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        基于“物理過程”的文科物理教學(xué)方法改革*

        2019-08-20 06:33:08王曉鷗張伶莉曹永印黃喜強(qiáng)劉志國(guó)王天鴻張子靜趙遠(yuǎn)
        物理通報(bào) 2019年8期
        關(guān)鍵詞:物理教學(xué)方法實(shí)驗(yàn)

        王曉鷗 張伶莉 曹永印 黃喜強(qiáng) 劉志國(guó) 王天鴻 張子靜 趙遠(yuǎn)

        (哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001)

        1 引言

        文科物理是為高校人文及社科等專業(yè)學(xué)生(即文科類學(xué)生)開設(shè)的物理課程,屬于通識(shí)課程.文科學(xué)生與理工科學(xué)生不同,其一,他們的數(shù)學(xué)功底薄;其二,他們將來(lái)不從事具體的技術(shù)工作.他們需要彌補(bǔ)的是物理學(xué)的思維方法,需要提升的是邏輯思維能力.物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ),其研究方法適用于一切科學(xué)領(lǐng)域(包括人文科學(xué)).給文科學(xué)生開設(shè)物理課的目的是引導(dǎo)文科學(xué)生用科學(xué)的思維方法分析問題,重在拓展文科學(xué)生的科學(xué)視野[1~4].因此,在文科物理教學(xué)中,一要突破物理的常規(guī)教學(xué)方式,不要求嚴(yán)格的推理和計(jì)算;二要重新優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建以知識(shí)、素質(zhì)、能力為目的課程體系;三要將教學(xué)的重點(diǎn)放在物理學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響.

        傳統(tǒng)的教學(xué)方法是先介紹物理概念,然后進(jìn)行理論推導(dǎo),最后講解例題.這樣的講課方式,雖然邏輯嚴(yán)謹(jǐn),但對(duì)文科學(xué)生來(lái)說(shuō)顯得枯燥、乏味.因此,文科物理的教學(xué)方法應(yīng)與理工科學(xué)生的教學(xué)方法不同.為了了解文科學(xué)生對(duì)物理課的需求,2017年我們對(duì)外語(yǔ)學(xué)院學(xué)習(xí)文科物理的學(xué)生做了調(diào)研,其結(jié)果如圖1和圖2所示.

        圖1 學(xué)生希望學(xué)到什么及其占比

        圖2 學(xué)生希望的課程教學(xué)

        從調(diào)查結(jié)果看,絕大多數(shù)文科學(xué)生希望學(xué)到物理常識(shí)和理性思維,這也是我們開設(shè)文科物理課程的宗旨;對(duì)于課程教學(xué)45.70%的學(xué)生希望理論講解與實(shí)驗(yàn)結(jié)合,25.70%的學(xué)生希望教師講解與學(xué)生討論相結(jié)合,17.10%的學(xué)生希望生動(dòng)有趣有實(shí)例講解.

        針對(duì)絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)文科物理課程教學(xué)的需求:“理論講解與實(shí)驗(yàn)結(jié)合、教師講解與學(xué)生討論相結(jié)合、生動(dòng)有趣有實(shí)例講解”,2018年,我們?cè)谖目莆锢斫虒W(xué)中實(shí)施了基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法.這是以物理過程為引領(lǐng),讓文科學(xué)生在操作、觀看、思考物理過程中學(xué)習(xí)物理規(guī)律,建立物理思維方法,提升科學(xué)思維能力.

        2 基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法

        “物理過程”是指研究對(duì)象在研究期間發(fā)生的各種物理變化.基于“物理過程”學(xué)習(xí)就是:第一步,先將物理過程(如演示實(shí)驗(yàn)、物理過程視頻或展示物理過程的動(dòng)畫以及生活中的事例)展示給學(xué)生;第二步,引導(dǎo)學(xué)生分析各種物理量變化,從分析中找出各種物理量的變化關(guān)系;歸納總結(jié)出物理規(guī)律(如定理、定律等);第三步,再將物理過程展示給學(xué)生,目的是:(1)驗(yàn)證定理、定律的合理性、正確性.(2)加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解和記憶;第四步,深入研究物理過程的變化(這部分課利用視頻演示變化過程,既能加深理解,又形象生動(dòng));最后,理論聯(lián)系實(shí)際,介紹物理規(guī)律在社會(huì)生活、生產(chǎn)、工程技術(shù)等實(shí)踐過程中的應(yīng)用.

        基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法突出物理現(xiàn)象,而物理現(xiàn)象可以引發(fā)思考、激發(fā)興趣.例如光的雙縫干涉現(xiàn)象,首先將一束光射到屏幕上,讓學(xué)生觀察現(xiàn)象,然后再將另一束光射到屏幕上的同一區(qū)域觀察現(xiàn)象(光照區(qū)域亮度普遍增加);將以上兩束光換成兩束相干光重新射到屏幕上觀察現(xiàn)象(光照區(qū)域出現(xiàn)明暗相間的圖樣),比較、分析兩者的差別,從而引出相干光、相干光源、相干現(xiàn)象等概念,以及光的干涉理論.這種通過物理現(xiàn)象介紹物理概念的方法符合文科學(xué)生的形象思維,易于文科生接受;然后,再視頻重新展示物理過程,用來(lái)驗(yàn)證理論的正確性,以增強(qiáng)學(xué)生的記憶;最后,學(xué)以致用,理論聯(lián)系實(shí)際,達(dá)到開拓學(xué)生視野和提升學(xué)生創(chuàng)新能力的要求.

        3 教學(xué)實(shí)踐

        部分文科學(xué)生對(duì)物理有畏懼情緒,是因?yàn)樗麄兣磺宄锢磉^程,所以對(duì)物理不感興趣;也有一部分文科學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象非常感興趣,但就是學(xué)不明白.基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法采用的是,先給學(xué)生一個(gè)視覺上的沖擊(如展示物理過程的演示實(shí)驗(yàn)或展示物理過程的視頻),激發(fā)興趣,然后討論、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,引導(dǎo)學(xué)生掌握物理學(xué)的基本概念、基本原理.

        例如,在講解動(dòng)量定理時(shí),先視頻展示:清晨,鳥語(yǔ)花香,邁步林蔭道,一片樹葉落下,你是什么態(tài)度和感覺呢?當(dāng)然是:毫不在意, 漫不經(jīng)心. 好不悠閑!如圖3所示.但是,若落下的不是一片樹葉,而是籃球或鉛球,你又是什么態(tài)度呢?還能漫不經(jīng)心嗎?一定是快速逃離的,如圖4所示.為什么呢?請(qǐng)學(xué)生們解釋.從而引出動(dòng)量、沖量和沖力的概念以及動(dòng)量定理:力的沖量等于受力物體動(dòng)量的增量.這種方式生動(dòng)、形象、有趣,既可以吸引學(xué)生的注意力,又能非常清楚地介紹物理規(guī)律.然后,為了加深學(xué)生的理解,再演示一遍視頻.最后,演示視頻驗(yàn)證物理規(guī)律,如圖5和圖6所示,將套有瓦楞紙的燈泡和不套瓦楞紙的燈泡從同一高度(如高的凳子上)推下(如圖5),燈泡落地后發(fā)現(xiàn)沒套瓦楞紙的燈泡碎了,而套瓦楞紙的燈泡卻完好(如圖6).

        圖3 飄下落葉

        圖4 飛來(lái)藍(lán)球

        圖5 處于同一高度的套瓦楞紙和不套瓦楞紙的燈泡

        圖6 套瓦楞紙和不套瓦楞紙的燈泡落地后的效果

        看完視頻后,引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)量定理的角度分析為什么沒套瓦楞紙的燈泡碎了,而套瓦楞紙的燈泡卻完好?學(xué)生很容易掌握沖量、沖力的概念以及動(dòng)量定理,然后再讓學(xué)生舉出生活中與沖量、沖力以及動(dòng)量定理相關(guān)的事例,用于加深印象和理解.

        再如,前面提到的光的雙縫干涉,在了解了相干光、相干光源、相干現(xiàn)象等概念后,為突出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,吸引學(xué)生的注意力,先讓干涉條紋閃爍幾次,引起學(xué)生注意后,再簡(jiǎn)單介紹相關(guān)的光的雙縫干涉理論.這里需要注意的是,對(duì)文科學(xué)生一定不要給出太多的公式推導(dǎo),要多介紹物理圖像和物理思維方法.如引起干涉條紋變化的因素有:雙縫的縫寬、雙縫到觀察屏的距離以及入射光的波長(zhǎng)λ等.

        圖7給出了入射光波長(zhǎng)λ=632.8 nm的紅光和λ=532.0 nm的綠光的干涉條紋對(duì)比圖,由圖可明顯看到條紋寬度與波長(zhǎng)成正比;此外還可以看到,除中央明條紋外,其他條紋的位置隨波長(zhǎng)的減小向中央明紋處移動(dòng),從而引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想若用波長(zhǎng)更短的藍(lán)光、紫光會(huì)看到什么現(xiàn)象?若將所有波長(zhǎng)的光(即白光)照射到雙縫上又會(huì)看到什么現(xiàn)象?在學(xué)生給出答案后,播放白光雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的視頻,驗(yàn)證學(xué)生的答案.學(xué)生看完視頻后都非常興奮.

        需要注意的是,選擇物理過程時(shí),要盡量選擇那些與日常生活關(guān)系密切的,這對(duì)文科學(xué)生來(lái)說(shuō)更容易接受.如講薄膜干涉時(shí),先讓學(xué)生觀察肥皂泡,色彩斑斕的肥皂泡引起學(xué)生極大的興趣(如果有條件的話,可以讓學(xué)生親自動(dòng)手操作,效果更好),然后講解肥皂泡上產(chǎn)生彩色圖案的原理(薄膜干涉).

        圖7 入射光波長(zhǎng)λ=632.8 nm的紅光和λ=532.0 nm的綠光的干涉條紋的對(duì)比

        4 學(xué)生反饋

        這種基于“物理過程”學(xué)習(xí)的教學(xué)方法,不僅將理論講解與實(shí)驗(yàn)結(jié)合,也與學(xué)生的討論相結(jié)合,同時(shí)還融入反應(yīng)物理過程的實(shí)驗(yàn)或視頻,這種講解方法針對(duì)的是具體的物理過程,直觀、生動(dòng),更易于文科學(xué)生接受;同時(shí)也是文科學(xué)生希望的教學(xué)方法,如圖2所示.

        以下摘錄一些學(xué)生的反饋意見.

        (1)講熵的時(shí)候,用一張分成多個(gè)部分的無(wú)序圖片,讓我們猜測(cè)圖片內(nèi)容,再將答案揭曉,讓我們生動(dòng)地體驗(yàn)什么叫熵.

        (2)物理過程展示,……更有脈絡(luò),邏輯更清晰易懂,而且確實(shí)更能激發(fā)我們的興趣.

        (3)因?yàn)檎故緯r(shí),頭不暈了,眼皮不打架了,手機(jī)也不玩了呢.大家都全神貫注地參與到實(shí)驗(yàn)中.兩次演示能加深我們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握.

        (4)新的物理過程展示更好,在講解理論之前先展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,能激發(fā)我們對(duì)問題的探索;以前的演示實(shí)驗(yàn)是先把理論講解清楚,再演示現(xiàn)象,我認(rèn)為新的展示更能引發(fā)我們對(duì)問題的思考.

        (5)課前課中都有展示,課前激起學(xué)生興趣和探知欲,在課中通過物理理論的講解指導(dǎo)學(xué)生逐步理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因.在課中也有展示,可以加深學(xué)生印象.

        (6)課堂氛圍生動(dòng)活躍,上課積極性提升.課堂演示實(shí)驗(yàn)引入物理原理,理解知識(shí)更加透徹.……

        (7)……物理過程的記憶更完整.尤其是物理過程描述中的重要的原理部分.

        (8)……演示實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,使我們更直觀地認(rèn)識(shí)所學(xué)知識(shí),對(duì)生活中一些物理現(xiàn)象有了更大興趣.

        總之,基于“物理過程”的教學(xué)方法,切實(shí)貫徹了教師引導(dǎo)、學(xué)生參與的互動(dòng)式教學(xué)宗旨,符合認(rèn)知心理學(xué)原理,有效地提升了文科學(xué)生的科學(xué)思維能力.

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