曹海霞

(蘇州大學(xué)東吳學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

“新工科”是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹人新要求而提出的我國(guó)工程教育改革方向.[1]“新工科”人才培養(yǎng)的目標(biāo)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(xué)生的公共基礎(chǔ)課的大學(xué)物理課程，承載著傳授知識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提高科學(xué)素養(yǎng)的重任.同時(shí)，大學(xué)物理課程改革中核心部分是教學(xué)內(nèi)容的改革，而教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，在培養(yǎng)學(xué)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(biāo)對(duì)理工科大學(xué)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(jìn)行大學(xué)物理課程建設(shè)乃是大學(xué)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(dòng)化中外合作專業(yè)(與美國(guó)愛達(dá)荷大學(xué)合作)《General Physics》全英文課程的教學(xué).筆者選取本校所用的《基礎(chǔ)物理學(xué)》(文中簡(jiǎn)稱中文教材)和美國(guó)英文版《Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics》(文中簡(jiǎn)稱英文教材)，[4,5]對(duì)兩套教材的教材內(nèi)容和結(jié)構(gòu)、插圖運(yùn)用、例題和習(xí)題編排等方面的差異性做了較深入的分析；借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)資源與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大學(xué)物理教學(xué)提出了一些思考，以期對(duì)我國(guó)大學(xué)物理課程的改革有所啟示和借鑒.

1 中美大學(xué)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(guó)不同的文化背景與思維方式，中美大學(xué)物理教材在知識(shí)結(jié)構(gòu)、表達(dá)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(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)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(yán)謹(jǐn)，敘述條理清晰，邏輯推理嚴(yán)密，內(nèi)容具有一定深度的優(yōu)點(diǎn).[6]中文教材在內(nèi)容選取上避免了和高中物理知識(shí)的重復(fù)性，是在高中物理知識(shí)基礎(chǔ)上的螺旋上升式展開，較好地處理了與中學(xué)物理教材的銜接問題.其體現(xiàn)的思維方式和運(yùn)算方式明顯和高中不同，注重微積分的運(yùn)用和矢量計(jì)算.中文教材較偏重于運(yùn)用邏輯、數(shù)學(xué)演繹及數(shù)學(xué)表達(dá)去揭示物理學(xué)中所蘊(yùn)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(yán)謹(jǐn)性，但如若偏重于運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯演繹方法去闡述問題，比較抽象，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，難以與學(xué)生達(dá)到共鳴.中文教材未能足夠重視理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，學(xué)生很難將所學(xué)的物理定理、定律與實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，不利于學(xué)生思維模型的建立.此外，對(duì)于當(dāng)前以物理學(xué)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(duì)性不強(qiáng).

英文教材內(nèi)容包括力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)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(xué)等8章內(nèi)容.英文教材的設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)起點(diǎn)低，知識(shí)面廣，總難度大.這與中美兩國(guó)高中學(xué)生的物理基礎(chǔ)不同有很大關(guān)系.美國(guó)大部分的高中生沒有微積分基礎(chǔ)，高中所學(xué)物理知識(shí)也比較淺，大學(xué)物理教材要適用于未參加過“大學(xué)先修課程”(Advanced Placement Program，簡(jiǎn)稱“AP”課程)的學(xué)生.英文教材不過多依賴數(shù)學(xué)推導(dǎo)、邏輯演繹過程，注重從日常生活實(shí)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(qiáng)調(diào)對(duì)物理概念和規(guī)律的理解和對(duì)物理意義的闡述.并且通過在教材中穿插許多物理學(xué)家、物理學(xué)史和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的介紹和哲學(xué)思想的滲透，注重科學(xué)精神和人文精神的融合，注重經(jīng)典物理學(xué)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(shí)，介紹了電吉他工作原理；在講靜電的應(yīng)用時(shí)，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(xué)習(xí)理想氣體狀態(tài)方程時(shí)，分析了在搖晃香檳酒瓶后打開瓶塞，香檳酒會(huì)噴出瓶口的物理原理.這些都會(huì)有助于學(xué)生將所學(xué)理論與生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密相連，學(xué)會(huì)運(yùn)用學(xué)過的物理理論去探索生活中的奧妙，從而喚起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.

1.2 插圖的運(yùn)用

中文教材從總體上來看風(fēng)格比較樸實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)，使用的插圖大多是線條簡(jiǎn)潔的示意圖形，生動(dòng)形象、與實(shí)際聯(lián)系密切的實(shí)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(guó)內(nèi)教材高得多.英文教材運(yùn)用大量的形象、直觀和生動(dòng)的彩色插圖對(duì)物理概念、物理原理進(jìn)行闡述.這些實(shí)物實(shí)景圖片能給學(xué)生以生動(dòng)活潑的感官刺激，增強(qiáng)了一本教材的親和力，讓學(xué)生樂于去探索物理學(xué)的奇妙世界.更重要的是加深了學(xué)生對(duì)物理概念、物理規(guī)律的理解.通過實(shí)例的介紹、圖片的運(yùn)用，學(xué)生都能感受到物理學(xué)與自然、生活和現(xiàn)代科技的密切聯(lián)系.實(shí)物實(shí)景的彩圖，從日常生活到現(xiàn)代高科技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)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(shí).例如：“磁場(chǎng)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(tái)上，兩側(cè)圓柱體為強(qiáng)磁場(chǎng)，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(cè)頭通過血管插入到患者心房，計(jì)算機(jī)顯示器上可以顯示出導(dǎo)管插入的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況.通過這個(gè)案例的介紹，學(xué)生了解到磁場(chǎng)與我們的生活息息相關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)愛生命，建立健康第一的觀念.

1.3 例題和習(xí)題的編排

中文教材中的例題和習(xí)題，重點(diǎn)是高等數(shù)學(xué)知識(shí)在物理中的應(yīng)用計(jì)算.數(shù)學(xué)的推導(dǎo)難度無形增加了學(xué)生對(duì)物理事實(shí)的理解難度.在力學(xué)部分研究對(duì)象常為“一個(gè)質(zhì)點(diǎn)”、“一個(gè)物體”等抽象模型，很難讓學(xué)生將研究對(duì)象與生活中的實(shí)際現(xiàn)象聯(lián)系起來，因此不利于學(xué)生通過例題、習(xí)題的解答來深刻體會(huì)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(xí)題.英文教材中采用了很多和實(shí)際生活相關(guān)的例子，如力學(xué)部分研究對(duì)象有“曲棍球(hockey)”、“棒球棒(baseball bat)”、“保齡球(bowling ball)”等.例題、習(xí)題的安排具有層次性，適合學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握每章的知識(shí)，并且能滿足不同層次、不同專業(yè)學(xué)生的需求.例題的解答過程闡述非常詳細(xì)，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(shí)，會(huì)出現(xiàn)的情況.這樣的例題有助于學(xué)生深刻理解、掌握所學(xué)的物理定理、定律，能夠?qū)⒅R(shí)遷移，靈活運(yùn)用.有些章節(jié)里提供了一些有助于對(duì)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(xué)生在解決本章問題時(shí)的技巧.章后習(xí)題類型包括客觀題(Objective Questions), 概念性問題(Conceptual Questions)，一般難度的習(xí)題(Problems)，附加習(xí)題(Additional Problems) 和挑戰(zhàn)性習(xí)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(jì)算.貼近實(shí)際的物理習(xí)題的練習(xí)，讓學(xué)生能夠由淺入深地體會(huì)其中所蘊(yùn)含的深刻物理思想，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力.大量習(xí)題配有實(shí)物圖片，與生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密聯(lián)系.學(xué)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(shí)到學(xué)以致用，從而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對(duì)未知的能力.

2 對(duì)我國(guó)大學(xué)物理教學(xué)改革的思考

2.1 優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化專業(yè)對(duì)接

在“新工科”背景下，強(qiáng)化大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容與不同專業(yè)之間的銜接，對(duì)理工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有現(xiàn)實(shí)意義.[8]因此，在課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)各專業(yè)實(shí)際情況，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)調(diào)整.針對(duì)不同的專業(yè)需求，實(shí)行分類分層次培養(yǎng).每一部分教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)形式、教學(xué)深度和廣度應(yīng)該進(jìn)行必要的區(qū)分.對(duì)于與專業(yè)密切相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)進(jìn)行重點(diǎn)講授.教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生如何將物理知識(shí)應(yīng)用于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中去.[8]例如：對(duì)于機(jī)械類、機(jī)電類專業(yè)，要加強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)系、剛體部分內(nèi)容的教學(xué)，為他們后續(xù)工程力學(xué)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)；對(duì)于電子、通信類專業(yè)，要側(cè)重電磁學(xué)部分的教學(xué)，為他們的專業(yè)必修課電路、電磁場(chǎng)理論打下扎實(shí)的基礎(chǔ)；對(duì)于化學(xué)和材料類專業(yè)，應(yīng)側(cè)重?zé)崃W(xué)、近代物理基礎(chǔ)等內(nèi)容的講授.根據(jù)美國(guó)愛達(dá)荷大學(xué)的課程設(shè)置，《General Physics》課程分3部分：物理Ⅰ主要講授力學(xué)，物理Ⅱ講授電磁學(xué)；物理Ⅲ講授振動(dòng)和機(jī)械波、光學(xué)、熱學(xué)和近代物理.筆者所教授的電氣工程及其自動(dòng)化中外合作專業(yè)只需要講授物理Ⅰ、物理Ⅱ模塊.教學(xué)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(duì)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(xué)科的新動(dòng)向、新發(fā)展，還要主動(dòng)地、有意識(shí)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(xué)物理教師提出的新要求.

2.2 注重教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，營(yíng)造有溫度的學(xué)習(xí)氛圍

目前傳統(tǒng)教學(xué)方法與“新工科”背景下對(duì)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(xué)物理教學(xué)模式.我們可以借鑒美國(guó)的教學(xué)方法，改變傳統(tǒng)的教師“滿堂灌”的教學(xué)模式，采用互動(dòng)型的問題驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法.教學(xué)過程中，學(xué)生參與學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)應(yīng)受到教師的高度重視.因?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)效果與學(xué)習(xí)過程中學(xué)生是否得到了適時(shí)的引導(dǎo)，以及學(xué)生是否能夠主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)過程有很大的關(guān)系.教師在進(jìn)行傳道授業(yè)解惑的同時(shí)，適時(shí)引入案例教學(xué)，組織課堂討論，鼓勵(lì)學(xué)生大膽地發(fā)表自已的觀點(diǎn).引導(dǎo)學(xué)生在具體的問題情境中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，自行查閱文獻(xiàn)資料，獨(dú)立尋找問題的答案.例如：筆者在給機(jī)械工程專業(yè)講授“熱力學(xué)第二定律”一章時(shí)，講到奧托循環(huán)時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解四沖程汽油機(jī)的實(shí)際工作過程，探討汽油機(jī)的壓縮比與汽油標(biāo)號(hào)之間的關(guān)系，還建議學(xué)生去了解柴油機(jī)工作原理與汽油機(jī)原理的區(qū)別.并讓有興趣的學(xué)生做好PPT，請(qǐng)學(xué)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(xué)生展示才華的平臺(tái).學(xué)生對(duì)實(shí)際問題非常感興趣，全班學(xué)生都能參與進(jìn)來，課堂氣氛活躍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性.這樣既能開闊學(xué)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(yíng)造在學(xué)習(xí)中探索、在探索中學(xué)習(xí)的積極氛圍，讓學(xué)生享受物理.然而，這樣的教學(xué)環(huán)節(jié)無形之中擠占了不少教學(xué)時(shí)間，這就要求教師在授課過程中特別注意教學(xué)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(jìn)行提示，要求學(xué)生課后自主學(xué)習(xí).特別值得一提的是，今年疫情期間，各高校都依靠?jī)?yōu)質(zhì)的中國(guó)大學(xué)MOOC-愛課程、智慧樹在線大學(xué)等在線教學(xué)資源進(jìn)行了線上教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果.在今后的新常態(tài)教學(xué)過程中，可以拍攝部分重要知識(shí)點(diǎn)微課、例題選講微課等；采用線上線下混合式教學(xué)，翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)形式；利用QQ、微信等現(xiàn)代通訊手段實(shí)現(xiàn)教師的實(shí)時(shí)答疑.鼓勵(lì)學(xué)生充分利用課外時(shí)間進(jìn)行課前自主研究、課題調(diào)研，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入主課堂，使主課堂真正成為生生互動(dòng)、師生互動(dòng)的辯論課堂，從而達(dá)到培養(yǎng)“新工科”學(xué)生的工程思維、批判性思維.

2.3 側(cè)重過程評(píng)價(jià)，采用多元化的考核模式，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

目前筆者所在學(xué)校大學(xué)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(xué)生考試時(shí)感覺公式太多記不住.應(yīng)試模式在大學(xué)依然延續(xù)，讓一些學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理時(shí)感到枯燥無味.在“新工科”背景下，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)方式，應(yīng)采用多角度、全方位、過程化綜合評(píng)價(jià)模式，促進(jìn)學(xué)生在整個(gè)課程學(xué)習(xí)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(cè)驗(yàn)、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(guó)高校一樣，提供重要公式，讓學(xué)生不需要把時(shí)間花在機(jī)械記憶公式上，而是重點(diǎn)考查學(xué)生如何運(yùn)用這些公式來解決一些實(shí)際問題.對(duì)學(xué)生的考核要強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，綜合評(píng)定學(xué)生的課程成績(jī).在課堂教學(xué)中對(duì)于思維活躍、積極回答問題的學(xué)生，應(yīng)及時(shí)給予表揚(yáng)和肯定，在平時(shí)分中要有所體現(xiàn)，以此來調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)思考的積極性.例如：在今年疫情網(wǎng)課期間，學(xué)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(dòng)學(xué)生的上課積極性和課堂參與度，在課堂上進(jìn)行了嘗試，適時(shí)提出一些小問題，讓學(xué)生回答，對(duì)參與頻次高的學(xué)生給予獎(jiǎng)勵(lì).學(xué)期末學(xué)生反饋意見很好，有學(xué)生說：“很喜歡老師的教學(xué)風(fēng)格，網(wǎng)課過程中，限時(shí)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(xué)生對(duì)做匯報(bào)學(xué)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(lì)全班學(xué)生進(jìn)行辯論，如果學(xué)生有創(chuàng)新性的見解和突出表現(xiàn)，筆者給予加分.實(shí)踐表明這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)能很好地提高學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、研究問題的能力和參與課堂教學(xué)的意識(shí).

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)中美大學(xué)物理教材的差異性比較，對(duì)我國(guó)的大學(xué)物理教學(xué)如何適應(yīng)當(dāng)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(duì)我國(guó)的大學(xué)物理課程建設(shè)有所啟示和借鑒.面對(duì)當(dāng)前國(guó)際上嚴(yán)峻的科技競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，我們應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)的教學(xué)資源與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，基于“新工科”的培養(yǎng)目標(biāo)，努力將大學(xué)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(dān)起責(zé)任.