费曼学习技巧在自然科学基础物理部分中的教学实践

张雷 蔡彬卓 邓欢 李行

[摘 要]自然科学基础课程学科、专业跨度大，知识点多，尤其是物理学部分，这给教师教学和学生学习增加了难度。翻转课堂、对分课堂等教学模式能在一定程度上提高学生的学习积极性和学习效果，但在知识运用方面还有待进一步提高。费曼学习技巧不仅具备发挥学生主观能动性的特性，更能够通过其反馈环节，提高新知识的学习效率，而通过通俗语言的讲授和类比拓展，能进一步提高学生的知识运用水平。自然科学基础物理学部分的教学实践表明，费曼学习技巧显著提高了学生的学习积极性和学习效率。该方法的运用为自然科学基础及相关课程教学的深入开展和学生综合素质的提高提供了有意义的参考。

[关键词]自然科学基础;费曼学习技巧;物理学;学习效率

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）08-0110-03

党的十九大报告中明确提出了优先发展教育事业，深化教育改革，加快教育现代化[1]。习近平总书记在2018年全国教育大会上再次强调，建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程[2]。自然科学基础作为一门综合性的通识基础课程，能够提高受教育者对各个学科基础知识的认知。课程涵盖了物理学、生物学、化学、天文学、地理学等自然科学领域的相关内容，范围较宽，内容杂，这对承担这门课程教学任务的教师提出了更高的要求。如何处理好各学科的专业问题，教师通过不断地尝试，采取不同的教学方法，取得了一定的成效[3]。陆建新等人[4]引入的学导式教学法、黄晓雷等人[5]应用的基于网页形式WebQuest探究教学模式和盖爽爽[6]采用的对分课堂教学模式等，都对提高学生学习主动性和学习效果产生了积极的影响，但是自然科学基础课程的教学在整体上还是存在学生重视不够、教学过程占用时间较长、教学效果不够好等问题。

物理学是其他自然科学以及工程技术的基础，也是高等院校理工科专业的一门重要基础课。赵凯华[7]将物理学概括为提出命题、推测答案、理论预言、实验检验和修改理论五个步骤，既体现了物理学知识的认知过程，也反映了科学研究的基本方法。物理学部分在自然科学基础课程中占据相当大的比例。物理学中包含的众多概念、公式以及与数学工具的使用给大学生带来了相当大的挑战，探讨如何提高物理学的教学效果依然具有重要意义。Pradhan等人[8]通过以问题为基础的教学方法进行本科阶段的物理教学，通过问题的挑战，让学生构建起自己的知识体系，这大大改善了学生对物理学习的态度。王青[9]在大学物理教学中通过小班教学和翻转课堂教学法，从以教师为中心的传统课堂授课模式转变成以学生为中心的教学模式，为基础物理教学提供了有意义的尝试。事实上，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼在基础物理教学中进行改革，他从自己思考解决问题的方法出发，设法把不同部分有机地组织在一起，用通俗易懂的语言表达出来，这种有特色的教学风格深受学生的欢迎。Leighton和Sands将费曼的基础物理教学整理、编写，出版了《费曼物理学讲义》[10]，成为经典的物理学教材。不少学者总结归纳了费曼在学习及教学过程中使用的方法，称为费曼学习技巧，将其运用于课程教学中，取得了良好的效果[11-13]。本文阐述了运用费曼学习技巧开展自然科学基础物理学部分的教学方法，最大限度地调动学生的学习积极性，为推动相关课程教学改革提供了有意义的指导。

一、费曼学习技巧

费曼学习技巧主要概括为四个环节：新知识的学习，强化记忆、掌握，讲授和类比拓展[11]。这四个方面联系紧密，环环相扣，如图1所示。新知识的学习強调的是对新事物的认知。强化记忆和掌握则是对新知识的学习进行质的提升，必须理解和熟练掌握，为下一环节做准备。讲授则是用尽量少的术语、用更通俗的语言将核心知识点进行描述，该环节是难度最大的，或多或少的会存在解释不清或理解错误的情况，此时就必须回到上一环节继续强化、掌握知识点，这称之为反馈。反馈环节可以进一步强化对知识的理解。类比拓展强调运用，简单说就是能够举一反三。显然，讲授和类比拓展环节对各方面的要求较高，但也正因为这样，学习效果才能得到最大限度的提高，这正是费曼学习技巧与其他学习方法所不同的地方。

近十年来，受益于开放教育资源的不断丰富，翻转课堂教学方法发展得非常快，也得到了不少学者的认可[14]。该方法主要是课下利用信息技术进行知识的传授，课上通过师生讨论来实现知识内化[15]。这两种教学方法都能够调动学生的学习积极性，翻转课堂突出的是课上、课下的结合，费曼学习技巧更有意义的是讲授及类比拓展部分，应用在教学中可以不限于课上还是课下，但出于减轻学生学习负担的考虑，更多是在课上时间使用。

二、自然科学基础物理学部分的教学实施

课程物理学部分主要以经典物理为主，其中力学部分占比最大，还包括部分热学、波动学基础、电磁学等。虽然学生中学阶段经过了较系统地学习，但中学阶段涉及的很多定理、定律没有复杂的数学处理过程，学生更多是机械记忆，相关知识的运用有较大短板，特别是无法将所学知识运用到生活中去，这也正是提高科学素养中极为重要的一点。该问题归根结底是对基本概念和定理的理解不够深入，对事物的观察不够仔细。

（一）费曼学习技巧在物理学教学中的实施方法

秉承提高科学素养这一宗旨，我们在教学过程中尽量安排跟生活接触更紧密的部分来使用费曼学习技巧，这样效果更好。在整个教学过程中，学生才是主体，在很多时候可能还要扮演教师的角色，这样才能实现费曼学习技巧中的讲授和类比拓展环节;教师起到的是引导的作用，更确切地说是在最重要的反馈环节和类比拓展部分引导好学生对概念的理解和类比的正确性。

案例1：以动量定理说明费曼学习技巧的运用

1.先布置学生利用前期所学知识结合网络资源进一步学习掌握动量定理，准备完毕后向教师汇报，描述定理的基本概念，举例说明定理有何应用（费曼学习技巧环节一）。

2.将课上时间留给学生进行学习、准备，以5～6人一组进行组内讨论，且尽量以文字形式将本组学到的内容概括、归纳（费曼学习技巧环节二）。

3.小组向教师汇报，从定理的基本概念、公式以及定理在某个实例中的应用进行汇报。汇报可以使教师及时掌握学生对知识点的理解程度，能够更好地实施引导。教师根据具体情况对专业知识进行把关、纠错，尽量以启发的形式开展，如果直接告知答案，学生很难做到自行查找资料来解决问题;同时要特别注意定理在实例中的应用过程是否分析正确，这将影响到后面的类比拓展。学生得到启发后进行二次准备再次向教师汇报，直至较顺畅地用通俗语言将概念和实例应用描述出来（费曼学习技巧环节三及反馈环节）。

4.学生准备类比拓展，结合实际生活分析定理在其间的应用，但要求类比实例尽量避免过于相近（费曼学习技巧环节四）。例如，学生利用动量定理来分析运动员跳远中使用沙坑实现缓冲，由动量定理的表达式F△t=△mv可知，不论落地时是沙地还是硬地，可近似认为运动员落地时的动量改变量△mv不变，而落地时地面性质不同会引起接触时间△t的变化。显然，落入沙坑时△t会明显增加，由于△mv不变，得到作用力F减小，实现了缓冲效果，保护了运动员。在类比拓展中，学生可能会找到生活中用铁锤锤钉子的例子，该现象确实运用了动量定理，应对学生予以鼓励，但仔细分析后不难发现，铁锤锤钉子是通过减少接触时间△t来增大作用力F，与上一个例子在本质上是相同的，这就是所谓的过于相近的例子。可引导学生从基本公式出发，前面跳远使用沙坑缓冲和锤钉子的例子是考虑△t具备一定数值时的情况，是否可考虑△t为零的情况？大多数学生在查阅资料后都可以较快地给出答案，对于系统而言，当系统冲量为零时，系统动量该变量也为零，此时系统动量守恒。此时，进一步引导学生对动量守恒定律的充要条件进行分析（系统所受合外力为零或某个方向合外力为零），并找出对应的应用实例。至此，学生能够深入地理解动量定理，而动量守恒定律是动量定律在特殊条件下的一个特例。

在小组完成以上四个部分后，实际上学生已经较好地掌握了动量定理。这时由小组派代表，采用上课的形式，以向教师汇报、讨论、类比拓展的内容为蓝本，利用简单的PPT课件向全班同学完整地讲授动量定理。

案例2：以电影为素材，结合费曼学习技巧体会动量守恒

将书籍、电影资料、网络素材等课外资源融入教学过程已经是比较常见的教学手段，这样做最大的好处就是能够吸引学生，改善课堂气氛。从影像素材中用费曼学习技巧挖掘物理学知识，可以让学生觉得物理学更加亲近。

《火星救援》是一部物理基础相当扎實的科幻电影。电影讲述了马克与他的团队成员在火星上执行任务时遭遇了火星风暴，导致其被遗漏于火星，进而想方设法回地球的故事。教学中可以利用上课时间给学生播放电影，绝大多数学生对此类题材的电影还是感兴趣的，至少电影在情节上能够吸引学生。但观影时要先布置给学生一些任务，要求学生要从电影找出跟物理学定律相关联的情节。起初学生会专注于电影的情节，对于任务的安排可能不会太在意。教师此时可以在电影对应的地方做示范，例如，大型空间站中的旋转部分是用于在太空失重状态下模拟地球重力环境，可以结合经典力学中的相关知识进行分析。在转动系统中，宇航员相对于转动舱静止，与其共同做绕轴运动，为了提供做绕轴运动的向心力，宇航员与地板的接触面间会产生作用力，地板会提供给宇航员支持力作为旋转时的向心力，所以宇航员可以仅仅接触到旋转舱地面，相当于是进入到了重力环境。当然要跟学生声明，该技术虽然理论可行，但目前还无法实现，教师只要提醒学生更多地关注电影中的情节与物理学知识的结合就足够了。

通过抛砖引玉，学生大致明白如何把教师的任务开展下去。此时教师可再提出问题，影片中阿瑞斯计划中的升空器以及中国提供的太阳神号是如何飞行的？要求学生结合所学物理学知识进行分析，并在影片中找出其他的利用相同物理原理的类似案例（费曼学习技巧环节一、二）。观影完毕后，很多学生是可以大致描述出以上问题的答案，基本都能将航天器的飞行与动量守恒定律联系起来，且能够举出不少案例。例如，在片尾部分赫尔墨斯号在燃料极度紧缺的情况下通过炸开一个空间站的密闭舱来释放舱内空气实现强行减速;马克在升入太空后处于失重状态，又没有现成的动力驱动，此时可以通过戳破宇航服释放气体，使身体具备反向动量飞向赫尔墨斯号等。学生在观影中的思考以及观影后的讨论具有较强的目的性，很好地体现了费曼学习技巧中的讲授和类比拓展（费曼学习技巧环节三、四）。学生在掌握动量守恒定律的基础上，既要运用定律分析飞船飞行机理，又要在影片中找出同样是运用该定律的情节。可见，在教学中适当结合影像资料、发挥学生自主学习的积极性，可以使整个课程气氛活跃、学生学习兴趣浓厚。

（二）费曼学习技巧在实施过程中的注意事项

首先，费曼学习技巧在教学中实施时不确定因素较多，且学生的基础知识和参与度都会对教学环节产生很大影响，这会占用更多的课上时间，因此如何合理把控时间对教师有较高的要求。其次，学生在教学中几乎处于绝对的主体地位，特别是在面向全班学生的讲授阶段，教师务必要在反馈及类比拓展环节做好严格的审查，不允许出现科学性错误，这也是教书育人的基本原则。再次，教学内容的多样性使得不是所有的知识点都适合应用费曼教学技巧进行教学，毕竟最后一个环节需要类比，如果知识点仅仅是单纯的概念或是介绍性质的内容，就不太适合类比，所以在教学实施中，教师必须提前对知识点进行研判。

三、结语

虽然自然科学基础物理学部分的教学相对于传统大学物理课程的教学来说深度有所下降，但是依然具有范围宽、公式定律多的特点。科学素养的培养更倾向于结合生活实际，基础知识在生活中的运用具有重要意义。通过在教学过程中运用费曼学习技巧，将学生置于课堂的绝对主体地位，教师承担纠错、释疑、引导的作用，提高学生的学习兴趣，这样可以让学生运用知识的能力增强，学习效率得到提升。费曼学习技巧的合理应用对提高课堂活跃性和学生的综合能力有很重要的意义。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：陈 明]