基于“物理过程”的文科物理教学方法改革*

2019-08-20王晓鸥张伶莉曹永印黄喜强刘志国王天鸿张子静赵远

物理通报 2019年8期

王晓鸥张伶莉曹永印黄喜强刘志国王天鸿张子静赵远

(哈尔滨工业大学理学院黑龙江哈尔滨 150001)

1 引言

文科物理是为高校人文及社科等专业学生(即文科类学生)开设的物理课程，属于通识课程.文科学生与理工科学生不同，其一，他们的数学功底薄；其二，他们将来不从事具体的技术工作.他们需要弥补的是物理学的思维方法，需要提升的是逻辑思维能力.物理学作为自然科学的基础，其研究方法适用于一切科学领域(包括人文科学).给文科学生开设物理课的目的是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[1～4].因此,在文科物理教学中,一要突破物理的常规教学方式,不要求严格的推理和计算；二要重新优化教学内容,构建以知识、素质、能力为目的课程体系；三要将教学的重点放在物理学对社会发展的影响.

传统的教学方法是先介绍物理概念，然后进行理论推导，最后讲解例题.这样的讲课方式，虽然逻辑严谨，但对文科学生来说显得枯燥、乏味.因此，文科物理的教学方法应与理工科学生的教学方法不同.为了了解文科学生对物理课的需求，2017年我们对外语学院学习文科物理的学生做了调研，其结果如图1和图2所示.

图1 学生希望学到什么及其占比

图2 学生希望的课程教学

从调查结果看，绝大多数文科学生希望学到物理常识和理性思维，这也是我们开设文科物理课程的宗旨；对于课程教学45.70%的学生希望理论讲解与实验结合，25.70%的学生希望教师讲解与学生讨论相结合，17.10%的学生希望生动有趣有实例讲解.

针对绝大多数学生对文科物理课程教学的需求：“理论讲解与实验结合、教师讲解与学生讨论相结合、生动有趣有实例讲解”，2018年，我们在文科物理教学中实施了基于“物理过程”学习的教学方法.这是以物理过程为引领，让文科学生在操作、观看、思考物理过程中学习物理规律，建立物理思维方法，提升科学思维能力.

2 基于“物理过程”学习的教学方法

“物理过程”是指研究对象在研究期间发生的各种物理变化.基于“物理过程”学习就是：第一步，先将物理过程(如演示实验、物理过程视频或展示物理过程的动画以及生活中的事例)展示给学生；第二步，引导学生分析各种物理量变化，从分析中找出各种物理量的变化关系；归纳总结出物理规律(如定理、定律等);第三步，再将物理过程展示给学生，目的是:(1)验证定理、定律的合理性、正确性.(2)加深学生对物理规律的理解和记忆；第四步，深入研究物理过程的变化(这部分课利用视频演示变化过程，既能加深理解，又形象生动)；最后，理论联系实际，介绍物理规律在社会生活、生产、工程技术等实践过程中的应用.

基于“物理过程”学习的教学方法突出物理现象，而物理现象可以引发思考、激发兴趣.例如光的双缝干涉现象，首先将一束光射到屏幕上，让学生观察现象，然后再将另一束光射到屏幕上的同一区域观察现象(光照区域亮度普遍增加)；将以上两束光换成两束相干光重新射到屏幕上观察现象(光照区域出现明暗相间的图样)，比较、分析两者的差别，从而引出相干光、相干光源、相干现象等概念，以及光的干涉理论.这种通过物理现象介绍物理概念的方法符合文科学生的形象思维，易于文科生接受；然后，再视频重新展示物理过程，用来验证理论的正确性，以增强学生的记忆；最后，学以致用，理论联系实际，达到开拓学生视野和提升学生创新能力的要求.

3 教学实践

部分文科学生对物理有畏惧情绪，是因为他们弄不清楚物理过程，所以对物理不感兴趣；也有一部分文科学生对物理现象非常感兴趣，但就是学不明白.基于“物理过程”学习的教学方法采用的是，先给学生一个视觉上的冲击(如展示物理过程的演示实验或展示物理过程的视频)，激发兴趣，然后讨论、分析实验现象产生的原因，引导学生掌握物理学的基本概念、基本原理.

例如，在讲解动量定理时，先视频展示：清晨,鸟语花香，迈步林荫道，一片树叶落下,你是什么态度和感觉呢？当然是：毫不在意, 漫不经心. 好不悠闲！如图3所示.但是，若落下的不是一片树叶，而是篮球或铅球，你又是什么态度呢？还能漫不经心吗？一定是快速逃离的，如图4所示.为什么呢？请学生们解释.从而引出动量、冲量和冲力的概念以及动量定理：力的冲量等于受力物体动量的增量.这种方式生动、形象、有趣，既可以吸引学生的注意力，又能非常清楚地介绍物理规律.然后，为了加深学生的理解，再演示一遍视频.最后，演示视频验证物理规律，如图5和图6所示，将套有瓦楞纸的灯泡和不套瓦楞纸的灯泡从同一高度(如高的凳子上)推下(如图5)，灯泡落地后发现没套瓦楞纸的灯泡碎了，而套瓦楞纸的灯泡却完好(如图6).

图3 飘下落叶

图4 飞来蓝球

图5 处于同一高度的套瓦楞纸和不套瓦楞纸的灯泡

图6 套瓦楞纸和不套瓦楞纸的灯泡落地后的效果

看完视频后，引导学生从动量定理的角度分析为什么没套瓦楞纸的灯泡碎了，而套瓦楞纸的灯泡却完好？学生很容易掌握冲量、冲力的概念以及动量定理，然后再让学生举出生活中与冲量、冲力以及动量定理相关的事例，用于加深印象和理解.

再如，前面提到的光的双缝干涉，在了解了相干光、相干光源、相干现象等概念后，为突出实验现象，吸引学生的注意力，先让干涉条纹闪烁几次，引起学生注意后，再简单介绍相关的光的双缝干涉理论.这里需要注意的是，对文科学生一定不要给出太多的公式推导，要多介绍物理图像和物理思维方法.如引起干涉条纹变化的因素有：双缝的缝宽、双缝到观察屏的距离以及入射光的波长λ等.

图7给出了入射光波长λ=632.8 nm的红光和λ=532.0 nm的绿光的干涉条纹对比图，由图可明显看到条纹宽度与波长成正比；此外还可以看到，除中央明条纹外，其他条纹的位置随波长的减小向中央明纹处移动，从而引导学生联想若用波长更短的蓝光、紫光会看到什么现象？若将所有波长的光(即白光)照射到双缝上又会看到什么现象？在学生给出答案后，播放白光双缝干涉实验的视频，验证学生的答案.学生看完视频后都非常兴奋.

需要注意的是，选择物理过程时，要尽量选择那些与日常生活关系密切的，这对文科学生来说更容易接受.如讲薄膜干涉时，先让学生观察肥皂泡，色彩斑斓的肥皂泡引起学生极大的兴趣(如果有条件的话，可以让学生亲自动手操作，效果更好)，然后讲解肥皂泡上产生彩色图案的原理(薄膜干涉).