基于CDIO的“大学物理及实验”课程教学改革探讨

2012-03-19张连顺张小娟

物理与工程 2012年2期

关键词：大学物理物理教学模式

张连顺张小娟杨薇

（中国民航大学理学院，天津 300300）

基于CDIO的“大学物理及实验”课程教学改革探讨

张连顺张小娟杨薇

（中国民航大学理学院，天津 300300）

分析了目前传统的普通物理与普通物理实验课程教学存在的问题，论文将国际化的CDIO工程教育模式理念引入到大学物理及实验课程的教学中，从培养目标与一体化课程、教学模式方面的改革进行了探讨.

大学物理及实验课程；CDIO工程教育模式；教学模式

普通物理学是研究物质运动最基本最普遍的规律，其中包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核内的运动等等.它所研究的这些运动，普遍地存在于其他高级的、复杂的物质运动形式之中.普通物理学同时也是一门实验科学，研究物理学的方法实际上有两种，实验观察的方法和理论研究的方法，二者相辅相成，互相促进，从而推动整个物理学向前发展.因此，普通物理学所研究的规律具有极大的普遍性，可以说，物理学是除数学外一切自然科学的基础，也是当代工程技术的重大支柱.所以各工科院校，均把普通物理作为各专业的重要基础课.从学习物理学的角度来看，学生除了用抽象逻辑思维的方法进行学习外，还应该注重用实验的方法来学习物理，两者同等重要，不可偏废.当前，我们普通物理课的教学模式基本上是以教师、课堂、教材为中心，片面注重知识的传承，而忽视探求和获取知识能力的培养.2000年10月，一项改革本科工程类专业教育的国际项目 CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate即构思、设计、实施、运作）正式启动.CDIO模式以产品、生产流程和系统从研发到运行的生命周期为载体，通过系统的产品设计培养学生专业技术知识、个人能力、职业能力和态度、团队工作和交流能力，培养在企业和社会环境下对产品系统进行构思、设计、实施、运行的能力等综合素质.普通物理作为一门理论与实验相结合的课程，完全适用于在CDIO教学模式下进行教学，使学生们通过普通物理的学习，达到上述CDIO所注重的各种能力的培养.

为了使普通物理的教学真正起到培养学生CDIO所注重的能力的作用，必须对传统的教学模式进行改革，设计基于CDIO的普通物理教学模式，以学生为中心，充分调动学生的学习主动性，建立符合国际工程教育共识的课程体系.我校从2010年开始，对电子信息专业2010级的两个行政班进行CDIO教学试点，在物理教学方面将普通物理与大学物理实验整合为一门课即“大学物理及实验”，本文基于CDIO工程教育理念，对“大学物理及实验”课程的教学改革进行了以下几方面的探讨.

1 传统教学中存在的问题

传统的大学物理教学是由普通物理和物理实验两门课组成，课程设计的初衷是让学生通过理论研究和实验观察的方法，抽象逻辑思维和直观的方法来学习物理，二者相辅相成，互相促进，两者同等重要，不可偏废.达到培养学生逻辑思维能力、动手能力和观察能力的目的.但现实情况是，尽管理论课与实验课的基本内容保持大体一致，但由于是两门课，同时由于实验条件的限制，理论与实验很难保持同步，往往会出现这样的情况，理论课讲的是力学内容，物理实验课上做的是光学内容，这样学生很难用学到的理论知识去指导实验以及通过实验来验证和总结物理规律.学生在理论课上还是埋头死记一些物理公式和定义，感到物理课非常抽象、枯燥、难以学懂，而在实验课上，由于对有关的物理理论大都已淡忘，有的甚至根本还没学，因此只是按照规定的操作流程记录一些数据来完成实验报告，实验过程中为什么这样做，通过实验获取什么、锻炼什么、甚至实验的目的都不是很清楚.理论与实验起不到相辅相成，互相促进的作用.

2 理论与实验有机的结合

为了解决传统教学中的问题，首先我们将普通物理与物理实验整合为一门课：“大学物理及实验”，使理论教学与实验教学保持同步，教学过程中理论与实验穿插进行.课堂上讲解有关实验的原理、实验的目的等，在实验中让学生体会和注意有关的实验现象说明哪些物理规律，达到培养学生观察问题、思考问题和解决问题的能力.例如，在力学中，结合物体的受力分析我们要做“用拉脱法测液体的表面张力系数”实验，首先在课堂上讲解液体的表面张力，实验的基本原理以及实验中有关圆环的受力情况，提请学生们在实验过程中，注意观察表征液体表面张力大小的物理量是如何变化的.实验过程中，会发现表征力大小的电压逐渐增加，到最大值后再减小，然后在某个值下突变.结合该实验现象，首先让学生们思考，液体的表面张力是最大值还是突变前瞬间的值，然后告诉学生对该问题现有两种解释，一是由于圆环不是水平的，造成液面部分脱落，所以应该读取最大值.另一是液面是突然破裂，由于环上的水逐渐滑落引起的力由最大值逐渐减小，然后让学生给出自己的观点，并通过实验数据和理论进行证明，将有关内容体现在实验报告中.努力做到用理论指导实验同时通过实验进一步加深对理论的理解.

3 课程教学中贯穿CDIO理念

CDIO改革的三个总体目标是要把学生培养成能够掌握深厚的技术基础知识；领导新产品和新系统的开发和运行；理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响.在课程教学中，结合实验让同学们把每一个实验当作CDIO的一个项目来进行学习，做到在理论课堂上完成C（conceive思考），课下完成D（design设计），在实验室完成I（implement实施）和 O（Operate运行）.例如，在电磁学中结合霍尔效应我们要做“霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量”实验，首先在理论课上讲解完霍尔效应，让学生们思考霍尔效应有什么用？如何利用霍尔效应测量有关的物理参数？布置课下作业让学生设计霍尔元件基本参数的测量装置，然后在实验室只对学生讲解各个分立仪器设备的作用，整个实验如何操作，如何进行由学生根据自己的设计去实施，整个实验运行的结果体现在实验报告中.这样通过一个具体的普物实验，让学生体会CDIO每一步所包含的内容，使学生CDIO的能力得到不断地锻炼和提高.

4 课程教学中注意培养学生的团结协作能力和表达能力

CDIO教学的培养目标之一是要培养学生的团结协作能力和表达能力，教学过程中我们有意识地将一些思考题或项目以作业的形式让学生以宿舍为单位，课下进行充分的讨论和论证，然后每个宿舍推举一个同学在课堂上进行表述.例如，在电磁学中，讲解霍尔效应和电磁感应的内容后，我们布置的项目是用什么物理原理去测量磁场，并设计相应的实验装置，我们发现，学生学了有关的物理知识，如何去用，如何根据相应的物理原理设计实验装置，开始是很欠缺的，需要不断引导和反复训练.通过宿舍内同学之间的讨论，同学们思考问题的不同方式，开阔了思路，增强同学之间团结协作能力，同时也锻炼了表达能力.

5 基于CDIO的教学模式改革

传统的物理课侧重培养学生掌握系统的基础知识，往往忽略了培养学生在领导新产品和新系统的开发和运行上的能力，这也是CDIO改革希望达到的目标之一.传统教学模式，重点放在被动的信息传递上，而没有放在让学生更多地从事操作、运用、分析和判断概念上.加之课程概念抽象、公式繁杂，这样的教学模式很难取得好的教学效果.

传统的普通物理实验中验证性实验所占比例较大，与产品设计、企业生产等实际的工程环境几乎没有联系，这使得学生在本来最方便获取工程经验的环节反而收获甚少.此外，更重要的是没能将个人能力、职业能力、素质、团队工作和交流能力等一系列综合能力的培养融于课程中.

CDIO改革的三个总体目标是把学生培养成能够掌握深厚的技术基础知识；领导新产品和新系统的开发和运行；理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响.据此，“大学物理与实验”课程体系改革必须考虑一体化课程的构建.制订一体化课程计划，首先向学生阐明该学科与其他学科知识的联系，让学生认识到物理知识与其他各种学科知识是相互支持的；其次在课程学习中，将个人的交流能力以及产品、过程和系统建造能力的培养看作这个课程计划不可分割的一部分.

无论理论教学还是实验教学，目的是希望学生通过该课程的学习应学到相应的知识和具备一定的应用能力.理论教学不应该是简单枯燥的“填鸭”，而应该是基于主动经验学习方法的教与学.例如“大学物理及实验”课程中关于光的波动性、光的波长、光的干涉、衍射等光的特性的学习，学生很难根据公式来深刻理解.但是如果我们采用以下过程，学生一定会有领悟.课前准备：教师提出与相应概念有关的一个典型工程案例，学生查找相关概念的资料；课上教师讲授，学生分组讨论或辩论；课后实践：也可以自己设计实验方案来验证有关概念，最后才是学生做课后计算作业.该过程就是一个主动学习的过程，让学生致力于对问题的思考和解决.这个认知的过程不仅有助于提升学生的学习能力，取得良好的学习效果，而且可以帮助学生培养批判性思维能力和养成终身学习能力.教学过程中把教学的重点放在物理原理和物理知识的应用上，简化有关物理原理和公式的推导，精心设计有关的题目或项目，充分发挥学生的创新思维，强调在实际环境中制造产品和实现设计，让学生有机会把所学到的理论知识和专业兴趣联系起来.例如让学生设计测试方案，确定匀强磁场和交变磁场的实验，该项目作为课程内实验虽有相关内容，但学生必须了解同样是测量磁场，不同性质的磁场，其测量方法是不同的，所用物理原理也不同，学生可以首先自主设计测试方案，以宿舍为单位进行交流和论证，然后到实验室进行测试，最终上交书面报告.该报告并非只是测试结果，而是完整的方案解决报告.可以选择项目成绩好的学生制作PPT进行全班的交流.逐渐培养个人工程推理和解决问题的能力、系统思维能力、创造性思维能力以及人际交流等等.