大学物理个性化研究性教学探讨

导语：大学物理个性化研究性教学探讨一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要：作为高等院校理工科专业学生的一门必修基础课，大学物理可以培养学生的科学思想和研究方法，对于后续专业课的深入学习非常重要。文章以中国民航大学普通物理课程教学为例，较为系统地分析了物理教学中存在的问题，通过具体实例给出了改进方法。同时，结合教学实际讨论了个性化研究性教学的意义和局限性。

关键词：个性化；研究性；物理教学

一、中国民航大学物理教学现状

中国民航大学坐落于天津市，是中国民航局直属的以培养民航高级工程技术和管理人才为主的高等学府。目前在校学生28000余人，专职教师1500余人，其中普通物理授课教师30余人。中国民航大学开设有34个本科专业，6个专科专业，大学物理是绝大部分专业的基础必修课，每学期在学人数（含重修班学生）约6000人。课程内容涵盖力学、简谐振动、波动、波动光学、热学、电磁学、狭义相对论和量子力学基础，共计120学时，分别在大一下学期和大二上学期开课。基于上述数据，大学物理教学中存在班级容量大（通常大于120人/班）、课程内容丰富、课时紧张等特点。大学物理的教学改革已进行了多年，在教学理念、教学模式等方面都有一定的进步，但仍然存在一些问题，例如：（1）传统的课堂教学强调知识的重点、难点，而且过于注重教学内容的系统性、逻辑性、数学演绎等理论知识，与当今高新科技、实际应用脱节，和专业融合不紧密，因而工科学生对学习物理课的兴趣淡漠。（2）教学中缺乏分层次教学，教师课堂讲授过细，用于举例和题解的时间多，留给学生独立思考和分析的时间少，学生的主动性没有得到发挥，远不足以使学生有能力运用知识，这不利于学生解决复杂工程问题能力的培养。（3）在教学过程中发现，大部分学生虽然掌握了基本的理论知识，但在面对实际问题时不知道该如何入手，解决问题能力差。尤其是在大学生创新创业训练中，同样发现学生无法很好地将物理知识与其它学科知识相互结合去解决实际问题。由此可见，为了培养复合型的工程人才，为了提升课程质量，针对上述存在的问题，对大学物理教学进行更深层次的改革亟需探索和实践。

二、个性化研究性教学实例

个性化研究性教学，是以学生成长目标为导向，根据学生的个性、兴趣及发展目标进行个性化培养[1-3]，形成“以学生为中心、以探索为导向、以教学科研相结合”的教育教学模式，其目的是借助多元化的教学手段来激发学生自主学习的兴趣和动力，挖掘及发挥学生的潜能，培养学生个人能力特色，促进学生全方位、个性化成长。在传统的课堂教学中，教师的主要任务是将物理知识传授给学生，增加学生的知识储备，而忽略对学生对知识迁移能力的培养。我们认识到，个性化培养模式是提升学生学习兴趣、增强创新创业能力、跨界整合能力的内在要求。我们应尊重学生作为个体的发展需要，充分考虑每个学生的个体差异，在学生自愿深入学习的基础上，给予部分学生充分的机会提升自己，进而达到更高层次的学习效果。例如：在教学中，我们会在部分课后布置与课程知识点相关的研究性课题（结合教师自身的科研背景），该类课题不同于常见的课后作业题，它具有一定的综合性、前沿性、应用性，需要学生综合运用多学科知识，如高等数学、大学物理、计算机等，去解决实际问题。例如，在讲授电磁学内容时，教师会引导学生利用电磁学基本知识去分析带电粒子的运动问题，通过计算机实现可视化的带电粒子的运动轨迹，从而使学生对知识的理解和运用达到融会贯通，不仅如此，还可以锻炼学生运用综合知识解决复杂问题的能力。为了帮助学生顺利达到课程目标，任课教师对课题由浅入深做了如下设计：（1）带电粒子库伦势的空间结构；（2）带电粒子在均匀磁场下的运动轨迹；（3）带电粒子在均匀电磁场下的运动轨迹；（4）带电粒子在不均匀电场场下的运动轨迹。上述四个物理内容的分析如下：假定一个带电粒子的电量为Q，放置于一个二维x-y空间，根据库伦势基本公式，在Matlab中写出库伦势的表达方式，最后利用直角坐标-极坐标变换关系，做出库伦势的空间分布，如图1所示。在该环节中，需要学生理解库伦势的表达形式，能够运用Matlab编程语言，同时还需要学生掌握坐标变换的方法。图1库伦势的空间结构为了强化学生对运动学和电磁学的结合运用，我们在第二、三、四设计了不同层次的分析过程，即在第二个环节中，我们设计了较为简单的情况：带电粒子Q在均匀磁场B中的运动，假定粒子的初速度分别有垂直于磁场和平行于磁场的分量，利用Matlab语言，图2给出了带电粒子的螺旋进动轨迹。该环节需要学生能够推导出粒子的轨迹方程、并且灵活运用Matlab语言实现粒子的运动过程。第三个环节中，在均匀磁场的基础上，增加了垂直于B的均匀电场E，同时考虑两种质量不同的带电粒子。该环节同样要求学生推导出粒子的轨迹方程，相比第二个环节难度要大很多，图3给出了这种情况下带电粒子的漂移进动轨迹。图2带电粒子在均匀磁场下的运动轨迹最后，第四个环节中，我们考虑更为复杂的情况，即磁场为反剪切形式，电场具有一定梯度，同时两者方向垂直。根据粒子的运动方程，图4给出了不同磁场剪切情况下带电粒子的运动轨迹。在该环节中，需要学生自学龙格库塔或者与预报修正方法对粒子的运动轨迹加以分析，这极大地锻炼了学生的钻研精神。通过上述四个环节的训练，学生综合运用物理、数学、计算机编程、数值方法的能力大大加强。在上述训练中，教师给出研究性课题，同时给出课题的结果，中间实现过程交由学生去完成。该种教学模式的出发点如下：（1）通过生动的图像抓住学生的注意力，无形之中激发了他们的学习兴趣；（2）通过图像的展示，让学生大致了解本课题的结果，从而有明确的努力方向，并且主动搜集资料补充自己知识库；（3）通过结果展示，使得学生知晓老师有充足的知识储备，可以为他们的研究性学习做深入指导；（4）通过结果展示，激发学生的求知欲，促进教师和学生更深入地交流；（5）通过结果展示，带动更多的学生投入物理学习，从而提升班级整体学习效果。上述教学方法开阔了学生的眼界，有利于学生发散思维的训练以及分析问题、解决问题的能力的培养，学生对物理的学习兴趣得到了一定程度的提高，特别是在大学生创新创业项目中，参与训练的学生表现较好，不仅能够通过自主性学习、团队协作顺利完成上述课题，并以此为基础开展下一步的研究工作。在天津市大学生物理竞赛中，很多学生也获得了很好的成绩，其中有多人次获特等奖和一等奖。

三、新工科背景下个性化研究性培养的探索

新工科是根据国家发展战略新需求、国际竞争新形势及立德树人新要求而提出的国家工程教育改革的方向[4-5]，重中之重是培养大量具有匠人精神的创新性卓越工程人才，然而学生解决复杂工程问题的能力[6-7]仍是我国工程教育的主要短板。我校以航空工程学院和电子信息与自动化学院两个学院中的四个专业开展新工科试点班的建设，这四个特色专业分别是飞行器制造工程专业、飞行器动力工程专业、电气工程与自动化专业和自动化专业。大学物理是理工科专业的重要基础课，在培养复合型创新型人才的知识结构中发挥着先导性与根基性的作用，其教学质量的好坏会直接影响工程人才培养的质量。在新工科背景下，各高校纷纷进行大学物理课程教育教学改革的探索[8-11]。为满足新工科专业对创新型工程技术人才的新要求，我们重新设计了教学大纲。第一，将大学物理和物理实验合并为一门课程，使物理实验变成课内实验，二者相互配合与协调，加强理论联系工程实际；第二，对大学物理内容进行了梳理，并且进行了模块化的设计，由通识模块和选增专业模块构成。第三，在理论课程教学中，采用双课堂。第一课堂大班授课，采用启发与讨论式教学方法，在课程教学设计时体现“教师指导－学生探究－培养能力”的教学特点，同时有意识地培养学生用科学的世界观和方法论去认识和解决物理问题，并结合讲授内容使物理原理与科学技术、自然现象等领域有机结合，培养学生的科学素养和初步的工程意识。第二课堂小组讨论，鼓励通过查找网络资源、习题/案例讨论、探索性实践等多种方式开展探究式学习，加强对学生分析和解决问题能力的培养，可以适当安排学生在计算机上使用仿真物理实验软件巩固和加深其对于物理概念的理解，尽量鼓励学生利用已掌握的计算机的知识编程设计物理现象并能建立模型来解决物理中一些难题。第四，在实验教学中，以“实验活动为中心，理论与实验相结合”的教学方法引导学生注重实验现象的观察，并将所学的物理知识和物理规律用于对实验现象的分析和解释，培养学生的观察能力和自主实验能力。只有善于观察的人才有可能“有所发现”，才有可能“有所创造”，培养创新能力首先要从学会观察现象开始[12]。在新工科背景下，物理教学应从知识教育为主转变把科学素质和工程能力的培养放在第一位，要从偏重依靠教师“教会”转变为注重引导学生“学会”，并使学生“会学”“会应用”，物理教学中注意理论与实际相结合，与工科专业相融合，为学生打下牢固而坚实的物理基础的同时，也为他们对工程科技知识的掌握和长远的发展提供支撑。

四、结束语

个性化研究性教学方法是基于当前物理教学中普遍存在的问题提出的新探索，具有一定的针对性。本文以电磁学内容为例，讨论了改进物理教学的个性化研究性教学方法，在具体实践中，该方法已经体现出来一定的积极作用，同时，我们也认识到该方法还有待改进，其局限性体现如下：（1）由于课题具有一定的难度，能够深入参与其中的学生有限；（2）课题设计需要教师有一定的知识积累，特别是计算机、数值计算等方面能力的提升；（3）对于个性化研究性物理教学，当前情况下的物理课时稍显不足；（4）由于大学物理是我校基础必修课，开设时间只有两个学期，因此物理课程学习结束后，有较好潜质的学生逐渐脱离本研究性课题，无法进行连续性的教学案例分析。

总之，在新工科背景下，高等教育人才培养的结构和质量都面临着更大的挑战，我们反思传统大学物理教育在人才培养方面的不足，提出了个性化研究性教学模式以适应学生个性化发展的卓越人才培养。在实际的教学中，教师应充分尊重学生间的差异以及学生的学习主体性，从个性化人才培养的视角，提升学生应用物理知识解决复杂问题的能力。

参考文献：

[1]何柯桦.个性化教学背景下高校应用型人才培养研究[J].教育教学论坛，2020（22）：312-313.

[2]崔益虎，等.高校创新创业人才个性化培养的模式及其拓展[J].教育探索，2016（12）：61-64.

[3]叶配青，等.设计贯通式教学模式践行个性化人才培养理念[J].中国大学教育，2015（7）：43-47.

[4]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[5]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017（2）：26-35.

[6]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30.

[7]林健.运用研究性学习培养复杂工程问题解决能力[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《大学物理》教学模式探索[J].高教学刊，2018（18）：1-5.

[9]李旭光，孙锡良，等.大学物理课程改革如何适应“新工科”建设[J].创新与创业教育，2018，9（3）：129-132.

[10]王邑.浅谈物理教学与“新工科”专业建设的关系[J].课程教育研究，2018（5）：166-167.

[11]姜宇，刘艳磊，等.新工科背景下大学物理案例教学的探索[J].高教学刊，2019（20）：102-104.

[12]陈小凤，吴鲤莉，王振东.从“示波器使用”实验谈大学物理与物理实验课程内容的整合[J].金陵职业大学学报，2002，17（4）：65-66.

作者:杨芳 孔伟 魏通 周青军 单位:中国民航大学