué)習(xí)(這種想法很明顯是錯(cuò)誤的,只有75%的及格率已經(jīng)證明了這一點(diǎn)).

針對(duì)學(xué)生的態(tài)度,高校的物理教學(xué)確實(shí)需要改進(jìn),提高物理教學(xué)的實(shí)用性和趣味性勢(shì)在必行.

2 物理教學(xué)改革的重點(diǎn)在于改變成規(guī)

高校物理教學(xué)改革的突破口應(yīng)在物理習(xí)題的選擇上.因?yàn)榻虒W(xué)方式因人而異,并無(wú)規(guī)定套路,也無(wú)法做到對(duì)授課老師的全面培訓(xùn),一時(shí)難以突破.而高校物理教材已經(jīng)有各種完善的高校專(zhuān)用版本,不可能做到一刀切,修改難度太大.因此,最有可能的突破是在課后習(xí)題上.

每個(gè)任課老師都能自主布置課后習(xí)題,無(wú)需嚴(yán)格按照物理教材進(jìn)行,擁有極大的自主性,不會(huì)遇到任何改革障礙;課后習(xí)題無(wú)需正式編著成書(shū),老師可以選擇用電子版發(fā)給學(xué)生完成,學(xué)生也可使用電子版或紙版形式完成,花費(fèi)最小,沒(méi)有任何經(jīng)費(fèi)問(wèn)題.

但物理習(xí)題的改革應(yīng)該遵循以下原則:物理習(xí)題應(yīng)該有新意,突出高等院校大學(xué)物理與初高中物理的不同;物理習(xí)題應(yīng)能激發(fā)學(xué)生的興趣,讓其愿意主動(dòng)完成,而不是被動(dòng)完成;物理習(xí)題應(yīng)能對(duì)學(xué)生走向社會(huì)后的工作有所裨益,讓其愿意精益求精地完成,而不是敷衍了事;物理習(xí)題成績(jī)能作為綜合成績(jī)的有益補(bǔ)充,答案能夠體現(xiàn)靈活性和公平性,杜絕抄襲等惡劣現(xiàn)象.

綜上所述特點(diǎn),物理建模習(xí)題可作為物理課后習(xí)題的重要改革目標(biāo).

3 物理建模應(yīng)用的具體實(shí)例和優(yōu)勢(shì)分析

類(lèi)似于已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)建模,物理建模就是用物理知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.物理建模習(xí)題和普通物理習(xí)題不同的是,它只給出了一個(gè)問(wèn)題,不提供解決問(wèn)題必須的任何條件和提示.學(xué)生需要將這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行抽象化,建立物理模型,并自主搜尋解決問(wèn)題需要的條件,并要求在計(jì)算過(guò)程中做出近似才能得到最終結(jié)果,而且要求學(xué)生進(jìn)一步分析其意義所在[3].

筆者已經(jīng)多次在執(zhí)教的物理課上布置物理建模習(xí)題,收到了良好的反應(yīng).以下就是筆者在上完電磁學(xué)后布置的相關(guān)物理建模習(xí)題:“需要給月球充上多少正(負(fù))靜電荷,才能抵消地球的南北極磁場(chǎng)？”可以看到,這道習(xí)題和通常的課后習(xí)題不同,只給出了一個(gè)問(wèn)題,沒(méi)有任何計(jì)算條件和具體數(shù)值.因此也無(wú)需授課老師進(jìn)行事先準(zhǔn)備,沒(méi)有任何額外的精力或經(jīng)費(fèi)花費(fèi).

但這道題能對(duì)學(xué)生的能力進(jìn)行充足的鍛煉和考察.首先,這個(gè)問(wèn)題鍛煉了學(xué)生將具體問(wèn)題抽象化,建立物理模型的能力,有助于其以后在工作中的實(shí)際問(wèn)題處理.解決思路如下:月球繞著地球旋轉(zhuǎn),軌道為橢圓.如果月球帶上靜電荷,等效于帶電離子做近似圓周運(yùn)動(dòng),會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng).這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上考察的是做橢圓運(yùn)動(dòng)的粒子需要帶多少靜電荷,才能對(duì)橢圓軌道的某個(gè)焦點(diǎn)產(chǎn)生特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度.具體問(wèn)題抽象化,也就是建模練習(xí),是高校物理和初高中物理的一個(gè)重要不同.學(xué)生面對(duì)的不是設(shè)計(jì)好的抽象問(wèn)題,而是需要自行將具體問(wèn)題化為抽象問(wèn)題,是一種嶄新的挑戰(zhàn),能夠給予學(xué)生新鮮感,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣.

其次,如果要解決這個(gè)問(wèn)題,還需要很多參考條件:如地球南北極磁場(chǎng)的強(qiáng)度,月球和地球的質(zhì)心距離,月球移動(dòng)的速度等.這些數(shù)據(jù)全部可以在網(wǎng)上或相關(guān)資料上檢索得知,因此可以鍛煉學(xué)生搜索資料,調(diào)研文獻(xiàn)的能力,而且提供了一個(gè)進(jìn)行擴(kuò)展知識(shí)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì).這也是高校學(xué)生和初高中學(xué)生的一個(gè)重要不同:高校學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)和自主知識(shí)擴(kuò)展.

當(dāng)參數(shù)收集齊后,可以利用剛學(xué)的安培定律進(jìn)行解答.這是高校物理中才講授的定律,有助于提高學(xué)生的新鮮感,也對(duì)課堂上學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行了鞏固加深.解答過(guò)程中,學(xué)生還可以鍛煉出另一種工作或研究常用的能力——如何近似.用安培法則解答,需要將帶電粒子運(yùn)行軌道為圓形.但實(shí)際月球軌道是橢圓,地月距離不斷變化,采用何等標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的半徑進(jìn)行計(jì)算？月球繞地球旋轉(zhuǎn)的平面不同于大部分行星的天然衛(wèi)星,是接近黃道平面,而非地球的赤道平面.這個(gè)問(wèn)題如何取舍？地球的地磁場(chǎng)并不和地理南北極重合,磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸大約成 11.3°的傾斜,這個(gè)事實(shí)對(duì)實(shí)際解答又有什么影響？學(xué)生需要對(duì)眾多實(shí)際問(wèn)題近似簡(jiǎn)化,進(jìn)行取舍后才能得到自己的結(jié)果,充分體現(xiàn)了自主性.一方面,極大的自主性能激發(fā)學(xué)生的研究興趣;另一方面,自主性又能讓不同能力程度的學(xué)生選擇不同的難度——知識(shí)掌握程度低的學(xué)生可以選擇比較容易的強(qiáng)近似;知識(shí)掌握程度高的學(xué)生可以選擇更加復(fù)雜的弱近似條件進(jìn)行解答.通過(guò)這種方式,非常容易就能達(dá)到習(xí)題難易程度的區(qū)分對(duì)待,有很好的靈活性.另外,不同近似導(dǎo)致的最終結(jié)果的偏差,也可以讓學(xué)生了解和掌握近似對(duì)誤差范圍的影響.

當(dāng)解答出最終答案后,可以讓學(xué)生思考其現(xiàn)實(shí)意義,并讓感興趣的學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展研究.如提問(wèn)“所需的電荷相當(dāng)于多少7號(hào)電池容量？如何將這些靜電荷轉(zhuǎn)移到月球上？所需最小做功多少？”如此一來(lái),就可以進(jìn)行滾動(dòng)式的研究討論,形成一個(gè)長(zhǎng)效的機(jī)制.

另外,針對(duì)物理學(xué)某一特定學(xué)科領(lǐng)域,設(shè)定物理建模習(xí)題也非常容易.如筆者在學(xué)生中頗受好評(píng)的物理建模習(xí)題還有“月球上為什么沒(méi)有大氣層”.這道題適合剛學(xué)完熱力學(xué)的學(xué)生進(jìn)行,需要考慮月球的第一宇宙速度和不同溫度下的空氣分子熱運(yùn)動(dòng)速度.后續(xù)的擴(kuò)展問(wèn)題可以為“如何讓月球保持大氣層”或“如何將空氣有效率地轉(zhuǎn)移到月球上”.老師可以針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容自主設(shè)定和提出,無(wú)需花費(fèi)大量精力.

在物理建模習(xí)題推廣中,筆者嘗試兩到三人合作進(jìn)行一個(gè)建模習(xí)題的研究,這種做法能有效地提高解答效率,并培養(yǎng)重要的分工協(xié)作能力.所得到的結(jié)果,在各個(gè)小組之間進(jìn)行橫向?qū)Ρ?這樣提供了學(xué)生進(jìn)行互相交流的機(jī)會(huì).此外,因?yàn)榻獯鹬行枰玫酱罅康慕?所以不可能存在一模一樣的答案,杜絕了抄襲和作弊,從而兼顧了靈活性和公平性.

綜上所述,物理建模習(xí)題具有新意,突出了高等院校物理與初高中物理的不同;能激發(fā)學(xué)生興趣和主動(dòng)性;鍛煉的能力對(duì)學(xué)生今后的工作有所裨益;并兼顧了靈活性和公平性;改革花費(fèi)小,可作為物理教學(xué)的重要改革目標(biāo).

4 物理建模習(xí)題需要注意事項(xiàng)

物理建模習(xí)題具有諸多優(yōu)勢(shì),但布置和實(shí)行時(shí)仍有需要注意的事項(xiàng):

其一,必須注重時(shí)效性.2010年中國(guó)青年出版社出版的《趣味物理學(xué)問(wèn)答》[4],作者為俄羅斯著名科普作家別萊利曼.此書(shū)能幫助測(cè)驗(yàn)出善于思考的讀者實(shí)際掌握物理基礎(chǔ)知識(shí)的程度,其中很多問(wèn)題都可以直接用于物理建模練習(xí).但要注意的是,此書(shū)原文出版于 1916年,書(shū)中部分問(wèn)題已經(jīng)有了最新的科研成果.因此,物理建模練習(xí)的參考書(shū)一定要注意時(shí)效性,盡量采用最新出版的書(shū)籍(外文翻譯書(shū)要注意原文第一版日期).

其二,物理建模問(wèn)題解答一定要數(shù)據(jù)化.如下例問(wèn)題:“下雪后世界很安靜是為什么？”盡管答案是因?yàn)閯傁碌难┖芘钏?表面的微孔能吸收聲音,具有一定的物理意義.但因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)劃,而不能讓學(xué)生得到很好的鍛煉.

其三,物理建模問(wèn)題一定要建立在高等院校物理知識(shí)上,避免用初高中知識(shí)就能解答的情況.

其四,物理建模習(xí)題更加適合高等院校學(xué)生:因?yàn)樗麄冇幸欢ǖ闹R(shí)基礎(chǔ),能進(jìn)行抽象思維;有一定的空閑時(shí)間,能上網(wǎng)查詢(xún)資料和數(shù)據(jù);需要面對(duì)參加工作的壓力,有動(dòng)力鍛煉自己的能力;能夠互相討論,有一定的寫(xiě)作能力.

總之,高等學(xué)校的物理是一門(mén)涉及范圍廣泛的重要課程,急需增加其實(shí)用性和趣味性來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量,讓學(xué)生滿(mǎn)意.在教學(xué)中增加物理建模練習(xí)并在成績(jī)中體現(xiàn),改革阻力小,花費(fèi)成本小,改革效果顯著,能有效鍛煉學(xué)生的具體事物抽象化、信息收集和數(shù)據(jù)近似處理等能力,有助于提高學(xué)生的協(xié)作能力和學(xué)習(xí)興趣,值得推廣.但要注意建模練習(xí)題的時(shí)效性、數(shù)據(jù)化、知識(shí)面范圍和針對(duì)對(duì)象.

[1] 劉喜斌.中學(xué)物理“目標(biāo)教學(xué)”再探——競(jìng)賽達(dá)標(biāo)教學(xué)法[J].云夢(mèng)學(xué)刊,1993,(03):78～80

[2] 周友文.談物理課堂教學(xué)與學(xué)生能力的培養(yǎng)[J].云夢(mèng)學(xué)刊,2008,(S1):141～142

[3] 王佳眉,唐 南,楊德智.論考試成績(jī)與本科教學(xué)質(zhì)量提高[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2006,(12):134～138

[4] 雅科夫·伊西達(dá)洛維奇·別萊利曼.趣味物理學(xué)(續(xù)編)[M].谷 羽,趙秋長(zhǎng),譯.武漢:湖北少年兒童出版社,2009