楊芳　孔偉　魏通　周青軍

摘 ?要：作為高等院校理工科專業(yè)學生的一門必修基礎課，大學物理可以培養(yǎng)學生的科學思想和研究方法，對于后續(xù)專業(yè)課的深入學習非常重要。文章以中國民航大學普通物理課程教學為例，較為系統(tǒng)地分析了物理教學中存在的問題，通過具體實例給出了改進方法。同時，結合教學實際討論了個性化研究性教學的意義和局限性。

關鍵詞：個性化;研究性;物理教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）04-0089-04

Abstracts： College physics cultivates students' scientific ideas and research experiences， as a compulsory basic course for students majoring in science and Engineering. Also， it is very important for the further study of their professional courses. This paper discusses the existing problems in physics teaching， and gives the improvement methods through analyzing the college physics course teaching in Civil Aviation University of China. Meanwhile， the limitations of this method are discussed.

Keywords： personality; research; physics teaching

一、中國民航大學物理教學現(xiàn)狀

中國民航大學坐落于天津市，是中國民航局直屬的以培養(yǎng)民航高級工程技術和管理人才為主的高等學府。目前在校學生28000余人，專職教師1500余人，其中普通物理授課教師30余人。中國民航大學開設有34個本科專業(yè)，6個?？茖I(yè)，大學物理是絕大部分專業(yè)的基礎必修課，每學期在學人數(shù)（含重修班學生）約6000人。課程內容涵蓋力學、簡諧振動、波動、波動光學、熱學、電磁學、狹義相對論和量子力學基礎，共計120學時，分別在大一下學期和大二上學期開課。

基于上述數(shù)據(jù)，大學物理教學中存在班級容量大（通常大于120人/班）、課程內容豐富、課時緊張等特點。大學物理的教學改革已進行了多年，在教學理念、教學模式等方面都有一定的進步，但仍然存在一些問題，例如：（1）傳統(tǒng)的課堂教學強調知識的重點、難點，而且過于注重教學內容的系統(tǒng)性、邏輯性、數(shù)學演繹等理論知識，與當今高新科技、實際應用脫節(jié)，和專業(yè)融合不緊密，因而工科學生對學習物理課的興趣淡漠。（2）教學中缺乏分層次教學，教師課堂講授過細，用于舉例和題解的時間多，留給學生獨立思考和分析的時間少，學生的主動性沒有得到發(fā)揮，遠不足以使學生有能力運用知識，這不利于學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)。（3）在教學過程中發(fā)現(xiàn)，大部分學生雖然掌握了基本的理論知識，但在面對實際問題時不知道該如何入手，解決問題能力差。尤其是在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練中，同樣發(fā)現(xiàn)學生無法很好地將物理知識與其它學科知識相互結合去解決實際問題。由此可見，為了培養(yǎng)復合型的工程人才，為了提升課程質量，針對上述存在的問題，對大學物理教學進行更深層次的改革亟需探索和實踐。

二、個性化研究性教學實例

個性化研究性教學，是以學生成長目標為導向，根據(jù)學生的個性、興趣及發(fā)展目標進行個性化培養(yǎng)[1-3]，形成“以學生為中心、以探索為導向、以教學科研相結合”的教育教學模式，其目的是借助多元化的教學手段來激發(fā)學生自主學習的興趣和動力，挖掘及發(fā)揮學生的潛能，培養(yǎng)學生個人能力特色，促進學生全方位、個性化成長。

在傳統(tǒng)的課堂教學中，教師的主要任務是將物理知識傳授給學生，增加學生的知識儲備，而忽略對學生對知識遷移能力的培養(yǎng)。我們認識到，個性化培養(yǎng)模式是提升學生學習興趣、增強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力的內在要求。我們應尊重學生作為個體的發(fā)展需要，充分考慮每個學生的個體差異，在學生自愿深入學習的基礎上，給予部分學生充分的機會提升自己，進而達到更高層次的學習效果。例如：在教學中，我們會在部分課后布置與課程知識點相關的研究性課題（結合教師自身的科研背景），該類課題不同于常見的課后作業(yè)題，它具有一定的綜合性、前沿性、應用性，需要學生綜合運用多學科知識，如高等數(shù)學、大學物理、計算機等，去解決實際問題。

例如，在講授電磁學內容時，教師會引導學生利用電磁學基本知識去分析帶電粒子的運動問題，通過計算機實現(xiàn)可視化的帶電粒子的運動軌跡，從而使學生對知識的理解和運用達到融會貫通，不僅如此，還可以鍛煉學生運用綜合知識解決復雜問題的能力。為了幫助學生順利達到課程目標，任課教師對課題由淺入深做了如下設計：（1）帶電粒子庫倫勢的空間結構;（2）帶電粒子在均勻磁場下的運動軌跡;（3）帶電粒子在均勻電磁場下

的運動軌跡;（4）帶電粒子在不均勻電場場下的運動軌

跡。上述四個物理內容的分析如下：

假定一個帶電粒子的電量為Q，放置于一個二維x-y空間，根據(jù)庫倫勢基本公式，在Matlab中寫出庫倫勢的表達方式，最后利用直角坐標-極坐標變換關系，做出庫倫勢的空間分布，如圖1所示。在該環(huán)節(jié)中，需要學生理解庫倫勢的表達形式，能夠運用Matlab編程語言，同時還需要學生掌握坐標變換的方法。

圖1 庫倫勢的空間結構

為了強化學生對運動學和電磁學的結合運用，我們在第二、三、四設計了不同層次的分析過程，即在第二個環(huán)節(jié)中，我們設計了較為簡單的情況：帶電粒子Q在均勻磁場B中的運動，假定粒子的初速度分別有垂直于磁場和平行于磁場的分量，利用Matlab語言，圖2給出了帶電粒子的螺旋進動軌跡。該環(huán)節(jié)需要學生能夠推導出粒子的軌跡方程、并且靈活運用Matlab語言實現(xiàn)粒子的運動過程。第三個環(huán)節(jié)中，在均勻磁場的基礎上，增加了垂直于B的均勻電場E，同時考慮兩種質量不同的帶電粒子。該環(huán)節(jié)同樣要求學生推導出粒子的軌跡方程，相比第二個環(huán)節(jié)難度要大很多，圖3給出了這種情況下帶電粒子的漂移進動軌跡。

圖2 帶電粒子在均勻磁場下的運動軌跡

最后，第四個環(huán)節(jié)中，我們考慮更為復雜的情況，即磁場為反剪切形式，電場具有一定梯度，同時兩者方向垂直。根據(jù)粒子的運動方程，圖4給出了不同磁場剪切情況下帶電粒子的運動軌跡。在該環(huán)節(jié)中，需要學生自學龍格庫塔或者與預報修正方法對粒子的運動軌跡加以分析，這極大地鍛煉了學生的鉆研精神。通過上述四個環(huán)節(jié)的訓練，學生綜合運用物理、數(shù)學、計算機編程、數(shù)值方法的能力大大加強。

在上述訓練中，教師給出研究性課題，同時給出課題的結果，中間實現(xiàn)過程交由學生去完成。該種教學模式的出發(fā)點如下：（1）通過生動的圖像抓住學生的注意

力，無形之中激發(fā)了他們的學習興趣;（2）通過圖像的展示，讓學生大致了解本課題的結果，從而有明確的努力方向，并且主動搜集資料補充自己知識庫;（3）通過結果展示，使得學生知曉老師有充足的知識儲備，可以為他們的研究性學習做深入指導;（4）通過結果展示，激發(fā)學生的求知欲，促進教師和學生更深入地交流;（5）通過結果展示，帶動更多的學生投入物理學習，從而提升班級整體學習效果。

上述教學方法開闊了學生的眼界，有利于學生發(fā)散思維的訓練以及分析問題、解決問題的能力的培養(yǎng)，學生對物理的學習興趣得到了一定程度的提高，特別是在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，參與訓練的學生表現(xiàn)較好，不僅能夠通過自主性學習、團隊協(xié)作順利完成上述課題，并以此為基礎開展下一步的研究工作。在天津市大學生物理競賽中，很多學生也獲得了很好的成績，其中有多人次獲特等獎和一等獎。

三、新工科背景下個性化研究性培養(yǎng)的探索

新工科是根據(jù)國家發(fā)展戰(zhàn)略新需求、國際競爭新形勢及立德樹人新要求而提出的國家工程教育改革的方向[4-5]，重中之重是培養(yǎng)大量具有匠人精神的創(chuàng)新性卓越工程人才，然而學生解決復雜工程問題的能力[6-7]仍是我國工程教育的主要短板。

我校以航空工程學院和電子信息與自動化學院兩個學院中的四個專業(yè)開展新工科試點班的建設，這四個特色專業(yè)分別是飛行器制造工程專業(yè)、飛行器動力工程專業(yè)、電氣工程與自動化專業(yè)和自動化專業(yè)。大學物理是理工科專業(yè)的重要基礎課，在培養(yǎng)復合型創(chuàng)新型人才的知識結構中發(fā)揮著先導性與根基性的作用，其教學質量的好壞會直接影響工程人才培養(yǎng)的質量。在新工科背景下，各高校紛紛進行大學物理課程教育教學改革的探索[8-11]。

為滿足新工科專業(yè)對創(chuàng)新型工程技術人才的新要求，我們重新設計了教學大綱。第一，將大學物理和物理實驗合并為一門課程，使物理實驗變成課內實驗，二者相互配合與協(xié)調，加強理論聯(lián)系工程實際;第二，對大學物理內容進行了梳理，并且進行了模塊化的設計，由通識模塊和選增專業(yè)模塊構成。第三，在理論課程教學中，采用雙課堂。第一課堂大班授課，采用啟發(fā)與討論式教學方法，在課程教學設計時體現(xiàn)“教師指導-學生探究-培養(yǎng)能力”的教學特點，同時有意識地培養(yǎng)學生用科學的世界觀和方法論去認識和解決物理問題，并結合講授內容使物理原理與科學技術、自然現(xiàn)象等領域有機結合，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和初步的工程意識。第二課堂小組討論，鼓勵通過查找網(wǎng)絡資源、習題/案例討論、探索性實踐等多種方式開展探究式學習，加強對學生分析和解決問題能力的培養(yǎng)，可以適當安排學生在計算機上使用仿真物理實驗軟件鞏固和加深其對于物理概念的理解，盡量鼓勵學生利用已掌握的計算機的知識編程設計物理現(xiàn)象并能建立模型來解決物理中一些難題。第四，在實驗教學中，以“實驗活動為中心，理論與實驗相結合”的教學方法引導學生注重實驗現(xiàn)象的觀察，并將所學的物理知識和物理規(guī)律用于對實驗現(xiàn)象的分析和解釋，培養(yǎng)學生的觀察能力和自主實驗能力。只有善于觀察的人才有可能“有所發(fā)現(xiàn)”，才有可能“有所創(chuàng)造”，培養(yǎng)創(chuàng)新能力首先要從學會觀察現(xiàn)象開始[12]。

在新工科背景下，物理教學應從知識教育為主轉變把科學素質和工程能力的培養(yǎng)放在第一位，要從偏重依靠教師“教會”轉變?yōu)樽⒅匾龑W生“學會”，并使學生“會學”“會應用”，物理教學中注意理論與實際相結合，與工科專業(yè)相融合，為學生打下牢固而堅實的物理基礎的同時，也為他們對工程科技知識的掌握和長遠的發(fā)展提供支撐。

四、結束語

個性化研究性教學方法是基于當前物理教學中普遍存在的問題提出的新探索，具有一定的針對性。本文以電磁學內容為例，討論了改進物理教學的個性化研究性教學方法，在具體實踐中，該方法已經(jīng)體現(xiàn)出來一定的積極作用，同時，我們也認識到該方法還有待改進，其局限性體現(xiàn)如下：（1）由于課題具有一定的難度，能夠深入?yún)⑴c其中的學生有限;（2）課題設計需要教師有一定

的知識積累，特別是計算機、數(shù)值計算等方面能力的提升;（3）對于個性化研究性物理教學，當前情況下的物理課時稍顯不足;（4）由于大學物理是我校基礎必修課，開設時間只有兩個學期，因此物理課程學習結束后，有較好潛質的學生逐漸脫離本研究性課題，無法進行連續(xù)性的教學案例分析。

總之，在新工科背景下，高等教育人才培養(yǎng)的結構和質量都面臨著更大的挑戰(zhàn)，我們反思傳統(tǒng)大學物理教育在人才培養(yǎng)方面的不足，提出了個性化研究性教學模式以適應學生個性化發(fā)展的卓越人才培養(yǎng)。在實際的教學中，教師應充分尊重學生間的差異以及學生的學習主體性，從個性化人才培養(yǎng)的視角，提升學生應用物理知識解決復雜問題的能力。

參考文獻：

[1]何柯樺.個性化教學背景下高校應用型人才培養(yǎng)研究[J].教育教學論壇，2020（22）：312-313.

[2]崔益虎，等.高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才個性化培養(yǎng)的模式及其拓展[J].教育探索，2016（12）：61-64.

[3]葉配青，等.設計貫通式教學模式踐行個性化人才培養(yǎng)理念[J].中國大學教育，2015（7）：43-47.

[4]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[5]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017（2）：26-35.

[6]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)[J].中國大學教學，2016（11）：27-30.

[7]林健.運用研究性學習培養(yǎng)復雜工程問題解決能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：79-89.

[8]董梅峰.基于“OBE”和“新工科”理念的《大學物理》教學模式探索[J].高教學刊，2018（18）：1-5.

[9]李旭光，孫錫良，等.大學物理課程改革如何適應“新工科”建設[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2018，9（3）：129-132.

[10]王邑.淺談物理教學與“新工科”專業(yè)建設的關系[J].課程教育研究，2018（5）：166-167.

[11]姜宇，劉艷磊，等.新工科背景下大學物理案例教學的探索[J].高教學刊，2019（20）：102-104.

[12]陳小鳳，吳鯉莉，王振東.從“示波器使用”實驗談大學物理與物理實驗課程內容的整合[J].金陵職業(yè)大學學報，2002，17

（4）：65-66.

基金項目：2019年國家自然科學青年基金“修正屏蔽庫侖勢下二維磁化塵埃等離子體波譜特性的研究”（編號：11805272）;2018年中國民航大學“藍天教學名師培養(yǎng)計劃”（[校發(fā)（2018）19]）

作者簡介：楊芳（1981-），女，漢族，河北邢臺人，博士，講師，研究方向：等離子體物理。