大学物理课教学的综合改革

彭鹏

摘  要：大学物理是化学专业本科生的基础课程之一，其教学改革对于各理科及工科专业教学均有借鉴意义。文章从梳理课程体系、改进更新课件内容、提升与化学及化工类专业相关内容、教学方法梳理等方面做了初步尝试，从而增强学生学习兴趣，丰富课程内容。同时，针对新冠肺炎疫情所带来的线上教学比重明显增加的现状，文章对线上与线下同步进行课程改革也进行了探索和研究。

关键词：大学物理;基础课;线上教学;教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）17-0128-04

Abstract： College Physics is one of the basic courses for undergraduates majoring in chemistry， whose teaching reform has reference significance for the teaching of various science and engineering majors. The paper has made preliminary explorations on sorting out the curriculum system， upgrading the content of courseware， focusing on content related to chemistry and chemical engineering， summarizing teaching methods and so on， so as to enhance students' interest in learning and enrich the course content. Simultaneously， due to the impact of the "COVID-19" epidemic， the proportion of online teaching has increased significantly. In response to this situation， this article also discusses the curriculum reform of online and offline simultaneous teaching.

Keywords： College Physics; basic course; online teaching; teaching reform

根據兰州大学化学大类本科生的培养方案，化学大类本科生在大二阶段需要进行108课时的大学物理学习。大学物理是非物理类理工学科的一门重要的基础课程，该课程旨在中学阶段物理学习的基础上，通过结合微积分的高等数学内容，深化学生对物理原理和现象的理解[1-5]。同时，大学物理课程还能培养非物理类学生的逻辑思维和分析解决问题的能力，例如归纳总结、对实际问题合理假设、建立数学模型解决问题。

与化学类课程相比，大学物理课程的学习有自身的独特之处，因此，作为授课教师，也需要根据化学类等非物理类本科生的学科特点对自身的授课内容及方式进行适当调整才能取得较好的授课效果。除物理外，化学学科同样是一门非常重要的基础学科，而物理和化学学科的学习其实既有相似之处，也有明显区别。因此，正确认识物理和化学学科的区别与联系对于面向化学类本科生讲授大学物理课程具有重要的实际意义。在阐述上述物理与化学学科区别的同时，也需要认识到物理与化学两学科之间的密切联系。

目前国内院校针对非物理专业学生学习大学物理课程的教学情况是：第一，学时普遍有所减少，例如兰州大学某些专业原144课时减为108课时，原54课时减少为36课时等;第二，现代化教育手段，例如各类线上教学手段由于没有实施的机会而运用不足;第三，由于学生入学后已经通过报考选择了相对心仪的专业方向，因此，非物理专业同学对于大学物理的学习常常是兴趣不足;第四，由于各省教育水平以及学生自身水平的客观差异，学生在基础客观上存在一定差别;第五，近几年不同省份进行了高考改革尝试，个别省份的部分考生为了取得较好的成绩和排名而放弃学习较难的物理，因此入学后部分考生的物理基础能力对大学物理教学有一定影响。作者在近几年授课中发现，部分学生认为大学物理内容过于深奥抽象，且感觉物理与自己专业课程联系不大，以致于学习主动性不足。

根据作者近几年的教学体会，目前化学专业的大学物理教学在很多方面不适用于化学专业学生培养的要求，主要表现在：

1. 在传统的大学物理讲授过程中，对于“立德树人”的理解和认识远远不够。教育部在2018年8月提出立德树人是教育的根本任务。同时，党的十八大以来，全国高校思想政治工作不断加强[5]。这就意味着，任何课程的建设都要融入思政教育元素。而传统大学物理讲授中无论是立德树人还是课程中的思政建设都明显不足。

2. 作为应用极为广泛的学科，化学学科的发展日新月异，特别是各类化学制备方法广泛应用于诸多功能材料（利用材料的热、声、光、电、磁等特性实现一定用途的材料，与传统的结构材料对应），极大地拓宽了化学学科的发展及应用。

3. 大学物理教学，特别是非物理类大学物理课程的内容对学生的专业、学科没有区分，往往容易忽视物理学与化学等其他专业之间的区别，因此无法充分吸引学生的学习兴趣及热情。

4. 传统授课以教师讲述为主。根据高校各专业培养方案改革和“厚基础、宽口径”的培养要求，使得非物理专业学生培养环节中的物理教学课程的时间减少，但是相应的教学内容以及难度增加。

5. 随着网络科技的发展，与传统线下教学相对应的线上教学逐步走入大学课堂，而线上教学并不是最初某些学者所认为的传统面对面教学的替代者。与之相反，线上与线下教学呈逐渐融合趋势，并很可能成为未来教育的“新常态”[2]。

6. 同时，还有其他客观因素影响大学物理课程的讲授。由于大学扩招以及学校学科发展的需求，很多大学均会出现多校区办学的情况。由于兰州大学本科生的教学点地处距离市区四十公里之外的榆中校区，而授课教师基本在课后会回市区，因此课堂和课后师生间互动较少，教学质量降低。

本文根据作者在对兰州大学化学院本科生讲授大学物理课程中的实际情况，以提高化学等非物理类方向大学物理课程教学质量，依据大学物理教学的目标与要求，结合化学专业特色，注重物理与化学学科的区别与联系，开展对化学等非物理专业大学物理教学模式改革的探讨。

针对上述六点作者在具体授课过程中发现的问题，本文的改革方案如下：

1. 積极探索树立立德树人、融入思政教育的有效途径。“立德树人”的要求是党和国家对当代教育提出的期望，作为基础自然科学的大学物理课程自然不辱使命。德育是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不懈动力。“德”作为大学生必不可缺的最基本素养，如果没有掌握正确的价值观、理想观，无论有多么渊博的知识也会使它失去其真正的意义。事实上，类似于大学物理这样探索客观世界物质规律的学科，很容易找到培养学生德育工作的途径和渠道。例如，作者在讲授万有引力时，可以专门安排一定的时间给学生讲解人造天体，例如卫星在外太空围绕地球的运动，同时可以加入高中阶段学生没有涉及的一些较为复杂的引力应用方面的知识。比如以下问题：以我国的“嫦娥”探月航天器为例，它是否沿直线路径从地球飞向月球着落？如果不按照直线路径原因何在？又例如2021年5月22日，我国“天问一号”火星探测任务火星车祝融号成功降落在火星表面，此前美国实现了火星探测器在火星着陆并且进行了科学探测，如今中国也实现了同样的挑战。中国进行的第一次火星探测项目，就将祝融号火星探测器送往了火星表面，这是中国航天探索的一个新的突破。作为我国以及人类探索外太空的一个里程碑事件，“天问一号”在地球与火星之间的航行过程为何需要多次变轨？“祝融号”火星车的着陆过程可简要分为哪几个阶段？通过让学生的思考引入更高阶的万有引力运用场景：引力的“弹弓效应”，从而激发学生的爱国热情和学习热情。

2.将化学史和化学尖端贯穿融入到物理课的教学中去。为了提高化学学科同学学习大学物理的兴趣，应当适当融合化学史的发展，同时适当介绍当前化学发展尖端领域的物理应用。没有化工就没有工业，人类社会发展至今，我们的衣食住行各个维度其根本都是依赖化工提供的原材料和辅助品，正是由于化工的发展，人类社会才有了如此丰富的物质生活。例如，高分子材料与化学有极为密切的联系，按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子是存在于动物、植物及生物体内的高分子物质，可分为天然纤维、天然树脂、天然橡胶、动物胶等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，此外还包括胶黏剂、涂料以及各种功能性高分子材料。又如广泛应用于各类电子显示器件上的OLED显示材料等。

而同时，物理是化学的基础，比化学更加基本，普通化学研究的是构成物质的分子的原子的分解和重新组合的规律，研究层次主要在分子和原子两个层次上，只对化学反应规律进行总结整理和加以应用;物理学则需要研究一切自然现象，研究的现象包括力、热、光、电等各方面，研究的对象涵盖基本粒子（如质子、中子、电子）、亚原子粒子（如原子核）、原子、分子、微粒（颗粒）、宏观物体、天体、星系直至整个宇宙，以探索物质的运动规律及其动因为根本任务。物理学与其他学科结合产生了大量交叉学科和边缘学科，如天体物理、物理化学等，其范围之广、内容之深是化学无法比拟的;物理学理论（特别是热力学、量子理论等）在更加基本的层次上解释和阐明了化学反应规律的成因，而化学规律则可以检验和证明物理理论正确与否;容易发现，化学（广义上的）体系中的物理化学（包含热化学、电化学等）等分支学科带有很明显的物理理论（热力学、量子理论等）的痕迹，例如热化学与热力学中最基本的内容几乎完全一致，而对于元素周期律以及化学键理论的解释则离不开原子物理学和现代量子力学，甚至还用到了相对论，这些在物理化学中是非常明显的特征。化学就是在物理学的影响下发展起来的学科，也是受物理学影响最深的学科。任何事物的作用是相互的，物理与化学间的影响也是相互作用的，在化学发展壮大的同时，它又促进了物理学的发展，比如，化学中对物质结构的研究，提出原子理论等理论。这些化学上的成就促进了物理学中材料的研究与进展，有利于对导体、绝缘体、半导体等导电的微观原理进行研究。所以说，物理与化学有着密切的联系。

3. 结合专业特色，改革教学内容。针对化学专业的特点，在根据教学大纲和教学框架保证基本教学内容的前提下，需要预留一定的学时，并根据学生专业的紧密程度作出调整。例如，力学和运动学部分，针对化学专业的同学已经在高中阶段比较熟悉的牛顿运动定律、作功、动能及动能定理、势能、动量及动量守恒等内容，着重讲授通过微积分加深对于各物理量及相关定理定律的理解。而对于高中阶段没有接触到的内容，例如保守力、质心运动定理、角动量和力矩等，则要予以侧重。刚体及其运动是高中阶段完全没有涉及的内容，在这里，要重点强调刚体的理想固体属性。由于大学物理范畴内所研究的刚体运动主要是其转动，因此，在考虑与角动量和力矩等内容密切结合的前提下，可以引入在化学中较为常见的搅拌等现象予以辅助说明。而对于化学中已经涉及较多的内容，比如气体、固体和液体的基本性质等，则对涉及的分子运动规律进行简单介绍。此外，还需要注意到当前通过化学法制备各类新型的纳米材料是化学学科的一个发展热点和方向，而很多材料在纳米尺度上量子效应是不能忽视的，如电子材料相关的理论全要用到量子力学。因此，需要适度增加量子力学部分的内容。

4. 师生合力，共同打造互动讨论式教学模式。传统大学物理课堂内容多以教师讲述为主，由于少课时等原因，以致于单凭教师讲授，很多抽象的原理学生并不能深入理解，但是相应的教学内容以及难度却在逐渐增加。倘若不能吸引学生的学习兴趣，学生的学习效果仍然会大打折扣[6-7]。因此，作者在教学中，有意识地选择一些重要的专题内容，由学生通过自主学习、交流合作和讨论的方式进行自行学习。例如，在讲授运动学内容时，在讲授完作功及动能和势能的有关概念之后，对于例题会鼓励学生从能量角度解决，从而挖掘学生的自学能力和自学意识。在讲解题目解法时，鼓励学生站到讲台上给其他学生讲授，讲授完毕以后，由其他学生在课堂上继续讲授自己的不同解法，开展学生的自评和互评，整个过程中让学生自主学习起主导作用。

5. 深入推进线上线下教育结合。随着网络科技的发展，与传统线下教学相对应的线上教学逐步走入大学课堂，而线上教学并不是最初某些学者所认为的传统面对面教学的替代者。与之相反，混合式教学之所以被普遍看好，一方面，它将在线教学与面授教学有机结合，形成优势互补。这样，既能充分发挥教师的主导作用，又能充分体现学生是学习的主体。另一方面，混合式教学将移动终端、互联网等信息技术有机地整合到学习活动中，有助于进一步推动教学模式的变革。

由于新冠肺炎疫情的影响，占主要作用的传统课堂教学受到了极大冲击，为了保证应有的教学秩序和教学质量，线上教学在国内外大范围开展，成为国内疫情期间甚至国外当前教学的主要方式。根据教育部要求，要进一步做好在线教育教学，既要明确当前线上教学“教什么”和“怎么教”，又要不断探索开学后课堂教学与线上教育的有机结合。工作中要加强学生居家学习指导，规范线上教学组织行为，不断丰富学习资源，加强以爱国主义教育为主要内容的思想引导，关心学生身心健康。作者所承担的大学物理课程在2020年上半年授课中就明显感受到了这种影响，线上授课过程中由于不能有效督促学生的学习，所以为了避免学生的学习状态下滑，做到“停课不停教、停课不停学”，作者也从一开始的不适应、不熟悉到通过特殊时期的特殊体验，对于线上和线下教学的结合有所收获。在初期准备线上教学时，不仅要考虑上课设备、网络保障、操作熟悉、上课内容的规划，更要考虑如何在线上教学过程中保证教学质量和学生的学习水平。

首先，直播平台的选择，不同授课教师的选择有区别，而学校推荐的学习通等由于上课时间平台人数过多，往往授课不暢。因此，在初期的几次授课后，和学生统一用腾讯会议授课，每次建立新的会议链接，然后学生进入，有效避免了上课时段网络不畅等问题。同时，为了及时通知联系学生，并及时解答学生的问题，作者另外建立一个学生发言的“QQ交流答疑群”。其次，长期放假在家容易使学生的学习状态涣散，为了保持必要的授课纪律以及学习状态，在课堂纪律方面予以强调：一是准时上课，不迟到早退;二是课上认真倾听、积极思考，不闲聊刷屏;三是作业及时完成，按要求提交。第三是线上教学其实有利于学生自主完成任务，因此，教学形式可以更加灵活多样，教学内容可以更加丰富，对于授课教师而言，可以选择丰富的网络资源，例如国内外关于实验环节的视频等，促进学生对所学知识的掌握。

综上所述，物理学的发展促进了化学学科的发展，同时大学物理课程要紧跟当代科技前沿方向，大学物理课程设置及讲授方式和内容也必须推陈出新。因此，以化学专业为代表的大学物理教学改革势在必行。通过作者上述列举的一系列改革，不仅可以让学生积极主动地学习大学物理，紧密地联系学生的专业知识，紧跟科技前沿，更重要的是培养学生更全面的科学素养和更好的科技创新能力。

参考文献：

[1]张立彬，郑先明，李广平.哈佛大学物理教育状况研究[J].大学物理，2011，30（1）：56-61.

[2]张立斌，梁启锐，李广平.麻省理工学院物理教育状况研究[J].大学物理，201l，30（2）：34-39.

[3]罗伯特·比克纳.北卡罗来纳州立大学的大学物理教学[C]//第三届大学物理课程报告论坛论文集，2007.

[4]苏亚凤，徐忠锋.从美国伊利诺伊大学香槟分校的大学物理课程教学特点浅谈我国大学物理教学改革[J].大学物理，201l，30（10）：48-51. [5]吴颖.考察德国大学物理教学的启示[J].沈阳航空工业学院学报，2004（6）：122-123.

[6]于一，叶柳.浅议大学物理教学现状与课程改革方向[J].高教学刊，2016（2）：57-58.

[7]段丽凤.多层面分层次大学物理教学改革分析[J].高教学刊，2016（20）：139-140.