结合专业特色的大学物理课程教学改革探索

李 宏 谷建生 莫文玲

（1河北联合大学理学院，河北 唐山 063000；2河北联合大学以升创新教育基地 ，河北 唐山 063000）

物理学是一门和自然界基本规律直接相关的科学，它是研究其他自然科学的重要基础.物理学不仅蕴含着先进生产力，同时也蕴含着先进文化，对人类的未来将起决定性的作用.

在大学物理教学中，结合专业特色，将物理学的知识与学生后续专业课程的相关内容结合起来，让学生体会到学有所用的乐趣，对学生学习大学物理课程和后续专业课程都会有事半功倍的效果.

1 目前大学物理课程的教学现状

1.1 课堂随机调查结果

笔者对大学本科生作了20节课的课堂随机调查，结果如下：

迟到8%；早退2%；认真听课48%；做笔记17%.

玩手机6%；睡觉9%；心不在焉、交头接耳2%.

吃东西2%；接电话、听音乐等做其他事6%.

到课率：一年级94.6%，二年级83.7%.（大学物理课程一般都在大一下半年和大二上半年跨年度开设）.

学生在课堂能认真听课的，只近一半；学生的出勤率呈现高年级比低年级下降的趋势.

1.2 教师中存在的问题和学生的意见

大部分教师的科研任务重，在教学上投入不足，青年教师在教学法上急需提升等原因，直接影响课堂教学的质量.

对教学效果不佳的老师，学生的反映有：老师的讲课不吸引人，上课单调；照本宣科，枯燥无味满堂灌；把PPT当讲稿，面对着大屏幕，不理会学生的反应.

老师不关心学生怎样学习，学习效果如何；学生不知道学这门课有何用；……如此种种现象导致学生没有学习的兴趣和动力，教师也有失讲课的信心和激情.

如何提高课堂教学质量？我们认为：课堂教学关键在于激发学生的学习兴趣，把好奇心（人的本能）向对知识的探索方向引导（求知欲）.根据学生专业课程特点、结合学生需求精选教学内容，让学生感受到学以致用.

2 大学物理课程与专业课程知识相结合的教学改革

物理学是自然科学的核心，是新技术的源泉.在大学物理课程教学过程中，不仅要注意物理学的系统性，同时也要注重与后续专业课程的结合.下面是笔者的一些体会。

2.1 把大学物理课程的特点与作用讲到位

大学物理课程是高等院校理工科各专业学生的一门重要的基础课，其内容包括力学和相对论、波动学、热学、电磁学、近代物理5部分.有几种重要思想：一是微积分的思想.公式推导定量表示时广泛运用微分、积分的知识.二是矢量的思想.大学物理课程中大量的物理量的表示都采用矢量，把物理量的矢量放到适当的坐标系中分析，如直角坐标系、平面极坐标系、切法向坐标系、球坐标系、柱坐标系等.三是理想模型的思想.物理中分析问题为了简化，常采用一些理想的模型，如力学中质点模型和刚体模型，热学中理想气体和孤立系统模型，电磁学中点电荷、电流元、电偶极子模型等等.当然，大学物理课程中还存在大量无法直观反映的模型，必须通过发挥自己的想象力来构造出来.

通过大学物理课程的学习，不仅对自然界各种最基本的运动形态及其所遵守的规律能获得较全面系统的认识，同时在研究方法、实验技能、运算技巧、分析能力和独立工作能力方面，也将获得基本的训练.因此，学生学好必要的物理知识，将为更好地学习专业知识和近代科学技术打下坚实的基础，同时通过该课程的学习培养科学的思维方法及分析问题和解决问题的能力.

2.2 让学生了解大学物理课程与其他自然科学及生产技术的关系

物理学和其他自然科学及生产技术是互相促进和互相渗透的关系，是理论和实践的关系.物理学不像有些学科能较易产生直接经济效益，它属于基础学科，但它一旦出现突破，便引起工业革命、技术革命，因而推动社会生产力向前飞跃地发展.例如，18世纪的以机器代替人工繁重体力劳动的工业革命推动了热学的发展.19世纪的电磁学把人类社会带进了电气化时代.20世纪核物理的成果迎来了原子能时代；激光这种新型光源的出现并很快在生产和科学技术中得到广泛应用，对人类社会文明产生了划时代的影响；以半导体物理为基础的电子信息技术，它所引起的技术革命比历史上任何一次对社会带来的冲击都更为巨大，等等.

基于物理学对各种科技领域发展的巨大推动作用，大学物理课程教学中应该注重引导学生关注物理科学的前沿领域，以及物理学与其他学科的交叉和向其他学科的渗透.

2.3 及早提出一些相关专业问题，让学生用大学物理课所学到的知识进行合理解释

2009年，笔者给“光源与照明”专业讲授大学物理课程，在教学中笔者让学生用物理知识合理解释如下的问题：你关注了人们日常生活不能缺少的照明用灯吗？说说白炽灯和荧光灯的发光机理有什么区别？为什么国家推广使用节能灯？你了解当前异军突起的照明新光源LED吗？学生需要查阅热辐射的原理、原子的发光原理，才能了解白炽灯和荧光灯发光机理的区别；需要查阅节能灯的相关知识，了解节能灯的优势；需要查阅LED的热点问题，了解LED的发展趋势等.合理地结合生活实例，巧妙引入专业知识进行提问，将有利于物理教学的深入浅出和因材施教.

类比诸如应用干涉现象测量微小的尺寸，静电屏蔽现象对精密仪器的防护作用等工程应用，引导学生找出自己专业领域能够正确使用物理学理论合理解释的相关难题.例如对“光源与照明”专业的学生，笔者提出如下工程问题：机器上的主轴断了，应从力学的哪个角度分析？发光二极管的理论依据是什么？激光刻录和激光点焊的原理是什么？引导学生带着问题去学习，反过来更能提高他们学习大学物理的积极性.

2.4 注重结合专业问题的讲解，让学生体会到专业课程对大学物理课程的相依性

给“光源与照明”专业讲授大学物理课程，笔者注意到光学理论是进行灯具设计的重要理论依据.一方面照明主要是为人的视觉服务，为此需要了解人眼的视觉功效，对于视觉敏锐度（即视力）可从波动光学的角度进行更精确的分析.由于几何光学的成像是一个物点对应一个像点，而波动光学是一个物点对应一个艾里斑，笔者在讲到圆孔衍射时，结合人眼视力的评定标准使学生容易理解瑞利判据，也对人眼视力的概念有了更深刻的认识.另一方面因为偏振光是产生眩光的重要因素，为减少眩光的作用，在灯具中须采用特殊设计的反射罩，使其射出的光线成为竖直方向振动的偏振光，这种光在工作面上反射时，没有水平方向的偏振光，因而就没有眩光.在讲到偏振时重点介绍自然光和偏振光的区别，以及如何获得偏振光，帮助学生理解特殊反射罩的设计.

2.5 突出强调物理学的研究方法是突破新学科理论研究瓶颈的切入点

物理学中建立理想模型的思想和方法，在学科的理论研究中起到了重要作用.突出主要因素，忽略次要因素，才能总结出符合实际的规律和理论，使规律和理论更具普遍性.例如“光源与照明”专业的“阴极电子学”课程中在讲解纯金属热电子发射模型的建立时，总结出用钨做纯金属阴极的热电子发射规律，就是一个成功建立理想模型的应用实例.

在物理学研究中形成和发展了多种形式的科学方法，比如类比的方法，德布罗意运用类比的方法把实物粒子与光进行类比，由光的波粒二象性预言实物粒子的波粒二象性，最后导致波动力学的建立，这是物理学运用类比方法的光辉典范.再比如假说的方法，假说是物理学创造力的表现，1861年麦克斯韦对变化电场产生感应电动势的现象作了深入研究，大胆地提出了“位移电流”假说，位移电流的引入是建立电磁场和电磁波理论的关键一步.

对于复杂的物理问题，常常需要建立积分方程来解决.解决问题的关键是找“微元”，质点、分子、电子等可称作“微元”，元位移、元功、元电荷产生的元电场、元电荷产生的元电势、元电通量、元电流产生的元磁场、元磁通量等等也是“微元”.“微元”的重要性在于：一旦找到了“微元”，问题无论多么复杂都可以解决，后面的工作就是如何运用数学工具，乃至利用电脑编程去解决问题获得结果了.同样，复杂的工程问题在找到“微元”之后，就找到了解决办法.例如在“光源与照明”专业的“照明技术”课程中“电光源照度的复杂计算”一节，其中的点光源就是“微元”.

在科学研究中恰当运用相应的科学方法，能够在新领域不断产生新的科技成果.例如光源与照明领域利用原子的激发辐射发光，科学家研制出多种气体放电光源，类比带电粒子复合发光，成功研制出半导体场致发光二极管LED，LED作为备受推崇的绿色照明光源，正在开启人类照明的崭新时代.

2.6 引导学生重视物理学提供的科学研究的基本训练

物理实验的独到设计，反映出科学大师严密的逻辑推理和超乎寻常的创造性思维.比如历史上著名的夫兰克－赫兹实验，它是玻尔量子化能级假设的一个决定性证据，也是原子能量的发射和吸收具有量子化特征的一个重要证明.实验证实，当外界提供的能量正好等于原子内两能量状态的能量之差时，才被原子吸收.遵循物理实验的设计思路，在科学研究过程中合理设计实验，对科研开发的成功具有重要意义.

3 结语

我们来描绘这样一棵知识大树：基础科学是树根，应用科学是树干，有效益的科技成果是果实.物理学这门理论和实验高度结合的精密基础学科正在用它巨大的根基为知识大树输送着丰富的营养，结出累累硕果，使得科技成果频出.正因如此，大学物理课程教学与专业课程的合理结合，不失为给学生描绘知识大树的有效模式.

当然这样的教学改革对教师也是一个很大的挑战，教师要了解所授课学生的专业课程内容，进行精心的教学设计，巧妙衔接物理学理论和专业课程知识.通过在不同专业学生中实施这种教学改革，取得了很好的效果.学生的出勤率有所提高，认真听课的学生人数明显增多.学生知道了为什么要学习大学物理，不仅能够积极主动地思考问题了，而且能想方设法去寻找解决问题的办法.

［1］ 赵凯华.20世纪物理学对科学、技术的影响，物理学照亮世界［M］.北京：北京大学出版社，2005：1－28.

［2］ 韩仙华，等.人才培养的复杂性和物理教学，大学物理课程报告论坛文集［M］.北京：高等教育出版社，2005：325－328.

［3］ 刘敏蔷.物理教学中运用“微元法”培养学生分析问题的能力，大学物理课程报告论坛文集［M］.北京：高等教育出版社，2005：98－100.

［4］ 张春华，范仰才，谭诚臣.应用型人才培养模式下的工科大学物理教学改革探索［J］.物理与工程，2012，22（4）：50－52.

［5］ 罗文华.大学物理教学改革的对策［J］.物理与工程，2013，23（4）：34－36.