大学物理“问题驱动”法教学实践

2018-05-14李耀宗华雪侠

咸阳师范学院学报 2018年2期

马晴，李耀宗，华雪侠

（咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西咸阳 712000）

大学物理是理工科非物理专业的基础课程，它不仅为学生学习专业知识奠定学科基础，还使学生在科学素养、探究性学习能力和创新思维等方面得到培养。钱彦等在对中美高等教育物理课程教学的对比和启迪研究中提到，目前国内大学物理的教学目标、课程设置、教材内容与结构、教学方法、考核方式等与教育发达国家相比还存在很多问题。[1]如果严格按照教学大纲的目标实施教学，固有模式使学生不能很好地与现代科技联系在一起自主学习；理论教学与实验教学的分离，会导致学生的动手能力欠缺；教材内容按力、热、电磁、光、近代物理的传统分类，在经典理论所占比例较大的情况下，不利于物理学与其他学科之间的交叉，容易形成大学物理学“无用”的错觉。

随着科学技术和社会发展的进步，在应用型人才培养模式的大背景下，对大学物理课程教学的改革、思考、探究等从未间断，文献[2-14]对目前大学物理教学现状（生源质量、教学大纲、教材内容、教学手法、课时量、学生学习积极性、社会就业等方面）进行了剖析，呼吁大学物理教学必须大胆革新，优化和调整教学模式和教学方法。冯林等[3]认为批判性思维教学可以促进学生的全面发展，赵言诚等[4]从作业的自主设计入手，避免了学生抄袭作业的现象的发生，同时也可回避70%与高中相似的物理内容，使学生感觉到大学与中学在物理问题分析方法和表述的区别，并提出教师要转变观念，改变教学模式和教学方法，最大限度的发挥大学物理的作用。

“问题驱动”法教学是以学生为中心，以教师引导学生解决问题为主线的教学模式，极大地发挥了学生的主观能动性。针对目前的大学物理教学现状，为保证教学质量，最大限度地激发学生的学习兴趣，充分调动学生学习的积极性，培养学生探究性学习习惯，实现应用型、创新型人才的培养目标。笔者结合咸阳师范学院大学物理课程教学的实际，在教学模式、教学方法、教学手段及教学内容方面进行改革探索，将“问题驱动”法运用在大学物理的教学过程中，通过多年教学实践，发现学生学习大学物理的积极性、兴趣、自主性、社会适应性等均有明显提高。

1“问题驱动”法教学及其特点

课堂教学是教学的主要形式，所以将课堂教学方法的改革作为教学改革的重点之一，并借鉴国内外多所大学和学院相关课程的教改经验，[5-7]发现“问题驱动”法教学能较好地适应学生实际及大学物理课程的特点。

“问题驱动”法教学以客观问题为主线，按照提出物理问题、构建物理学基本概念和模型、设计解决问题途径、引导学生解决问题运用合理的方法、并总结出物理学基本规律的顺序实施教学。其特点是：（1）“问题驱动”法中教师围绕解决实际问题组织教学，让学生在完成问题的过程中学习新知识和新技能，培养学生的综合能力；（2）“问题驱动”法教学的目标明确，内容实用，能使学生感受到学有所用；（3）“问题驱动”法教学可以提高学生的主动参与意识，激发学生学习兴趣。

2“问题驱动”法教学设计

为实现大学物理课程的教学目标，要求教师必须转变教学理念，从传统的以“知识”为主要目标的教学理念向以“能力”为主要目标的教学理念转变。教师在课堂教学中要营造物理学探究问题的情景，让学生体验物理学发现问题、研究问题、解决问题的过程，使学生了解物理学与自然、生活、社会发展的关系。根据大学物理课程的特点和课程教学面临的困难，笔者经过多年的教学研究与实践，在课堂教学中应用“问题驱动”法教学。为了有效提高教学效果，特提出如下原则：

（1）在生活实际、生产实践、物理现象、科学实验等学生熟悉或学生感兴趣的领域中，发现和总结与课程教学内容密切相关的问题，如热学中的相变——雨滴的形成过程。

（2）从普遍性的问题导入教学单元及各章的教学内容，以较具体的问题导入各节次的教学内容。通过问题使学生了解教学单元及章、节的研究目的和任务。如拉车、骑车、汽车在路上行驶等力学问题，引入力与运动及其关系。

（3）以问题的准确化、简单化导入章节内容涉及的概念与模型。如点电荷、质点、刚体、弹性体、流体等理想模型。并概括出物理学模型既可以是系统对象模型，也可以是过程或条件模型。

（4）围绕物理问题的表述导入数学方法。如不同形状的带电体产生电场与点电荷产生电场的关系等问题。在物理学研究中，注意实验、归纳、推理演绎、对称性、类比、假设与猜想等方法的特点、区别及应用条件，从而体现出方法论在物理学探究中的独特地位。

（5）针对不同的物理现象，设计不同层次的探究形式，如讨论、提问、设疑等中间环节，最大限度地让学生参与到教学过程中，获得探索、失败、成功的情感体验，体现学生在教学过程中的主体地位，如落体偏离、摩擦力产生原因等问题的讨论。

（6）根据解决问题时提出的限制条件，明确所得结论（规律或公式）的适用范围和条件。如能量均分定理、牛顿运动定律等。物理学规律及表达形式均有一定的适用范围和使用条件，这往往使学生不能通过有效分析解决实际问题，教师应在教学中重视这一现象。

（7）以例题体现物理学规律的应用及意义。如消防员将不同半径压扁的圆柱带子从有倾角的斜坡上滚下并自动解开会与哪些因素有关？带子全部展开需要的时间与什么有关？生动、具体、趣味、实用性的例题，能激发学生对物理学规律探究的欲望，加深对物理学规律的理解，体验物理学规律的实用性与意义。

（8）以课堂训练检测学生对教学内容的掌握程度，如通过课后思考题的分组讨论，教师可了解学生对教学内容的掌握程度，了解学生的知识水平及差异，有利于因材施教。

（9）以新问题导入下一节课的内容，布置预习任务及作业题。为了提高课堂教学的效率，克服教学课时不足的实际情况，督促学生课后预习非常必要，同时也培养了学生的自主学习习惯。

3“问题驱动”法教学的实施案例与分析

下面以静电场能量1节教学为例，介绍“问题驱动”法教学的具体实施步骤。该节教学目标是掌握静电场的能量分布及其探究方法，为导入主要内容首先设计了“真空中带电体系中相互作用势能分布于哪里？”的问题。计算真空中两个点电荷系统的势能，它应等于将一个点电荷从无限远处移到系统中电场力做功的负值，即

显然，当q1,q2一定时，We与r有关，可见这个能量存在于点电荷外部的电场中。当r改变，空间电场分布发生变化，导致电荷之间的相互作用势能也随之改变，所以电场能量分布在电场之中。

一个例子不足以得到普遍性的结论，再来分析真空中均匀带电球面的电场能，它应是将无限分散的电荷均匀聚集在半径为r的球面上外力克服电场力做的功，即

此处r为均匀带电球面的半径，电场分布在球外空间。r变小，说明电场分布区域变大，反之，r变大，电场分布区域变小，仍然说明电场能与电场分布的空间相关，随电场分布的变化而改变。

当r→0时，均匀带电球面模型转化为点电荷模型，（1）（2）两式所得结论一致。

既然电场能存在于电场之中，为进一步探索电场能量分布遵从的规律，那么“静电场能量分布规律与电场分布存在什么关系？”即要探讨能量密度与电场强度的关系。为计算方便，以学生较为熟悉的平行板电容器中的均匀电场为例，在真空的情况下，引导学生计算平行板电容器充电后存储的电能，即电源移动电荷克服电场力做的功，可得

为了揭示电场能量密度与电场强度的关系，进行变量代换，即用电场强设E及电容器极板间体积V为变量，则得

因为电容器存储的电场能存在于电容器两极板之间的电场之中，且为均匀分布，则能量密度为：

式（5）再次表明，电场能不仅分布在电场中，而且电场能的分布规律与电场的分布规律密切相关。上述结论是否具有普遍性？可以再计算均匀带电球面产生的非均匀电场的能量密度加以验证，从而将由特殊电场分布得出的结论推广到一般情况。另外，以能量密度这个物理量为对象进行讨论，一方面使学生看到，能量密度不仅是计算静电场能的一种方式，更揭示出电场的物质性，从而加深对静电场的认识。

对于电介质中的静电场的能量密度问题，仍然可以仿照上述过程，通过类比方法得出

此结果还可推广到任意电场分布及时变电场。正是因为电场具有能量，地面才能接受到太阳辐射的能量，植物才能进行光合作用。

综上所述，该节课在两个具体问题的引导下，通过特殊电荷分布模型，计算了电场能及能量分布关系，给出了电场能的分布区域后与电场的关系。既给出了电场能量的定量计算方法，也说明了其物理本质，在问题的解决过程中也体现出物理学认识物质世界的基本方法。同时在教学过程中，营造了发现和探究物理问题的情景，培养了学生解决物理问题的能力，体现了以学生为主体、以教师为主导的教学理念。

4结论

“问题驱动”法教学就是通过精心设计的各类问题，可使新教学内容的导入合理、自然，激发学生的学习兴趣。由于教学活动在不同层次问题的驱动下，基本围绕解决问题分阶段、分步骤进行，研究目标明确，引导学生主动思考，从而降低了学习难度，提高了课堂学习的积极性。

“问题驱动”法教学的基础是发现和提出问题，由于大学物理课程教学内容与生活实践、自然现象、工农业生产联系密切，只要在已有知识的基础上勤于思考、善于类比，不难找到与各章、节内容相适应的问题。“问题驱动”法教学的实施过程也是问题的探究过程，通过客观问题的提出、建立对立模型、具体分析、选择实施方案，最终获得解决的过程。在此过程中，培养学生探究性学习习惯，培养学生解决实际问题的能力。在“问题驱动”法教学的基础上，如果配以实际演示、电脑模拟和多媒体课件等多种教学手段，可大大增加学生对物理规律的直观认识，增大课堂教学的信息量，有利于教学效率的提高和教学效果的进一步改善。

参考文献：

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[3]冯林，乔婵，张崴.批判性思维教学的实践与思考[J].煤炭高等教育，2015，9（5）：106-109.

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