大学物理课程节点教学法的研究与实践

2014-08-15梁裕民李正群顾学文郭文刚康慧珍

军事交通学院学报 2014年8期

梁裕民，李正群，顾学文，郭文刚，康慧珍

(军事交通学院基础部，天津300161)

教学内容与方法的改革是教学改革的核心，作为具有悠久历史的大学物理课程，其内容的广泛性、传统性和基础性却制约了这两方面的变革［1-2］。军事交通学院在教学实践中，以培养学员综合素质为准绳，创造性地继承经典的课程体系，切实以研究问题和处理问题的方法为导向，辨证地组织传统的教学内容，将整体课程从方法、内容、数学工具和施教媒体4 方面系统地进行规划，并以节点的形式有机地结合在一起，形成了以方法为导向、内容为基础、数学为依托、媒体为载体的立体节点式的课程教学体系，在教学实践中取得了良好的效果。

1 大学物理课程教学的定位及节点教学的概念

1.1 大学物理课程的教学定位

单门课程的教学定位应服从学员整体的培养方案。为实现数理基础扎实、专业知识宽厚和自修能力完备的总体培养目标，大学物理课程教学应重点把握方法体系的传授、数学工具的应用和普遍问题的研究3 个方面。

大学物理课程的教学内容涵盖了科研及工程中的普遍问题。引导学员对不同研究对象应用恰当的研究方法，全方位地对普遍问题进行学习，在建立完备方法体系的同时，以课程中丰富的物理模型为基础，培养学员将实际问题转化为数学模型，进而进行定量分析，并最终利用数学工具解决问题的能力，对学员今后的实际工作具有深远意义。这种突出方法、重视内容、强化定量的课程教学定位，使方法体系、教学内容和数学工具紧密交织、相互促进，形成以方法为导向、内容为基础、数学为依托的教学体系。

1.2 课程节点教学的概念及体系

节点是网络线路连接构成的物理和逻辑意义上的联通交汇点。笔者所定义的课程节点，就是大学物理课程教学中的方法主线、内容主线、数学工具主线和媒体主线的联通交汇点，以4 条主线联通交汇点为中心展开的课程教学体系，即为节点教学课程体系。

节点教学体系是在建立完整的方法主线、内容主线、数学工具主线和媒体主线的基础上展开的，整体的教学架构也变为主线定位、选择节点、构建链接、主线融汇和主线归复5 个过程。主线定位是依据课程标准，将教学目标在4 条主线中分别定位，除对方法、内容和数学工具的要求外，为实现“利用恰当的手段讲解恰当的内容”的目的，还要对教学媒体进行定位;选择节点是以1 个或几个完整的教学单元为单位，将分立的4 条主线利用聚敛思维关联起来，遴选物理节点;构建链接是以节点为中心，将4 条主线的相关内容从逻辑上进行分布，构建最佳链接次序;主线融汇是在1 个教学节点上，对4 条主线的内容进行综合讲解与应用，以提高学员解决实际复杂问题的能力;主线归复是将节点关联知识重新回归到4 条主线上，恢复各自主线的完整性。节点课程教学体系将完备的方法主线放到了课程的导向地位，将综合运用数理知识能力的培养作为教学的中心目的，将教学媒体的选择提高到教学体系的高度，充分体现了教学布局的规范性，而体系中灵活的节点遴选机制又充分保证了教学实际中的可操作性。

2 大学物理课程节点教学法的实施

2.1 方法导向下4 条课程主线的构建

2.1.1 构建方法主线，引导教学进程

方法主线在教学进程中起着导向作用。笔者将大学物理课程中的隔离体法、能量法、守恒法、类比法、组合法、选系法、参考系变换法、演绎法、统计法、对称法、力线法、特解法、旋转矢量法、图线法、波阵面法、波程差法、半波带法、驻波方法、近似法及量纲法等20 余种方法，按照物理学方法论的解释原理、简单性原理、统一原理、守恒原理、对称原理、数学化原理、对应原理、互补原理、可观察性原理和基元性原理等10 大原理，以方法体系为纲，着眼于学员分析问题和解决问题能力的培养，结合内容主线，构建结构科学、层次清晰、内容充实的方法主线，为课程节点教学勾勒出纲领性脉络。

2.1.2 构建内容主线，做实教学基础

大学物理课程的内容体系具有很强的传统性和经典性。在构建内容主线的过程中，针对方法主线中同一脉络的不同部分，重组教学内容，创建新的教学节点，按照课程标准，为方法与内容的讲解构建新的内容主线。例如，质点学、刚体学、振动与波、相对论4 部分的教学内容差异很大，但方法主线都是由运动学切入，进而进行动力学分析，再由时空积累效应过渡到守恒问题;数学工具主线又均为矢量、微积分和微分方程，根据其特点，构建主讲质点学、类比刚体学、分析振动与波、综合相对论的内容主线，将方法和数学工具主线与内容主线融合在一起，形成以内容为中心的教学节点，使整体教学体系建立在新的内容主线之上。

2.1.3 构建数学工具主线，提高学员数理能力

从总体培养目标出发，对学员应用数学工具研究普遍问题能力的培养，与方法能力的培养同等重要，构建完整的数学工具主线，对达到培养目标具有良好作用［3］。笔者将大学物理课程涉及的数学分析、场论、概率论、复变函数、数理方程和线性代数6 门课程中的30 多种数学工具，按照应用内容，构建数学工具主线，将物理思维和数学思维高度融合，3 条主线有机融汇，使整体课程体系更具有可操作性。例如，微积分的分析方法是大学物理课程中的基本数学工具，从质点运动学到质点动力学，从功和能到刚体转动，从静电场到稳恒磁场，都有用微积分来解决的问题，笔者将微积分这一数学工具作为一个教学节点，从微积分的分析思想去把握物理方法、解决物理问题，在课程内容的展开与学员数理能力的培养方面取得了良好的教学效果。

2.1.4 构建媒体主线，完善课程体系运行细节

正确的教学媒体选择，对完善课程体系的运行细节和提高教学质量具有事半功倍的效果［4］。笔者对板书、投影片、录像片、演示实验和CAI 这5种大学物理课程教学媒体的特点进行研究，形成了逻辑层次性强的板书讲授、结构体系强的投影片讲授、动态形象化强的视频讲授、实效认知性强的演示实验讲授和参数可控的精确数据处理下的CAI 讲授5 种媒体讲授形式，依托方法、内容和数学工具主线，根据教学特点和媒体特色，以教学效果为根本，择优配比，使各种媒体相互配合、相互补充，形成大学物理课程多媒体辅助教学架构方案，建立起完整的教学媒体主线，突出节点教学的环节精细化和思维发散化的宗旨，提高了教学效益。

2.2 节点选择原则与链接构建的方法

2.2.1 节点选择原则

教学节点从本质上讲就是1 个或多个完整教学内容中多条主线的融汇点。当出现多个节点时，应优先遴选4 条主线完备的最佳节点;数学工具和媒体主线应遵从方法和内容主线的走向;对主线缺失的节点，应优先考虑方法主线完整，可牺牲一些内容系统性来保障思维的连续，提高学员求知状态系数，强化其认知能力的培养。节点的选择应充分发挥聚敛思维的效能，但应依托1 条主线发展——这条主线应保持普遍性的最大化、系统性的最优化和复杂度的最简化，从而体现教育以人为本的理念。

2.2.2 节点链接构建的方法

以方法主线为节点中心的链接构建，重点在于与其内容主线的融合。例如，在力学、热力学、电场、磁场和量子物理中，分别讲授动量守恒、角动量守恒、机械能守恒、能量守恒、电量守恒、质能守恒等内容，虽然相关教学内容贯穿了整个课程，但它们具有1 条共同的方法主线，即以守恒法为教学节点，针对不同的守恒类型，分别选择演示实验、计算机模拟、理想实验和板书为讲授媒体，应用矢量、微积分、极坐标、坐标变换等数学工具，总结出守恒法中守恒量选取的规律、过程量与状态量关联性的确定、守恒形式的推导、守恒条件的判定4 大原则，在深化教学内容的同时，将4 条主线紧密结合在一起，使学员切实掌握守恒法在不同问题中的实际应用。

以内容主线为节点中心的链接构建，适用于物理体系清晰、方法和数学工具类比性好、内容对称性和研究顺序性强的内容。例如，动量和动能的讲解，从物理体系上看，就是力分别对时间和空间的积累，对称的过程量分别为冲量和功;从数学工具上讲，两量分别属于矢量与标量，两者既对称又不同，矢量特性使动量定理具有方向的定义，标量的特性将势能概念引入动能定理，进而引出功能原理。在教学过程中，笔者从内容主线出发，将动量和能量结为1 个教学节点，对不同的研究对象应用相似的分析方法、分析顺序和数学工具，使分析过程具有普遍性和可推广性。

以数学工具主线为节点中心的链接构建，适用于物理学与数学结合紧密的教学点。例如，重力场、万有引力场、温度场、熵、电场、磁场等教学内容，其数学工具均为场论;而保守力、非保守力、场强、势能、高斯定理、环路定律、有源场、无源场、梯度、散度、旋度等概念，属数学和物理学共有。以数学工具主线为教学节点，将物理学的方法与数学的思想融会贯通，为数学场论提供6 个不同机理和类型的实际场模型，对有源无旋和无源有旋2 种场，应用1 种数学工具进行物理分析，为抽象的数学方法赋予明确的物理意义，极大地提高了学员应用数学定量解决普遍问题的能力。

以媒体主线为节点中心的链接构建，应贯彻立足内容要求、结合方法特征、注重教学效果、充分发挥媒体优势的方针。这里的教学效果不是越直观、越明了越好，教学的本质应该是思维训练。例如，在相对论时空观内容的讲解中，笔者就依据内容和方法特征，以媒体主线为节点，选择板书加思想实验作为教学媒体，从经典时空观到伽利略相对性原理，从洛仑兹变换到时间膨胀和长度收缩，以理想的“投球实验”(虚拟实验)为切入点，通过严谨的数学变换方法，逐步呈现经典时空观的困难，进而建立正确的相对论时空观，虽然没有现实生活中的实验可举例，而且过程抽象，但是由教员“一笔一笔”层层深入地带领学员逐步把握住相对论的物理基础和逻辑本质，实时处理学员在每个逻辑点可能出现的问题，教学效果远比实施其他媒体的跳跃性讲解好。

2.3 节点教学体系下主线的融汇与归复

2.3.1 节点教学中主线融汇与归复的目的

节点教学中的主线融汇与归复主要指方法、内容和数学工具的融汇与归复。主线融汇是指在教学节点上4 条主线内容的综合应用;主线归复是指将节点关联的知识重新回归到4 条主线上，恢复各自主线的完整性。主线融汇与归复的目的分别为强化综合能力和完善主线架构。在实际教学中，笔者重点处理方法主线，采取“捋脊骨，顺肋骨”的办法，以方法主线为“脊骨”，将同一类型的方法结合在一根“肋骨”上，将大家熟悉的内容主线以方法为基准实施整合，突出各种方法间的联系与不同，一环一环地接牢“脊骨”，不仅在内容主线上进行横向比较，还在方法主线上进行纵向比较，以方法为导向，切实提高学员分析问题和解决问题的能力。

2.3.2 节点教学中主线融汇与归复的过程

节点教学中的主线融汇与归复不但在常规教学中实施，而且还贯穿整个教学过程，贯穿于章节总结课中。在绪论课里，笔者就开始考虑章节总结课的内容，切实以勾勒各条主线为目的，统一协调、统一安排，在恰当的教学节点，应用恰当的教学方法，安排具体的内容，突出不同主线上的联系点，并点明教学层次，确实使各条主线在课程教学中起到画龙点睛的作用。笔者将这一作法形象地称为“实施硬盘式教学”，即在绪论课上就给学员介绍方法、内容和数学工具主线的结构，就像硬盘的格式化;在课堂教学中按结构逐步将“硬盘”写满;在最后的总结课中依照“硬盘”的树状目录结构，理清主线的脉络，使整个课程浑然一体且体系清晰、层次分明。

3 应用情况和实践效果

大学物理课程的节点教学法自2011 年在军事交通学院实施以来，在“教”与“学”两方面均取得了良好的效果。

一是教员的教学能力得到较大的提高。教研室在各项教学活动中屡获殊荣，包括2 人获军队院校物理教学竞赛一等奖，1 人承担军队院校北京协作中心物理教学观摩课，获军队院校北京协作中心物理教学竞赛一、二、三等奖各1 人，1 人获学院教学竞赛一等奖，1 人获学院课堂教学质量抽查第一名。特别是2013 年，2 人分别以高职组和中职组第一名获得学院基础部教学竞赛特等奖，1 人获得军队一等奖，充分体现了团队的综合教学素质，说明节点教学法对教研室整体教学能力的提高具有持续性支撑作用。

二是学员的创新能力得到较大的提高。参加4 届天津市大学生物理竞赛，获得8 项特等奖、13项一等奖、34 项二等奖、45 项三等奖，获奖比例高出竞赛平均获奖比例10%;参加3 届中国大学生物理学术竞赛，获得2 项团体二等奖、1 项团体三等奖，尤其是2013 年，在以“211”和“985”院校为主体的全国38 所参赛院校中，与北京大学、清华大学、南开大学和国防科技大学等名校同场竞技，最终以综合成绩第五名获得二等奖，在参赛院校中引起广泛关注，体现了大学物理课程节点教学法的实践效果。