曹海霞

(蘇州大學東吳學院，江蘇 蘇州 215006)

“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向.[1]“新工科”人才培養(yǎng)的目標是培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才.而作為綜合院校理工科非物理專業(yè)學生的公共基礎(chǔ)課的大學物理課程，承載著傳授知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提高科學素養(yǎng)的重任.同時，大學物理課程改革中核心部分是教學內(nèi)容的改革，而教材是教學內(nèi)容的載體，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力方面扮演著重要的角色.“新工科”的人才培養(yǎng)目標對理工科大學物理教材建設(shè)也提出了新的要求. 因此，在“新工科”背景下，如何更好地進行大學物理課程建設(shè)乃是大學物理教師目前迫切需要思考的問題.[2,3]

筆者近年來一直從事理工科非物理專業(yè)《普通物理》和電氣工程及其自動化中外合作專業(yè)(與美國愛達荷大學合作)《General Physics》全英文課程的教學.筆者選取本校所用的《基礎(chǔ)物理學》(文中簡稱中文教材)和美國英文版《Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics》(文中簡稱英文教材)，[4,5]對兩套教材的教材內(nèi)容和結(jié)構(gòu)、插圖運用、例題和習題編排等方面的差異性做了較深入的分析；借鑒國內(nèi)外先進的教學資源與教學經(jīng)驗，對大學物理教學提出了一些思考，以期對我國大學物理課程的改革有所啟示和借鑒.

1 中美大學物理教材的比較

1.1 教材內(nèi)容和結(jié)構(gòu)

由于中美兩國不同的文化背景與思維方式，中美大學物理教材在知識結(jié)構(gòu)、表達方式、信息選擇等方面都存在著較大的差異.中文教材包括力學、電磁學、光學、熱學和近代物理基礎(chǔ)五大板塊.教材具有內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系嚴謹，敘述條理清晰，邏輯推理嚴密，內(nèi)容具有一定深度的優(yōu)點.[6]中文教材在內(nèi)容選取上避免了和高中物理知識的重復(fù)性，是在高中物理知識基礎(chǔ)上的螺旋上升式展開，較好地處理了與中學物理教材的銜接問題.其體現(xiàn)的思維方式和運算方式明顯和高中不同，注重微積分的運用和矢量計算.中文教材較偏重于運用邏輯、數(shù)學演繹及數(shù)學表達去揭示物理學中所蘊含的物理規(guī)律、概念的物理意義.雖然能較好地體現(xiàn)理論的嚴謹性，但如若偏重于運用數(shù)學邏輯演繹方法去闡述問題，比較抽象，容易使學生產(chǎn)生畏難情緒，難以與學生達到共鳴.中文教材未能足夠重視理論與實踐的緊密結(jié)合，學生很難將所學的物理定理、定律與實際生活經(jīng)驗聯(lián)系起來，不利于學生思維模型的建立.此外，對于當前以物理學為基礎(chǔ)的新技術(shù)、新科技應(yīng)用的介紹較少，專業(yè)針對性不強.

英文教材內(nèi)容包括力學、機械振動和機械波、熱學、電磁學、光學和近代物理.與中文教材相比，英文教材信息量更大，涉及的內(nèi)容更豐富，特別是近代物理部分，包括了核物理及其應(yīng)用、粒子物理與宇宙學等8章內(nèi)容.英文教材的設(shè)計是學習起點低，知識面廣，總難度大.這與中美兩國高中學生的物理基礎(chǔ)不同有很大關(guān)系.美國大部分的高中生沒有微積分基礎(chǔ)，高中所學物理知識也比較淺，大學物理教材要適用于未參加過“大學先修課程”(Advanced Placement Program，簡稱“AP”課程)的學生.英文教材不過多依賴數(shù)學推導(dǎo)、邏輯演繹過程，注重從日常生活實例或前沿科技出發(fā)，以歸納的邏輯方式引入物理概念和規(guī)律，突出物理過程的推理和分析，強調(diào)對物理概念和規(guī)律的理解和對物理意義的闡述.并且通過在教材中穿插許多物理學家、物理學史和經(jīng)典實驗的介紹和哲學思想的滲透，注重科學精神和人文精神的融合，注重經(jīng)典物理學與現(xiàn)代科技的融合.英文教材能處處體現(xiàn)物理既來源于生活又應(yīng)用于生活的特色.例如，在講到電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用時，介紹了電吉他工作原理；在講靜電的應(yīng)用時，介紹了靜電集塵器的工作原理及其在工業(yè)上的應(yīng)用；在學習理想氣體狀態(tài)方程時，分析了在搖晃香檳酒瓶后打開瓶塞，香檳酒會噴出瓶口的物理原理.這些都會有助于學生將所學理論與生產(chǎn)、生活實際緊密相連，學會運用學過的物理理論去探索生活中的奧妙，從而喚起學生學習物理的興趣.

1.2 插圖的運用

中文教材從總體上來看風格比較樸實嚴謹，使用的插圖大多是線條簡潔的示意圖形，生動形象、與實際聯(lián)系密切的實物圖比較少，感官上的親和力不夠.

圖1

英文教材中插圖的使用率比國內(nèi)教材高得多.英文教材運用大量的形象、直觀和生動的彩色插圖對物理概念、物理原理進行闡述.這些實物實景圖片能給學生以生動活潑的感官刺激，增強了一本教材的親和力，讓學生樂于去探索物理學的奇妙世界.更重要的是加深了學生對物理概念、物理規(guī)律的理解.通過實例的介紹、圖片的運用，學生都能感受到物理學與自然、生活和現(xiàn)代科技的密切聯(lián)系.實物實景的彩圖，從日常生活到現(xiàn)代高科技術(shù)，從實驗技術(shù)到自然現(xiàn)象，從微觀基本粒子到浩瀚的宇宙星際，圖片內(nèi)容極其豐富多彩. 教材中每一章的第1頁都有一幅與日常生活或者與技術(shù)應(yīng)用密切相關(guān)的彩色圖片，由該圖片引出本章的主要知識.例如：“磁場的來源”一章前的圖片是心臟導(dǎo)管介入術(shù)手術(shù)室的照片(圖1)，介紹了心房纖顫病人躺在手術(shù)臺上，兩側(cè)圓柱體為強磁場，醫(yī)生通過操縱桿或其他控制器件將磁性敏感的心臟導(dǎo)管的探測頭通過血管插入到患者心房，計算機顯示器上可以顯示出導(dǎo)管插入的實時動態(tài)情況.通過這個案例的介紹，學生了解到磁場與我們的生活息息相關(guān)，引導(dǎo)學生關(guān)愛生命，建立健康第一的觀念.

1.3 例題和習題的編排

中文教材中的例題和習題，重點是高等數(shù)學知識在物理中的應(yīng)用計算.數(shù)學的推導(dǎo)難度無形增加了學生對物理事實的理解難度.在力學部分研究對象常為“一個質(zhì)點”、“一個物體”等抽象模型，很難讓學生將研究對象與生活中的實際現(xiàn)象聯(lián)系起來，因此不利于學生通過例題、習題的解答來深刻體會物理原理的內(nèi)涵.[7]

英文教材編題意圖明確、涉及面較廣，每章之后提供了大量的習題.英文教材中采用了很多和實際生活相關(guān)的例子，如力學部分研究對象有“曲棍球(hockey)”、“棒球棒(baseball bat)”、“保齡球(bowling ball)”等.例題、習題的安排具有層次性，適合學生循序漸進地掌握每章的知識，并且能滿足不同層次、不同專業(yè)學生的需求.例題的解答過程闡述非常詳細，包括概念的理解(Conceptualize)，定理、定律的適用條件 (Categorize)，分析物理過程(Analyze)，問題的延伸討論(What if)，即假設(shè)在與討論問題的條件相反時，會出現(xiàn)的情況.這樣的例題有助于學生深刻理解、掌握所學的物理定理、定律，能夠?qū)⒅R遷移，靈活運用.有些章節(jié)里提供了一些有助于對概念、定理、定律理解的小問題(Quick Quiz).問題解決策略(Problem-Solving Strategy)告訴學生在解決本章問題時的技巧.章后習題類型包括客觀題(Objective Questions), 概念性問題(Conceptual Questions)，一般難度的習題(Problems)，附加習題(Additional Problems) 和挑戰(zhàn)性習題(Challenge Problems).內(nèi)容注重應(yīng)用性，包括生活中的物理、體育中的物理、生命中的物理；注重定性和半定量的計算.貼近實際的物理習題的練習，讓學生能夠由淺入深地體會其中所蘊含的深刻物理思想，提高學生解決實際問題的能力.大量習題配有實物圖片，與生產(chǎn)、生活實際緊密聯(lián)系.學生在解決問題中可以感受到從物理的視角觀察五彩繽紛的客觀世界，意識到學以致用，從而培養(yǎng)學生應(yīng)對未知的能力.

2 對我國大學物理教學改革的思考

2.1 優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，科學安排教學內(nèi)容，強化專業(yè)對接

在“新工科”背景下，強化大學物理教學內(nèi)容與不同專業(yè)之間的銜接，對理工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有現(xiàn)實意義.[8]因此，在課程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要根據(jù)各專業(yè)實際情況，對教學內(nèi)容進行科學調(diào)整.針對不同的專業(yè)需求，實行分類分層次培養(yǎng).每一部分教學內(nèi)容的教學形式、教學深度和廣度應(yīng)該進行必要的區(qū)分.對于與專業(yè)密切相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)當進行重點講授.教學過程中注重引導(dǎo)學生如何將物理知識應(yīng)用于后續(xù)專業(yè)課程的學習中去.[8]例如：對于機械類、機電類專業(yè)，要加強質(zhì)點系、剛體部分內(nèi)容的教學，為他們后續(xù)工程力學的學習打好基礎(chǔ)；對于電子、通信類專業(yè)，要側(cè)重電磁學部分的教學，為他們的專業(yè)必修課電路、電磁場理論打下扎實的基礎(chǔ)；對于化學和材料類專業(yè)，應(yīng)側(cè)重熱力學、近代物理基礎(chǔ)等內(nèi)容的講授.根據(jù)美國愛達荷大學的課程設(shè)置，《General Physics》課程分3部分：物理Ⅰ主要講授力學，物理Ⅱ講授電磁學；物理Ⅲ講授振動和機械波、光學、熱學和近代物理.筆者所教授的電氣工程及其自動化中外合作專業(yè)只需要講授物理Ⅰ、物理Ⅱ模塊.教學中要注重物理與專業(yè)的融合，突出物理的專業(yè)應(yīng)用性，做到普及性和針對性協(xié)調(diào)發(fā)展，真正體現(xiàn)物理在科技發(fā)展中的引領(lǐng)和支撐作用.這就要求物理教師不僅要關(guān)注自身學科的新動向、新發(fā)展，還要主動地、有意識地關(guān)注所教專業(yè)的新技術(shù)的發(fā)展，這是“新工科”建設(shè)給我們大學物理教師提出的新要求.

2.2 注重教學模式的改革與創(chuàng)新，營造有溫度的學習氛圍

目前傳統(tǒng)教學方法與“新工科”背景下對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求存在不相協(xié)調(diào)的地方，需要盡快改革、創(chuàng)新大學物理教學模式.我們可以借鑒美國的教學方法，改變傳統(tǒng)的教師“滿堂灌”的教學模式，采用互動型的問題驅(qū)動式的教學方法.教學過程中，學生參與學習過程的表現(xiàn)應(yīng)受到教師的高度重視.因為學生的學習效果與學習過程中學生是否得到了適時的引導(dǎo)，以及學生是否能夠主動地參與學習過程有很大的關(guān)系.教師在進行傳道授業(yè)解惑的同時，適時引入案例教學，組織課堂討論，鼓勵學生大膽地發(fā)表自已的觀點.引導(dǎo)學生在具體的問題情境中主動發(fā)現(xiàn)問題，自行查閱文獻資料，獨立尋找問題的答案.例如：筆者在給機械工程專業(yè)講授“熱力學第二定律”一章時，講到奧托循環(huán)時，指導(dǎo)學生查閱相關(guān)文獻資料，了解四沖程汽油機的實際工作過程，探討汽油機的壓縮比與汽油標號之間的關(guān)系，還建議學生去了解柴油機工作原理與汽油機原理的區(qū)別.并讓有興趣的學生做好PPT，請學生在課堂上口頭陳述自已的調(diào)研結(jié)果(presentation環(huán)節(jié))，提供學生展示才華的平臺.學生對實際問題非常感興趣，全班學生都能參與進來，課堂氣氛活躍，充分調(diào)動學生學習物理的積極性.這樣既能開闊學生的視野，又能將物理理論與現(xiàn)代技術(shù)和生活聯(lián)系起來.通過營造在學習中探索、在探索中學習的積極氛圍，讓學生享受物理.然而，這樣的教學環(huán)節(jié)無形之中擠占了不少教學時間，這就要求教師在授課過程中特別注意教學內(nèi)容的取舍，即有些公式推導(dǎo)課堂上只在關(guān)鍵步驟進行提示，要求學生課后自主學習.特別值得一提的是，今年疫情期間，各高校都依靠優(yōu)質(zhì)的中國大學MOOC-愛課程、智慧樹在線大學等在線教學資源進行了線上教學，取得了較好的教學效果.在今后的新常態(tài)教學過程中，可以拍攝部分重要知識點微課、例題選講微課等；采用線上線下混合式教學，翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學形式；利用QQ、微信等現(xiàn)代通訊手段實現(xiàn)教師的實時答疑.鼓勵學生充分利用課外時間進行課前自主研究、課題調(diào)研，讓學生帶著問題進入主課堂，使主課堂真正成為生生互動、師生互動的辯論課堂，從而達到培養(yǎng)“新工科”學生的工程思維、批判性思維.

2.3 側(cè)重過程評價，采用多元化的考核模式，加強學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

目前筆者所在學校大學物理課程考核采用試題庫、各專業(yè)統(tǒng)一試卷的期中、期末考試形式.學生考試時感覺公式太多記不住.應(yīng)試模式在大學依然延續(xù)，讓一些學生在學習大學物理時感到枯燥無味.在“新工科”背景下，對學生學習的評價方式，應(yīng)采用多角度、全方位、過程化綜合評價模式，促進學生在整個課程學習中都要不斷努力和積累.[9]考核形式靈活多變，考核內(nèi)容包括課堂小測驗、課堂討論、口頭陳述、課后作業(yè)、課外制作、期中和期末考試等.期中、期末考試可以和美國高校一樣，提供重要公式，讓學生不需要把時間花在機械記憶公式上，而是重點考查學生如何運用這些公式來解決一些實際問題.對學生的考核要強調(diào)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，綜合評定學生的課程成績.在課堂教學中對于思維活躍、積極回答問題的學生，應(yīng)及時給予表揚和肯定，在平時分中要有所體現(xiàn)，以此來調(diào)動學生學習思考的積極性.例如：在今年疫情網(wǎng)課期間，學生在線上課，是否真正參與到課堂中來，屏幕前的教師無法知道.筆者為了調(diào)動學生的上課積極性和課堂參與度，在課堂上進行了嘗試，適時提出一些小問題，讓學生回答，對參與頻次高的學生給予獎勵.學期末學生反饋意見很好，有學生說：“很喜歡老師的教學風格，網(wǎng)課過程中，限時作答，發(fā)送彈幕，語音問答等等都是提高專注度的必要的手段”.在課堂上口頭陳述環(huán)節(jié)，筆者嘗試讓全班學生對做匯報學生的PPT制作技術(shù)、陳述內(nèi)容、回答問題情況等給出綜合打分.并鼓勵全班學生進行辯論，如果學生有創(chuàng)新性的見解和突出表現(xiàn)，筆者給予加分.實踐表明這個教學環(huán)節(jié)能很好地提高學生的發(fā)現(xiàn)問題、研究問題的能力和參與課堂教學的意識.

3 結(jié)束語

本文通過對中美大學物理教材的差異性比較，對我國的大學物理教學如何適應(yīng)當前“新工科”背景下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提出一些思考，以期對我國的大學物理課程建設(shè)有所啟示和借鑒.面對當前國際上嚴峻的科技競爭形勢，我們應(yīng)當借鑒國內(nèi)外的先進的教學資源與教學經(jīng)驗，基于“新工科”的培養(yǎng)目標，努力將大學物理課程打造成具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”，為未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的培養(yǎng)承擔起責任.