文科物理教学方法改革尝试与思考

2012-12-20王晓鸥孟庆鑫

物理与工程 2012年2期

关键词：物理学文科物理

王晓鸥霍雷孟庆鑫赵远张宇

（哈尔滨工业大学物理系，黑龙江哈尔滨 150001）

文科物理教学方法改革尝试与思考

王晓鸥霍雷孟庆鑫赵远张宇

（哈尔滨工业大学物理系，黑龙江哈尔滨 150001）

本文从我校多年的教学实践与教学改革所进行的一些尝试中，重新思考了有关文科物理课程的教学内容、教学方法、教学手段以及考核方式.并从文科学生对待物理学的心理、学习物理的态度上分析了目前在美国、中国台湾地区以及一些欧洲国家的大学盛行的一种新的教学模式——工作室物理，应用于文科物理教学的可能性和必要性.

文科物理；教学方法；工作室物理

1 引言

文科物理是指对文科类学生开设的物理课程.由于我国的教育体制，文科学生从高中二年级时就不学习物理了，再加上文科学生多数是不喜欢物理或是惧怕物理才选择学人文等社会科学的.这些学生的物理基础很薄弱，并且对物理有一种抗拒情绪，导致他们对物理课程的不重视，多数学生是抱着只要能通过、能拿到学分就行的想法来上物理课的.面对这种局面，文科物理课“教什么”、“怎么教”是摆在每一位任课教师面前的重要课题.本文从我校多年的教学实践与在教学改革中所进行的一些尝试中，重新思考了有关文科物理课程的教学内容、教学方法、教学手段以及考核方式.

2 文科物理教什么？怎么教？

2.1 教什么

物理学是研究物质的结构、相互作用和物质基本的、普遍的运动形式及其相互转化规律的科学.物理学原理是技术的源泉，是多学科交叉、转移和渗透的支撑点，在研究型理工科人才培养过程中，物理学知识具有先导性和全局性作用；物理学的研究方法全面涵盖了现代科学研究方法论，是培养学生从事创造性研究的基础.这就决定了大学物理课是工科各专业的必修基础课，但对文科学生来说，他们参加工作后所从事的领域绝大多数是与物理无关的，更何况物理学对他们来说是一门非常难学的课程，尤其是一些公式推导、数学运算和繁复的公式、符号等如同“天书”.面对这种情况，我们首先考虑的是为文科学生开设的物理课应该教什么？它绝不应该是理工科物理的简化，应该是物理思维、物理方法，这是共识.怎样将物理思维、物理方法传授给文科学生，仁者见仁智者见智：有人结合物理学史传授物理思维、物理方法；有人结合当代高新科技的发展过程传授物理思维、物理方法.

我们认为文科物理既然叫物理，就应传授物理学的基本知识、基本概念、基本规律和基本方法，从中传播物理思维、物理方法，即通过物理学基本概念、基本规律的讲解传播物理学的思维方式以及物理学中分析问题、解决问题的方法.那么，怎样将枯燥的物理学知识、物理学基本规律传授给文科学生，是每一位任课教师必须面对的问题.

几年来，我们在教学内容的选择上作了多次尝试，最初是将工科物理学内容作了简化，效果不是很好.从2007年开始，我们改变了教学理念：从文化的角度传播物理学知识，引导文科学生用科学的思维方法分析问题，重在拓展文科学生的科学视野.我们将重点放在介绍物理学的思维方式以及物理学中分析问题、解决问题的方法上，突出了科学思想和文化内涵，注重科学教育与人文教育的交融.我们采取的具体办法是，以物理学发展史为线索，但又不能将文科物理变成物理学史课程，主要讲解物理学的基本规律，从物理学的发展过程中让学生了解物理思维方式的形成以及物理学对高新科技、对社会发展的影响.

例如对光本性的探究过程中，从牛顿的微粒说（介绍光的直线传播、反射、折射成像等），到惠更斯的波动说（光的干涉、衍射、偏振等），再到爱因斯坦的光量子说（光电效应、康普顿效应等），通过对具体物理概念的不断深入的认识过程中，介绍著名物理学家的创造性思维，培养学生的科学素养和创新能力.如讲解光的全反射概念时，结合光的全反射原理介绍了2009年诺贝尔物理学奖的获得者华裔物理学家高锟及其光纤通信原理、光纤网络等，扩大学生的知识面、开阔视野，提高学生的综合素质.再如爱因斯坦在解释光电效应时，首先考虑到普朗克的电磁辐射机理：空腔中频率为ν的电磁场以hν为基元能量向外辐射，称这个基元能量为能量子，电磁辐射的能量是由能量子组成的，那么光的产生和转化是否也具有这样的性质呢？如果一个物体发射量子（普朗克的空腔），而另一个物体（光电效应中的阳极板）吸收它们，那么在两个物体之间的空间中发生了什么呢？爱因斯坦认为在这两个物体之间通过的能量同样像是以光速飞行的量子（光量子）组成.也就是说，爱因斯坦提出辐射的能量不仅在吸收和发射的过程中是一份一份的，而且他把电磁波在空间的传播途径也描述为一连串的能量量子流hν.这样，爱因斯坦就把辐射、传播和作用三个环节中的光（电磁场）都统一地看作了光量子，从而合理地解释了光电效应中的电子产生过程.这一思维方式同样适用于人文科学领域.

如我校10级法学专业的郝华兴同学说：“……这种思维方法对我们有莫大的益处，……在民法领域，社会生活中存在着复杂多变的平等主体之间的财产关系和人身关系，当我们拿到一个具体案例时，首先应判断此案例是涉及物权关系还是债务关系等等，要发现是发生了哪种民事法律纠纷，应该运用哪些具体的法律规范，其次是根据民事法律关系的性质查找相对的法律条文，若无明确的法律规定，可寻找相关的法律基本原则、立法解释、司法解释等，直至找到适用案件的对策……”.房月同学写道：“……法学专业与实际生活联系密切，它要求它的学习者对现实生活有敏锐的洞察力，而这种关注生活的能力，也是物理学能够赋予的……我在哈工大学物理，学习的不仅仅是物理学科，学的是一种思维方法.”.10级国际经贸专业的朱越同学写道：“……物理学的思维对经济学的分析真的很重要.比如伽利略在研究事物时的科学研究方法……也是经济学研究必不可少的……物理学概念也在不断地向经济学渗透，如期权定价公式就是利用布朗运动和随机微分方程给出的……”等等，这样的感悟很多，这里不一一列举.

2.2 怎么教

在如何调动文科学生学习物理的积极性、主动性上，我们一直在不断地改进和尝试.最初我们尝试给学生留大作业，拟好题目，如时间是什么？熵带给我们的思考等一些能激发学生想象空间的选题.并以班为单位，选派一人做成PPT到讲台上讲解，给学生展现自我的机会，收到了一定的效果，但缺陷是只是到讲台进行讲解的学生作了认真的准备，其他学生只是完成作业而已.为了调动广大学生参与的积极性，后来推广到五六个人一组，教师随机抽取学生到讲台上讲解，参与的学生数增加了，学生对本门课程的重视程度增加了，取得了较好的教学效果.例如06级英语专业的陈香同学图文并茂、生动、风趣地讲述了质量、能量关系；08级法学专业的吴龙洋同学从法律的角度理解时间概念，等等.但这只是对某一专题的讨论，知识面有点窄，若要求学生能认真对待每一节课，就要调动每一位学生学习的热情.今年我们采取的方法是，每节课结束时都要留作业题和预习题，下次课随机提问预习题，督促学生养成课后复习和课前预习的良好习惯，取得了良好的效果.如10级国际经贸专业的王婉婉同学写道：“……我觉得留预习题还是不错的，留有悬念……自己动手查的内容记忆会更深刻.”

但这些都是教师推着学生学习、是被动的，怎样唤起文科学生学习物理学的热情、变被动学习为主动学习，我们认为还应从学习兴趣着手.

2.3 如何实现师生互动

要调动文科学生学习物理的兴趣、学习的主动性，应采用互动式教学方式，让学生真正成为教学的主体.我们所作的种种尝试，都是试图调动学生学习的积极性和主动性，虽然取得了一定的效果，但还有很多不如意之处，如多数学生是在被动地学，学生的学习兴趣并没有调动起来.要让文科学生对物理感兴趣，首先要消除他们对物理的畏惧情绪，让学生体会物理、感受物理，给学生动手锻炼的机会，即让学生自己动手做一些简单、与生活联系密切的小型实验，从中寻找乐趣、激发灵感；其次，要减少学生的心理压力，营造一种师生平等、民主的课堂气氛，使学生能够自由发言，主动思考；第三，引导、激发学生学习物理的兴趣.

2010年台湾中正大学物理系主任魏台辉教授①来我校讲学时，介绍了他们学校的工作室物理（Studio Physics）教学模式、教学实践以及取得的良好教学效果（见附录）.

工作室物理这种教学模式已在美国、中国台湾地区以及一些欧洲国家的大学盛行十多年了［1～4］，它最先由美国伦塞勒工学院（Rensselaer Polytechnic Institute，简称RPI）于1993年在教学中进行实践［5］，麻省理工学院（MIT）是使用Studio Physics最具影响的学校之一［6］.工作室物理将理论、实验以及学生间的互助学习融为一体，是一种以学生为中心、提升学生自主学习能力的教学模式.多年的实践表明，这种教学模式不仅培养了学生探索物理知识的能力，还全面培养了学生在集体环境中自我学习、自我成长、自我完善的能力，培养了学生团队合作精神.由于工作室物理教学模式的成功，如今，美国一些大学已经开始在化学、工程类等［7，8］课程中实施这种教学模式.

3 工作室物理

工作室物理最大特点是将传统授课和课堂活动融为一体，充分发挥学生自主学习的积极性.标准的工作室物理需要在一个专门的工作室物理教室中进行.这一教室除了具备我们一般多媒体教室的功能之外，在每一张课桌上放上小型实验仪器，有条件的情况下，在课桌上配备网口和与Lab－Pro Device相连接的USB接口，通过Logger Pro数据采集软件，可以将桌上实验的数据进行采集处理，从而方便学生对数据进行分析.课堂规模：麻省理工学院（MIT）为60～90人、台湾中正大学为99～117人（视教室情况而定），两三个学生组成一组.图1分别给出了RPI、台湾中正大学以及MHT的Studio Physics教室实景.在教学过程中，教师可作精简的讲授，之后学生以学习小组为单位做实验（称为课堂活动）.每个班级配备一名主讲教师，一名研究生助教，一名本科生助教.助教的作用是在课堂活动期间巡视课堂，及时解决学生的问题.这种教学模式强调的是学生互助式学习，以学生为学习主体，实现师生间的高度互动.

图1 工作室物理教室实景

这种教学模式的其优点在于：（1）将实验操作融入课堂教学环节中，不仅让学生学习物理知识，更重要的是让学生感受物理，完全整合了理论和实验课堂，可充分发挥学生自主学习的积极性；（2）教师融入学生中，形成一种平等、易于沟通和交流的良好课堂氛围，便于实施互动式教学.从教学理念而言，其旨在倡导教师引导、学生参与的互动式教学.

基于工作室物理的特点，我们认为这种教学模式不只适合工科物理，也非常适合文科物理教学.这种学生互助、师生互动式教学模式是文科物理课程教学最适合的教学方式.它提倡的是师生平等、民主的课堂气氛，减轻了学生的心理压力，为学生之间、学生与教师之间的沟通、交流提供了一个很好的场所.

4 尝试改革考试方式

在以往的教学中，我们摒弃了由一张考卷决定成绩的不科学的做法，在考试方式上作了初步改革尝试，采取了“平时成绩＋小论文＋师生互动（主要是针对某一选题学生做成PPT到讲台上讲解）＋期末考试”的考试方式，基本上起到了素质教育的目的.使学生在掌握物理知识的同时提高了科学人文素质.

本课程的小论文侧重文化层面，写一篇物理学原理对你（人生）启示的文章或感想，让学生体会物理，感受物理文化，同时领悟人生哲理.如08级国际经贸专业宋晶晶同学写道：“……人际关系中难免会出现摩擦，如果双方都不肯宽容处之，那么就像作用力与反作用力，摩擦永远都不会消失.所以不如宽容些，先放手，让力消失，摩擦自然会消逝……”；07级英语专业冷晓东同学写道：“……在社会交际时，人与人之间的交往就像作用力与反作用力一样，你如何对待他人，也将获得一个等量的回报……”.我们还尝试了让学生联系所学专业，从所学专业角度阐述物理概念、理解物理学原理，08级国际经贸专业的孙雪梅结合爱因斯坦质能关系式E＝mc2将“……质量m与能量E比作两种货币m和E，原先认为不能相互兑换，爱因斯坦发现：E是流通货币，m是存款，两者可以兑换，兑换率是c2……”；10级的朱文岳结合能量守恒定律阐述经济学上的“价值规律”：“……即商品的价值量取决于社会必要劳动时间，商品按照价值相等的原则相互交换.它是商品生产和商品交换的基本经济规律.如果在买卖交换中不遵守等价交换原则，买家过分压低价格，卖家故意虚高价格，都是不能长久的，终将被市场淘汰……”.学生感受的物理不只是科学，而更多的是文化——物理文化.

这种多元化的考试方式虽然取得了一定的效果.但还不够完善，教师对每个学生的学习情况了解的不够全面，很难恰当地评价每一位学生.要对教学方法、考核方式作根本性改革，我们认为工作室物理的教学模式是最好的选择.

在工作室物理的教学模式中，由于教师与学生接触密切，教师对每个学生都有全面的了解，可对学生做出正确的评价.这种教学模式的考试重点放在对平时的考核上，这样做的优点是让学生重视平时的学习效果，认真对待每一节课，避免了平时不学习、考试前集中突击的现象，也可避免由一张考卷决定成绩的不科学的做法，对认真学习的好学生是认可、是鼓励，对不认真学习的学生是鞭策、是督促.既减轻了学生期末考试的负担，又能从学习态度、理解能力、动手能力等方面公正、恰当、全面的考核学生.

［1］ Karen Cummings，Jeffrey Marx，Ronald Thornton，and Dennis Kuhl.Evaluating innovation in studio physics［J］.Phys.Educ.Res.，Am.J.Phys.1999，67（7），S38

［2］ Patrick B.Kohl，H.Vincent Kuo，and Todd G.Ruskell.Documenting the conversion from traditional to Studio Physics formats at the Colorado School of Mines：Process and early results［J］.AIP Conf.Proc.2008，1064，135

［3］ T.E.Furtak and T.R.Ohno.Installing Studio Physics［J］.The Physics Teacher.2001，39

［4］ G k，Tolga.Exploring of Students'Performances，Motivation Processes and Learning Strategies in Studio Physics［J］.Latin－American Journal of Physics Education.2011，5（1）：1870～9095

［5］王鑫，刘全慧.工作室课堂与大学物理教育——介绍美国Studio Physics教学模式［J］.大学物理.2010，29（2）：54～56

［6］ John W.Belcher.Studio Physics at MIT（see http：//web.mit.edu/cet/）

［7］ Lu T M.Turmoil and Opportunities in Higher Education［M］.New York：Integrated Book Technology.1999

［8］ Amy C.Gottfried，Ryan D.Sweeder，Jeffrey M.Bartolin，et al.Design and Implementation of a Studio－Based General Chemistry Course［J］.Journal of Chemical Education.2007，84（2）：265

感谢：

感谢台湾中正大学的魏台辉教授提供的资料.

附录：

统计图表1至图表4给出了台湾中正大学2006年至2009年传统教学模式与工作室物理教学新模式的对比.图表1和图表2分别列出了2006年到2009年春季和秋季学期学生选课情况.深色为选择传统授课方式的学生人数，浅色为选择工作室物理教学模式的学生人数.从中我们看到工作室物理教学模式越来越受到学生欢迎.图表3和图表4分别列出了2006年到2009年春季和秋季学期两种授课方式学生期末考试成绩情况.深色为选择传统授课方式的学生期末考试成绩，浅色为选择工作室物理教学模式的学生期末考试成绩.从中我们看到选择工作室物理教学模式的学生期末通过率明显高于选择传统授课方式的学生.