教师专业素质对提升大学物理课程质量的作用*

2020-03-15郑继明王晓辉贺庆丽郑新亮

高等理科教育 2020年3期

赵佩郑继明王晓辉贺庆丽郑新亮

（1. 西北大学物理学院，陕西西安 710127；2. 西北大学光子学与光子技术研究所，陕西西安 710127）

物理学是现代科学技术的基础，公共基础物理课程“大学物理学”中所体现出的科学思维以及认识论和方法论，对学生现代科学技术知识结构的形成所起的潜移默化的作用是其他任何课程都无法取代的。对于理工科大学生来说，大学物理学课程的授课时间正好是他们升入大学的第一年，本课程的学习也是他们深入学习后续专业课程的桥梁。由于近年来中学的“课改”与大学物理学课程的教学出现了脱节现象，且理工科大学新生的物理基础普遍较薄弱，某些学生在中学阶段的一些学习方式和习惯也给大学教育以及学生创造力和想象力的发展产生了负面影响［1］，这些都对高校大学物理学课程的教学提出了新的要求，而高校教学质量的提高和教师专业知识、教育教学理念等因素密切相关。本文针对担任非物理专业大学物理学课程的教师应该具备的专业素质提出了一些看法，探讨了教师所具备的专业素质对实现教学目标所起的关键性作用。

一、任课教师应具备的专业素养

（一）深厚的物理与数学基础

基础物理教学有三个层面的目标：一是掌握基础物理学的基本概念、基本定理及基本规律；二是掌握数学建模的方法，使学生具备初步的应用微积分解决物理问题的能力；三是掌握物理思想，深刻领会物理学中所蕴涵的博大的物理精神。对此，担任大学物理学课程的教师应该具备以下基本的物理与数学方面的素质：

1. 深刻领悟物理思想

物理学是一门在实验和观测的基础上，应用抽象思维和逻辑思维推理去理解物质世界的构成及其动力学的科学，这些特征使物理学在自然科学门类中始终处于先导地位。因此，教师应在基础物理和理论物理的基础上，深刻理解大学物理学课程中的逻辑思维及逻辑结构，这样才能讲好基础物理的基本思想，阐明物理学中所包含的由宏观到微观、由表及里的认识论，展现出物理学探索物质世界的构成及其运动规律的科学精神。

例如，大学物理学中的原子物理学是一门引导学生从经典物理向近代物理入门的重要部分，也是本课程中最具挑战性的内容之一。它的思维方式、研究方法与宏观领域完全不同，非常抽象。其中最重要的是对波粒二象性的认识，它突破了经典物理“确定论”的思想，成为量子物理学的基石之一。对此，教师应该从科学家们对物理现象和物理规律逐步深入的探究中，认识每种物理理论的条件性、局限性，认识物理理论的相对真理性。这样才能在教学中帮助学生更好地理解物理学发展的曲折性和物理思维的独特性，并通过物理学的理性思维训练，逐步培养大学生独立思考、尊重客观事实的科学精神［2］。这里我们结合物理学史，从氢原子的光谱分析去探索氢原子的模型；由汤姆逊的原子模型到卢瑟福散射再到玻尔的原子模型，最后介绍薛定谔方程；从能量子概念引出光量子概念，再引出物质波的概念。这样讲述不仅使学生了解物理学是如何在实验的基础上逐步探索物质的微观结构以及领会物理规律的逻辑思维，同时从波粒二象性概念的提出过程学生也得到这样的启示，科学具有诱发性，一种思想会诱发一个理论的产生，任何科学理论的确立都必须经历曲折的过程，都必须经得住时间和实践的检验。事物总是在不断地发展与变化，而人们只能从事物的现象中去猜测真理，去接近真理。物理学的这种研究方法，对于非物理专业的理工科大学生的科学素质的提高起着不可替代的作用。

2. 高层次物理学的知识储备

当代科学技术的快速发展以及近年来大学物理学课程内容的改革，促使教师必须掌握教学改革后的相关教学内容，同时必须具有比基础物理学的讲授内容更广更深的物理学知识储备，而不能仅以教学大纲或一本教科书的内容为限，这样才能站在更高的角度去阐述基础物理的教学内容，才能深入浅出地剖析问题，从而把自己对知识点的理解呈现给学生。我们推荐费曼著的《物理学讲义》，让教师从中学习物理学大师是如何透彻洞见和精辟理解基础物理学的。

比如在讲授“引力”问题时，我们采用透视历史的方法来引入万有引力定律，在此基础上讨论引力的现代问题，诸如引力红移和引力塌缩以及引力波探测等问题，和物理学的前沿相衔接；然后回过来处理二体开普勒问题的理论，使学生能切实掌握相应的理论方法［3］。

3. 扎实的数学基础和数学建模能力

物理学是一门定量的科学，数学对于物理学而言，不仅能够定量描述物理量之间的变化关系，更是一种分析物理系统的结构及其动力学的强有力的推理工具，它为物理理论的演绎提供了具有逻辑思维的数学模型。因此，教师需要具备扎实的数学基础和掌握数学建模的思想，才能在教学中讲清物理系统中复杂的规律是如何通过各种合理的近似、推理，得出简明的数学表示式的，从而培养学生用数学的意识和观点去观察、解释和表述物理问题的能力。

最直接的例子就是牛顿和莱布尼茨在对质点运动的描述上，产生了微积分的概念，并建立了描述质点运动的微分方程，这是物理学与微积分学内在联系的最基本的范例，同时也解释了“飞矢不动”悖论的错误根源。

另外，在大学物理学课程中，很多物理定律都是由实验数据最后拟合成描述物理规律的公式，这种对“实验数据的拟合”的方法，需要熟悉数学中的函数关系和物理量之间的关系才能“猜”出，或是用数学中一些逼近的方法（例如帕德逼近、泰勒级数展开近似等）构造出来，这是数学建模中一种非常重要的方法。我们可以结合教学内容的讲授，使学生了解实验数据拟合和理论推导相结合的重要性。

例如，在讨论黑体辐射问题时，我们介绍了在分析拟合大量实验数据的基础上，产生的斯特藩—玻尔兹曼定律和维恩位移定律。而普朗克在综合了维恩公式和瑞利—金斯公式各自的成功之处之后，进而给出了与实验数据惊人吻合的普朗克辐射公式［4］141-143。这里，普朗克的能量子思想是与经典物理学理论不相容的，但正是这一新的思想，使物理学发生了划时代的变化。在讨论了热力学与统计物理学后，我们又能够用量子统计的方法进一步分析空腔内辐射场的能量密度和黑体辐射的规律［4］140，帮助学生进行比较和深入理解。

总之，对于担任“大学物理学”课程的教师，首先必须对物理学的基本内容和逻辑结构下工夫钻研。对本课程中涉及的物理学历史、现状和前沿等方面，从整体上都应有全面且较深入的了解；其次，还需要把自己对物理学的思维和探索研究的方法融入教学内容中，培养学生判别正确与错误的能力；另外，教师所具备的扎实的数学功底和数学建模能力对于提高教学质量也同样重要。

（二）以科研促教学，教师要把科研的思维和视界融入教学中

1. 有些基本内容，用新的观点来阐明

大学物理学课程的教学目标之一是提高学生的科学素养。因此对一些基础内容，可以尝试用新的或是更直观的观点来讲述，并尽量地融入现代科研中的一些新的观点，在某些知识点上适当地为科学前沿的研究开“窗口”。

例如，关于“质量”的概念，在牛顿第二定律中是在惯性系统下定义的，而在万有引力定律中是在引力系统中定义的，通常的教材都是由这两个公式导出了重力加速度，这里暗含着引力质量与惯性质量相等的前提。当我们较深入地了解爱因斯坦的引力理论后，在教学中才能让学生理解，正是引力质量与惯性质量是否相等的问题促使爱因斯坦对引力质量的本质进行深入思考，建立了新的引力理论。同时说明牛顿的这两个定律是在弱引力场下近似成立，从而使学生认识到物理定律应用的条件和前提，了解科研探索的思想方法。

2. 以研促教，教研相长

作为21 世纪的大学物理教育，至少应该让学生在大学期间接触到物理学的前沿理论，为学生深入了解物理学在科技和工程技术中的应用做好铺垫。对此，教师在研究自己专业问题的同时也需要翻阅与课程知识点相关的现代科研成果的资料，把自己科研中涉及的科学前沿问题的物理思维和研究方法穿插在教学中；或者让有兴趣的学生在课程内容的基础上参与相关的课题。这样既促进了教师的教学研究，也加深了学生对物理学基础知识的理解。

目前，如何将现代物理前沿和当代最新技术成果转化为基础物理教学资源，这已成为本课程教学改革中的一个重要任务。

3. 注意选择课程内容的某些知识点与学生所学专业知识相联系

考虑到当前科学研究综合、交叉、渗透的发展趋势，在教学中我们尝试物理学和相关学科如地质、化学化工、生物等学科之间的交叉互动，使学生感受到自然科学是一个相互有关联的整体。但需要注意的是，这些联系是客观存在，不要人为地、牵强附会地去制造，而是需要引导学生去发现、去感受。

在教学内容的某些专题的选择上，需要兼顾学生专业的需求，适当调整某些教学内容的侧重点；编写或选择与学生专业知识密切相关的例题，尽可能体现教学内容与学生专业知识密切联系的原则。通过教学实践，我们观察到这种做法一方面为后续课程的学习提供了必要的基础；另一方面，也为想进一步深造的学生提供了一条路径，为交叉学科的发展提供了“窗口”。

（三）教师应具备量纲分析的基本知识，重视大学物理学课程中的量纲分析

量纲分析是基于量纲一致的原则，分析物理量之间关系的一种方法，是学习物理和研究物理学问题的重要出发点。但在通常的物理教科书中，量纲理论往往只是顺便提及或一带而过。关于量纲的作用，在教学中也只介绍单位的换算、检查公式的对错等少数方面［5］63。近年来，在各学术刊物上刊登了多篇关于量纲分析在高校物理教学中的应用与探讨的文章，指出了量纲分析在物理学的学习和教学中的重要性，给出了π 定理的具体应用及物理定律的表达式中量纲分析的众多实例。国内外的教材也都给出了量纲分析的一些基本方法，尤其是赵凯华教授的《定性与半定量物理学》［5］一书中，对量纲分析也给出了较系统的描述。对于讲授大学物理学的教师来说，应该具备量纲分析的基本知识，这样在讨论某些典型问题时，通过引入量纲分析的方法，使一些疑难问题迎刃而解。同时，将量纲的概念与物理和数学知识相结合，使学生体会到这种科学分析方法的重要性，对他们以后从事本专业或交叉学科的工作有着重要的作用。

1. 使学生建立量纲分析的初步概念，理解物理规律的基本思想

大学物理学这门课程面对的是一年级的学生，他们基本上没有量纲及量纲分析的概念，我们必须由浅入深地介绍量纲分析的方法。在教学中发现学生学习的困难之一是他们初次接触到微积分的概念，对由微积分表示的物理概念以及如何利用微积分的概念求解较复杂的物理问题感到困惑。我们结合量纲分析法，通过详细解读微积分运算中各项的量纲及物理意义，帮助学生掌握应用微积分的概念理解物理规律中的基本思想，提高学生分析和解决问题的能力。

2. 用量纲分析法定性检验物理定律数学表达式的正确性

如前所述，很多物理定律是在实验的基础上通过数学建模的方法得到其数学表达式。这里，我们需要考虑的是，这样得到的数学表达式是否合理？量纲分析法能够帮助我们进行定性的检验。而且，在物理学中，仅仅靠量纲分析也可得到某些重要结论［5］67。

例如，黑体辐射中的普朗克辐射公式是用复杂的物理量构成的数学表达式，对这个知识点我们可以通过量纲分析，给出公式中每一个物理量的量纲，并且使学生明确指数函数必定是无量纲化的，通过考察公式中指数上各个物理量的量纲，由玻尔兹曼常数的量纲就可以得到普朗克常数的量纲，这种量纲的定性分析，可以初步确定此公式中物理量之间的关系是合适的。在普朗克辐射公式发表的十年后，通过对普朗克常数数值的精确测量，发现普朗克辐射公式与实验结果非常吻合，普朗克常数的确定为量子理论的发展奠定了基础，成为量子物理的标志。

我们知道，任何一个物理公式中的每一个代数项必须具有相同的量纲，因此检核物理公式中每一项及等式两边的量纲，就可以定性地检验各项中的物理量的关系是否恰当，从而定性地分析物理规律的数学表达式正确与否。

在大学物理学课程的教学中我们重视量纲分析，体会到这是培养学生思考问题和分析问题的科学素养的一种积极有效的途径。如果能够结合教学恰当地运用量纲分析法，给学生做好量纲分析的示范，可使学生对这门课程中物理规律的理解进一步提升，以便学生今后能熟练、恰当地应用量纲概念和量纲法则解决一些疑难问题。

二、教师应具备先进的教学理念和教学手段现代信息社会对高校教师教学能力的要求越

来越高。对此，教师需要具备先进的教学理念，掌握现代的教学方法和教学手段。

（一）教师应多渠道更新教学理念

我们可以从全国教学研讨会议、网络、各种教学研究的期刊中吸取兄弟院校教学改革的经验，把适合本课程的教学方法和内容安排在相应知识点的教学中。这种安排的形式是灵活的，有些先进的讲授方法可以直接融入教学中，较长的视频可以直接发给学生自学。例如，将全国教学名师吉林大学张汉壮教授讲授力学课程的教学视频发给学生，其中关于角动量守恒的表演给学生留下深刻的印象，使学生们对角动量守恒定律有了形象而直观的理解。在“慕华学堂”中，清华大学精品慕课名师王青教授先进的教学理念值得我们鉴赏和学习。由此也提示我们，在教学中要十分关注学生的反应，关注和分析学生提出的问题。这些都需要教师不断地学习和分享先进的教学理念和经验，在长期的摸索及不间断的实践中，使教师的教学理念得到及时的更新，使教学能力得到提高。

（二）掌握基本的教学技能及多种教学方法，开展研究性教学

大学物理学课程对于非物理专业的学生而言属于公共基础课程，有些学生对本课程重视程度不够，学习热情不高，这对任课教师提出了更高更多的要求。教师需要掌握基本的教学技能及多种教学方法，开展研究性教学。

1.“物理情境”的教学思想

“物理情境”教学思想的关键是要调动学生学习积极性，因而在具体的教学中，教师的作用是创造不同的学习环境，挖掘和开发学生的积极心态，让学生的情绪进入学习的最佳状态。结合不同的教学目标和教学内容，我们通过分析物理问题的历史文化积淀、物理体系发展过程的科学方法以及物理知识与社会生活的联系，加深学生对基本内容的理解。例如，在讲授电磁学中的基本实验、概念、规律时，重点介绍相关发现的历史过程，通过介绍场、源两派代表人物韦伯和麦克斯韦的观点和主要贡献，以及综合两派把经典电磁理论推向顶峰的洛伦兹的观点和主要贡献，阐明麦克斯韦电磁场方程和洛伦兹公式的由来、含义和地位，指出它们是经典电磁理论的两大支柱。通过学习历史，可以了解真实的发现过程，领略前辈大师的创新精神，还有助于加深对基本内容的理解［6］。在教学内容的选择上，通过引入一些趣味性的学习内容，激发学生的学习兴趣；在数学的处理上，注重数学结论，简化推导过程；在阐述物理问题时，突出物理背景和前景，让学生了解整个物理学的知识结构和图景，培养学生的开放式思维；用物理学史和著名物理学家的人文趣事、而建立物理规律的艰难过程，培养学生科学的学习态度和良好的人文道德。这些举措能够很好地激发学生对所学课程乃至所学专业的兴趣，使学生的学习变被动为主动，走上追本溯源、横向扩展、纵向深入乃至交叉融合的自主学习、探究式学习的道路［7］。

2. 探索多种教学方法，实践开放式教学模式

大学本科教育不是给学生灌输知识，而是为学生终身学习和创新发展奠定基础，这就要重视学生独立获取知识的能力，包括通过书本和实践获取知识能力的培养。针对不同的教学内容，采用多种教学方式或开放式教学模式非常重要。

对于重点内容或学生在学习时感到抽象的物理概念，不是直接搬出结论，而是尝试采用先提出问题、分析问题的背景材料和基本方法，激发学生的探索和发现的兴趣，再给学生提供一个独立思考的空间。通过分析比较的方法，引导学生去发现不同物理现象中的特点。

通过讲座、研讨、竞赛、小论文等多种形式，激发学生学习物理的兴趣。例如，我们通过组织开放式课堂教学实践活动——“让物理走进大众”“物理之夜”“物理知识竞赛”“名师讲座”等活动，增加学生对物理学习的主动性，也使学生将课堂学习与人类生活联系起来，使素质教育融入文化课之中。教学中追求教学方式的多样化与个性化，创设具有吸引力的课堂教学情境［8］，让学生能够体会到物理的美妙之处。

3. 发挥习题在教学中的作用

充分发挥习题在教学中的作用。例如，我们针对历年来学生作业中常见的错误，编制、精选一些典型例题，通过对题目举一反三的分析，使学生加深对基本知识点的理解以及运算技能的训练；强调学生独立思考，可以讨论但不能抄袭，做习题时不以标准答案为目标；鼓励学生对原有题目做出合理修改和推广讨论；有的题目可能没有唯一答案，甚至没有现成答案，鼓励学生提出自己的新方案、新观点；鼓励学生在讨论、质疑、习题、考试、论文中的超常发挥；理解学生在学习过程中出现的幼稚、错误，设计从错误中学习的教学方案以及教师本身改正错误的过程也是一种十分有效的教学方法；重视数学方法对物理学规律和对物理系统定量分析的作用，防止学生随意套用公式的做法。

为进一步拓宽学生视野，满足不同学生的需要，教师还可列出一定数量的文献，精选一些综合性强难度较大的问题，让学有余力的学生去思考和练习。这一系列的举措培养了他们自主学习的能力，收到了较好的教学效果。

（三）教师应具备应用先进教学手段的素质

教师必须具备现代教育技术和网络技术的素质，尤其是要学会使用多媒体及有关现代化教学手段。把多媒体技术应用在大学物理学课程的教学中，根据具体知识点的要求分别采用文本、声音、图像、动画等多种表现形式，从而使学生对于物理概念及物理规律的理解直观、形象，同时也能够提高课堂教学的效率。

大学物理学中的有些概念和数学表述很抽象，学生理解困难。例如，驻波与行波不同的运动形式、电磁波的传播、氢原子中电子云的分布等，用多媒体展示出来能够帮助学生建立清晰的物理图像。另外，借助动画形式的多媒体，可以演示振动的传播，单缝衍射图案等，但不是所有内容都适合采用多媒体教学。多媒体教学信息量大、变换快，难以体现教师自己的教学思想，因此，教师应针对课程的具体内容做好课程设计，灵活选择教学手段，使多媒体、网络教学与传统教学相结合。我们提倡对公式的推导、问题的引入，重难点内容的展开等采用传统的板书，以便教师随时观察学生听课时的精神状态，并通过讨论、提问了解学生对问题的理解程度，及时修正教学方法、调整教学内容或进度，因材施教。

另一方面，鼓励学生应用数学软件，由具体的物理问题出发，建立相应的数学模型；通过利用基本的数值计算方法和计算机应用软件计算一些具体问题。这样，可以培养学生对实际物理问题进行数学建模的能力以及对数学公式和数学运算结果赋予物理意义的能力［9］。同时使学生进一步了解，这些物理内容是可以用数学建模的方法，并通过求解数学物理方程的解得到。使学生对深入学习物理学的层次有一个感性的认识，激发一部分学生探究物理学奥秘的热情。