农林院校物理学立体化教学资源和自主性学习的研究与实践

谭佐军 丁孺牛 陈建军 卢 军

(华中农业大学理学院,湖北武汉 430070)

农林院校物理学立体化教学资源和自主性学习的研究与实践

谭佐军 丁孺牛 陈建军 卢 军

(华中农业大学理学院,湖北武汉 430070)

结合农林高校的特点对物理课程教学各环节进行了深入的研究,研究教学内容,构建了教材和 T.A助学系统;研究教学方法,构建了导学系统;研究教学状态 (包括研究教师和学生),构建了诊断系统;研究教学手段,提供了多途径的学习环境;研究课程考试,建立研究和应用题库.以能力培养为核心,优化教学内容,构建适合农林类大学物理教学的教学资源,全面推进自主性学习,贯彻“以知识为载体,培养能力为核心”的教学理念,体现“教师主导,学生主体”的教育思想.

高等农林教育;物理;教学资源;自主性学习

1 引言

农林类大学物理学课程是为农林类各专业学生开设的一门基础课程,该课程是以关于自然界中最基本的物理现象、物质形态、物质运动的一般规律的理论为基本内容,同时介绍人类在科学发展的历史长河中了解自然、认识自然、改造自然的认识论和方法论,激发学生不断探索科学奥秘、深化对物质世界认识的兴趣和志向.作为农林类专业的基础课程,应努力使学生掌握最基本的物理原理和定理及其应用方法,较系统地了解物理学的概念、工作语言、物理图像、其历史、现状和前沿,认识现代物理在农业科学、生物科学及现代科技中的应用方向,它具有其他课程不可替代的基础作用和特殊性.学好大学物理课不仅对学生在校的学习十分重要,而且对学生毕业后的工作和进一步学习新理论、新知识、新技术,不断地进行创新都将发生深远的影响.

农林高校由于其本身的特点,在人才培养的要求和课程设置上与工科院校有着较大差别,在农林高校由于大学物理课程课时较少,也基本没有相关的后续课程,因而造成了物理教学仅忙于知识的传授,而忽略了对学生能力的培养,学生的学习兴趣也不高的局面.如何进行改变,在现有条件下,既保证物理学的系统性和完整性,又能在教学中培养学生的能力,通过对物理教学各环节的研究并结合农林高校的特点,在国家级教改项目:“21世纪中国高等农林/医药类专业数理化基础课程的创新与实践”和湖北省教改项目:“农林高校大学物理学立体化教材的研究与实践”项目的支撑下,我们开展了农林高校大学物理学立体化教学资源和自主性学习的研究与实践.我们项目的基本思路是:以能力培养为核心,优化教学内容,构建适合农林类大学物理教学的教学资源,全面推进研究性教学和自主性学习,贯彻“以知识为载体,培养能力为目标”的教学理念,体现“教师主导,学生主体”的教育思想.

2 研究的具体内容

2.1 研究教学内容 建设教材和 T.A助学系统

2.1.1 教材建设

在理论课方面,农林高校使用的大学物理课教材比较多的都是工科物理教材的浓缩,由于课时较少,教学中往往只注重了物理概念和规律的表述,也就是注重了结果,而对概念和规律的提出背景和提出过程则有所忽略,这很容易导致学生学习只重视机械性记忆,难以起到培养学生能力的作用,同时对物理学在现代科技特别是农业和生命科学中的应用也难以涉及,课堂教学比较枯燥,物理学的重要性也难以体现,由于没有后续课程的支撑,学生很难提起兴趣.为此,我们对理论课教材进行了修订,并于 2004年 12月由高等教育出版社出版了《大学基础物理学》(第 2版),教材首次提出了以实物的性质和运动规律、电磁场运动规律、光和量子运动规律三部分为框架组织教学内容体系,体现与生物科学、农林科技的有效联系的特色,体现既与专业教育结合又为未来农林科学实践奠定基础的特色.

实验课教材改变了传统实验教材的写法,将实验内容进行整合,把测量物理量相同、测量工具相似以及测量技术或方法一致的物理实验优化整合在一起,每个实验项目下面有多个相关的原理和仪器,供学生选择,以培养学生的发散思维;教材中淡化了实验方案与步骤或用一些练习题替代实验步骤,强化实验环节,包括实验预习、实验操作及小论文形式实验报告等各个环节,多从科学研究的要求培养学生.对实验预习环节,要求学生根据实验指导书提供的实验原理、实验仪器介绍、实验内容要求和实验练习题,查阅相关文献资料,初步拟订实验方案、实验步骤,即形成实验整体轮廓,并书写预习报告;实验操作环节,要求学生结合预习报告,在熟悉实验仪器和工具的基础上,在教师参与讨论条件下,形成详细的实验方案和步骤,并实施,得到正确实验数据,观察到实验现象;最后一个环节是实验报告,则要求学生以小论文形式书写.学生必须自行查阅资料,自主地设计实验方案才能完成实验.实验课堂上也不再讲解操作步骤,老师加强课堂的巡回指导,指导学生的方案设计和步骤设计,这就要求学生在课前一定要读懂原理,并自主设计实验方案,自主完成实验方案,由于每个实验室里有 10种实验项目,每个实验项目只有 2套设备,学生中相互抄袭的现象也基本杜绝.“一个整合”和“两个自主”,将传统的验证性实验变为了研究性实验,学生通过选择实验原理、自主设计方案、自主完成实验,提高了研究能力和整体解决问题的能力.

2.1.2 T.A助学系统 (Teaching assistant system)的建设

我们深入研究了如何在现有条件下保持物理学的系统性和完整性,如何加强学生能力的培养.我们对农林高校大学物理教学目标和内容进行了深入的研究,感觉到农林高校的大学物理课程课时都较少,在以往的教材和教学中太注重物理概念和规律的表述,也就是注重了结果,而对概念和规律的提出背景和提出过程往往有所忽略,这很容易导致学生学习只重视机械性记忆,难以起到培养学生能力的作用,同时也难以涉及物理学在现代科技中的应用,课堂教学比较枯燥,物理学的重要性也难以体现,再加上没有后续课程的支撑,学生很难提起兴趣.为此,我们首先在教材上增加了物理学与农业科学、生命科学相结合的实例,并根据课程要求和贯彻以“学生为主体,以培养能力为目标”的教学理念建立了 T.A助学系统.针对不同的教学内容,我们进行了一定的取舍,课堂上主要是讲思维、讲原因,并加强了问题启发,实物、视频和动画的演示,引导学生对物理现象进行观察、分析、质疑,并从中得出结论,这样学生不仅获取了知识,也在探索知识中培养了能力.

助学系统包括图像库、物理学的应用知识汇编、网络辅导课件和自学式实验教学课件.图像库收集制作了数千幅图片、动画和视频,可以形象直观地反映物理现象和过程,不仅可以极大地丰富课堂教学,而且能为创设情境教学提供基础,以培养学生的观察、探究能力;应用知识汇编凸显了物理学在农林科技和生命科学中的应用性和重要性,对提高学生的学习兴趣,培养学生的应用能力都会起到较好的作用.网络辅导课件有内容学习、学习指导、典型例题、资料检索、自测题 5个部分;自学式实验教学课件有实验项目的 PPT讲解和仪器使用的视频介绍等内容.助学系统能很好地丰富课堂教学,激发学生的学习兴趣,并能有效地延伸课堂教学的时空,使学生的学习不再局限于课堂.教师、教材和课件构成了学生学习课程知识的来源,使学生学习的渠道更多也更为通畅,多渠道的学习不仅能有助于学生对课程内容的理解、拓宽学生的知识面,还对提高学生的学习能力有所帮助.

2.2 研究教学方法 建立导学系统

问题教学法是教学中比较倡导的教学方法,通过问题启发学生思维,引入教学内容,不仅针对性强,也容易激发学生的兴趣,为此我们构建了大学物理导学系统.导学系统包括各章的教学要求和问题库,问题库的问题主要围绕课程的各个知识点提出,包括知识点的内容、提出过程、适用范围及应用等,现已有 500个相关的问题,这些问题能帮助学生更好地理解知识点,引导学生学习、思考,使问题教学法能顺利地进行,并能对启发学生思维,培养学生的质疑能力、创新思维有所帮助.同时为了增强学生运用知识的能力,在问题中加入了实际应用的题目,学生可以带着问题进行学习和探究,不仅能加深对知识点的理解,而且还培养了学生提出问题、分析问题和解决问题的能力.结合大学物理导学系统,课堂实物演示实验 (比如乌龟表面点温的测试演示等)在课堂上的大量采用,这些演示实验结合了生命科学、农林类专业的应用,可以引导学生对物理现象进行观察分析质疑,并从中得出结论,这样学生不仅获取了知识,也在探索知识中培养了能力,增强了学生认识物理与专业知识的联系.

2.3 研究教学状态 建立诊断系统

构建一个教学诊断系统,对教学状态进行诊断,使教学更具针对性.

教学诊断系统由学生自我诊断和教师教学诊断两大部分组成,实现了对教学状况和教学内容的评价和监控的现代化、网络化、实时化.

学生自我诊断系统:此功能通过典型例题系统和自测题系统体现.

典型例题系统是分步骤给出正确过程与答案,每一步后面都有几个答案供选择,答错将给出对应知识点及相关内容的提示、错误可能的原因,提供给学生进行自我诊断,答对才能进入下一步,直至整个例题解答完毕.

自测题系统试题充分反映农林类大学物理教学要求,由学生用自己的学号和密码登录,选章节进行自测,由于每道题目都考查了一个 (或多个)知识点和认知分类,因此系统通过分析学生在测试时的表现,就可以知道学生在知识点上达到教学目标的范围和程度,并在学生测试完成后反馈给学生,使学生了解自己对知识点的掌握情况和能力水平.

教师诊断系统:此功能通过学生学习情况分析系统和学生学习情况反馈系统来体现.

学生学习情况分析系统就是在整个范围内从各个方面的收集分析处理学生的学习情况,了解到学生群体的现实学习状况,这是教师因材施教的起点.通过此系统学生做自测题的各种相关信息将被记录,教师登录后可查询各班级对教学大纲各知识点的掌握情况,可掌握自己所教课堂的学生情况;可查询全校所有学生对各知识点的掌握情况,进而可对自己所教班级进行比较;还可查询每个学生登录次数及历史追踪的成绩,可掌握每个学生的学习情况.这样就可使教师的教学更具针对性,从而针对具体教学情况及时地调整自己的教学.

2.4 研究教学手段 提供多途径的学习环境

充分利用网络环境和多媒体技术等现代教育技术,改进教学手段,为学生提供多途径的学习环境.2001年我们就建设了大学物理课程网站,2006年建设了大学物理精品课程网站和大学物理实验教学中心网站 (大学物理课程 2003被评为湖北省优质课程、2008年湖北省精品课程),教学资源的助学、导学和诊断系统均被挂在网站中,以供学生随时学习,这些学习资料在内容、时间和空间上相互补充、相互完善,使教师的课堂教学在内容和方法上的自主性将大为提高;学生的学习途径也将不再局限于教材和课堂,多途径的学习使学生不仅能更好地掌握物理学知识,而且在能力的培养上也将受益匪浅.

2.5 研究课程考试 建立研究和应用题库

课程考试不仅应具备对课程教学的评价作用,更重要的应是对日常教学的引导功能,根据课程教学要求并结合农林院校的特点,我们把考试重点放在考查学生的能力上,主要考查学生对知识点的理解能力、应用能力和逻辑思维能力,并要体现“讲一学二考三”的思想,考试要起到引导学生学习的指挥棒的作用,引导物理教学把能力培养放在首要地位,仅仅靠背公式,靠题海战术在考试中是很难有好成绩的.通过对课程内容和要求的研究,我们建立了大学物理研究和应用型题库,在考试中此类题目比例大概有 30%.例如:

1)2008年的 5月 12日在四川省发生了 8级大地震.在这场地震中,透出了暖暖的爱心,来自世界各地的救援小组都赶赴灾区,为寻求仍然存活的生命信号群策群力.请你设计至少两种方案来帮助这些救援小组发现地下活的生命体.

这些题目中的现象均为日常生活中的所见所闻,有些则是当时所发生的事情,我们希望通过这些试题对学生起一个引导作用,使学生注重平时的观察、注重思考物理现象背后的原因.

2)激光在现代生物医学技术中有着广泛应用,例如用激光手术切除病灶细胞 (或亚细胞组织)的操作.在很多情况下,要求激光仅仅作用于操作对象而不能影响到临近的细胞组织,这就需要把激光束聚焦在微小的区域内.现将激光经透镜 (直径为 5mm,焦距为 10mm)聚焦后用来去除某一极微小病变组织 (可近似看作点),同时不能损伤临近的重要神经 (与病变组织的最小距离为1μm),请分析波长为 630nm(指在生物组织介质中的波长)的激光能否满足要求?(假设激光束近似为平行光,且其作用仅限于零级衍射明纹内).

这些题目就体现了对知识的应用,学生仅仅靠背诵、记忆课本知识点显然是无法完成此题的,学生不仅要具备对应的知识点,而且要有较强的知识应用能力.

自 2007年应用以来,在学生中引起了比较大的震动,收到了我们预期的效果.

3 结束语

由导学系统、助学系统、诊断系统、研究和应用型题库构成的立体化教学资源具有与生物科学、农林科技建立有效联系,能与专业教育结合又能为未来农林科学实践奠定基础的特色.通过应用立体化教学资源,全面推广学生的自主学习,为学生提供了优质的学习环境,延伸了课堂教学的时空,形成了课堂、教材、网络三位一体的教学方式,配合教师的引导和教学方法、手段的改变,实施“导学—助学—诊断”的研究性教学,对学生能力的培养起到了较大作用.2006年建成的大学物理精品课程网站和大学物理实验教学中心网站.自项目实施以来,课题组老师共获得华中农业大学教学质量二等奖 4项,三等奖 4项,教学研究与改革奖 1项,青年教师讲课竞赛二等奖 1项,优秀奖 1项,电子教案三等奖 2项.从校内管理部门提供的近三年学生评价结果可见,教学效果受到全校师生的赞誉.近三年主讲教师教学评分均居同职前列.

[1] 谭佐军,丁儒牛,罗贤清,陈建军.高等农林院校大学物理立体化教材的建设研究 [J],物理与工程,2005,15(6):65～68

[2] 王海婴.大学基础物理学 (第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004

[3] 王海婴,罗贤清,王人胜.面向未来,脚踏实地,探索物理课程体系和教学内容的改革[M].构建 21世纪高等农林教育体系的探索与实践 1,北京:高等教育出版社,1997.1

[4] 柴成刚等.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2004

[5] 谭佐军,丁儒牛,罗贤清.积极进行教学资源立体化建设全面推进农林类物理教学改革[A].高等教育出版社,大学物理课程报告论坛文集,2006:45～48

2010-09-24)

湖北省高等学校省级教学研究项目(20100133).

谭佐军 (1977年出生),男 (土家族),湖北利川人,副教授,博士,主要从事生物物理、光电技术、图像处理研究.