張連順 張小娟 楊 薇

（中國民航大學(xué)理學(xué)院，天津 300300）

基于CDIO的“大學(xué)物理及實驗”課程教學(xué)改革探討

張連順 張小娟 楊 薇

（中國民航大學(xué)理學(xué)院，天津 300300）

分析了目前傳統(tǒng)的普通物理與普通物理實驗課程教學(xué)存在的問題，論文將國際化的CDIO工程教育模式理念引入到大學(xué)物理及實驗課程的教學(xué)中，從培養(yǎng)目標(biāo)與一體化課程、教學(xué)模式方面的改革進(jìn)行了探討.

大學(xué)物理及實驗課程；CDIO工程教育模式；教學(xué)模式

普通物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最基本最普遍的規(guī)律，其中包括機(jī)械運動、分子熱運動、電磁運動、原子和原子核內(nèi)的運動等等.它所研究的這些運動，普遍地存在于其他高級的、復(fù)雜的物質(zhì)運動形式之中.普通物理學(xué)同時也是一門實驗科學(xué)，研究物理學(xué)的方法實際上有兩種，實驗觀察的方法和理論研究的方法，二者相輔相成，互相促進(jìn)，從而推動整個物理學(xué)向前發(fā)展.因此，普通物理學(xué)所研究的規(guī)律具有極大的普遍性，可以說，物理學(xué)是除數(shù)學(xué)外一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是當(dāng)代工程技術(shù)的重大支柱.所以各工科院校，均把普通物理作為各專業(yè)的重要基礎(chǔ)課.從學(xué)習(xí)物理學(xué)的角度來看，學(xué)生除了用抽象邏輯思維的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)外，還應(yīng)該注重用實驗的方法來學(xué)習(xí)物理，兩者同等重要，不可偏廢.當(dāng)前，我們普通物理課的教學(xué)模式基本上是以教師、課堂、教材為中心，片面注重知識的傳承，而忽視探求和獲取知識能力的培養(yǎng).2000年10月，一項改革本科工程類專業(yè)教育的國際項目 CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate即構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作）正式啟動.CDIO模式以產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)從研發(fā)到運行的生命周期為載體，通過系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技術(shù)知識、個人能力、職業(yè)能力和態(tài)度、團(tuán)隊工作和交流能力，培養(yǎng)在企業(yè)和社會環(huán)境下對產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行的能力等綜合素質(zhì).普通物理作為一門理論與實驗相結(jié)合的課程，完全適用于在CDIO教學(xué)模式下進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生們通過普通物理的學(xué)習(xí)，達(dá)到上述CDIO所注重的各種能力的培養(yǎng).

為了使普通物理的教學(xué)真正起到培養(yǎng)學(xué)生CDIO所注重的能力的作用，必須對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革，設(shè)計基于CDIO的普通物理教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，建立符合國際工程教育共識的課程體系.我校從2010年開始，對電子信息專業(yè)2010級的兩個行政班進(jìn)行CDIO教學(xué)試點，在物理教學(xué)方面將普通物理與大學(xué)物理實驗整合為一門課即“大學(xué)物理及實驗”，本文基于CDIO工程教育理念，對“大學(xué)物理及實驗”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了以下幾方面的探討.

1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)是由普通物理和物理實驗兩門課組成，課程設(shè)計的初衷是讓學(xué)生通過理論研究和實驗觀察的方法，抽象邏輯思維和直觀的方法來學(xué)習(xí)物理，二者相輔相成，互相促進(jìn)，兩者同等重要，不可偏廢.達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、動手能力和觀察能力的目的.但現(xiàn)實情況是，盡管理論課與實驗課的基本內(nèi)容保持大體一致，但由于是兩門課，同時由于實驗條件的限制，理論與實驗很難保持同步，往往會出現(xiàn)這樣的情況，理論課講的是力學(xué)內(nèi)容，物理實驗課上做的是光學(xué)內(nèi)容，這樣學(xué)生很難用學(xué)到的理論知識去指導(dǎo)實驗以及通過實驗來驗證和總結(jié)物理規(guī)律.學(xué)生在理論課上還是埋頭死記一些物理公式和定義，感到物理課非常抽象、枯燥、難以學(xué)懂，而在實驗課上，由于對有關(guān)的物理理論大都已淡忘，有的甚至根本還沒學(xué)，因此只是按照規(guī)定的操作流程記錄一些數(shù)據(jù)來完成實驗報告，實驗過程中為什么這樣做，通過實驗獲取什么、鍛煉什么、甚至實驗的目的都不是很清楚.理論與實驗起不到相輔相成，互相促進(jìn)的作用.

2 理論與實驗有機(jī)的結(jié)合

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)中的問題，首先我們將普通物理與物理實驗整合為一門課：“大學(xué)物理及實驗”，使理論教學(xué)與實驗教學(xué)保持同步，教學(xué)過程中理論與實驗穿插進(jìn)行.課堂上講解有關(guān)實驗的原理、實驗的目的等，在實驗中讓學(xué)生體會和注意有關(guān)的實驗現(xiàn)象說明哪些物理規(guī)律，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、思考問題和解決問題的能力.例如，在力學(xué)中，結(jié)合物體的受力分析我們要做“用拉脫法測液體的表面張力系數(shù)”實驗，首先在課堂上講解液體的表面張力，實驗的基本原理以及實驗中有關(guān)圓環(huán)的受力情況，提請學(xué)生們在實驗過程中，注意觀察表征液體表面張力大小的物理量是如何變化的.實驗過程中，會發(fā)現(xiàn)表征力大小的電壓逐漸增加，到最大值后再減小，然后在某個值下突變.結(jié)合該實驗現(xiàn)象，首先讓學(xué)生們思考，液體的表面張力是最大值還是突變前瞬間的值，然后告訴學(xué)生對該問題現(xiàn)有兩種解釋，一是由于圓環(huán)不是水平的，造成液面部分脫落，所以應(yīng)該讀取最大值.另一是液面是突然破裂，由于環(huán)上的水逐漸滑落引起的力由最大值逐漸減小，然后讓學(xué)生給出自己的觀點，并通過實驗數(shù)據(jù)和理論進(jìn)行證明，將有關(guān)內(nèi)容體現(xiàn)在實驗報告中.努力做到用理論指導(dǎo)實驗同時通過實驗進(jìn)一步加深對理論的理解.

3 課程教學(xué)中貫穿CDIO理念

CDIO改革的三個總體目標(biāo)是要把學(xué)生培養(yǎng)成能夠掌握深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識；領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運行；理解技術(shù)的研究與發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響.在課程教學(xué)中，結(jié)合實驗讓同學(xué)們把每一個實驗當(dāng)作CDIO的一個項目來進(jìn)行學(xué)習(xí)，做到在理論課堂上完成C（conceive思考），課下完成D（design設(shè)計），在實驗室完成I（implement實施）和 O（Operate運行）.例如，在電磁學(xué)中結(jié)合霍爾效應(yīng)我們要做“霍爾效應(yīng)及霍爾元件基本參數(shù)的測量”實驗，首先在理論課上講解完霍爾效應(yīng)，讓學(xué)生們思考霍爾效應(yīng)有什么用？如何利用霍爾效應(yīng)測量有關(guān)的物理參數(shù)？布置課下作業(yè)讓學(xué)生設(shè)計霍爾元件基本參數(shù)的測量裝置，然后在實驗室只對學(xué)生講解各個分立儀器設(shè)備的作用，整個實驗如何操作，如何進(jìn)行由學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計去實施，整個實驗運行的結(jié)果體現(xiàn)在實驗報告中.這樣通過一個具體的普物實驗，讓學(xué)生體會CDIO每一步所包含的內(nèi)容，使學(xué)生CDIO的能力得到不斷地鍛煉和提高.

4 課程教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和表達(dá)能力

CDIO教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)之一是要培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和表達(dá)能力，教學(xué)過程中我們有意識地將一些思考題或項目以作業(yè)的形式讓學(xué)生以宿舍為單位，課下進(jìn)行充分的討論和論證，然后每個宿舍推舉一個同學(xué)在課堂上進(jìn)行表述.例如，在電磁學(xué)中，講解霍爾效應(yīng)和電磁感應(yīng)的內(nèi)容后，我們布置的項目是用什么物理原理去測量磁場，并設(shè)計相應(yīng)的實驗裝置，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)了有關(guān)的物理知識，如何去用，如何根據(jù)相應(yīng)的物理原理設(shè)計實驗裝置，開始是很欠缺的，需要不斷引導(dǎo)和反復(fù)訓(xùn)練.通過宿舍內(nèi)同學(xué)之間的討論，同學(xué)們思考問題的不同方式，開闊了思路，增強同學(xué)之間團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，同時也鍛煉了表達(dá)能力.

5 基于CDIO的教學(xué)模式改革

傳統(tǒng)的物理課側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生掌握系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，往往忽略了培養(yǎng)學(xué)生在領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運行上的能力，這也是CDIO改革希望達(dá)到的目標(biāo)之一.傳統(tǒng)教學(xué)模式，重點放在被動的信息傳遞上，而沒有放在讓學(xué)生更多地從事操作、運用、分析和判斷概念上.加之課程概念抽象、公式繁雜，這樣的教學(xué)模式很難取得好的教學(xué)效果.

傳統(tǒng)的普通物理實驗中驗證性實驗所占比例較大，與產(chǎn)品設(shè)計、企業(yè)生產(chǎn)等實際的工程環(huán)境幾乎沒有聯(lián)系，這使得學(xué)生在本來最方便獲取工程經(jīng)驗的環(huán)節(jié)反而收獲甚少.此外，更重要的是沒能將個人能力、職業(yè)能力、素質(zhì)、團(tuán)隊工作和交流能力等一系列綜合能力的培養(yǎng)融于課程中.

CDIO改革的三個總體目標(biāo)是把學(xué)生培養(yǎng)成能夠掌握深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識；領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運行；理解技術(shù)的研究與發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響.據(jù)此，“大學(xué)物理與實驗”課程體系改革必須考慮一體化課程的構(gòu)建.制訂一體化課程計劃，首先向?qū)W生闡明該學(xué)科與其他學(xué)科知識的聯(lián)系，讓學(xué)生認(rèn)識到物理知識與其他各種學(xué)科知識是相互支持的；其次在課程學(xué)習(xí)中，將個人的交流能力以及產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造能力的培養(yǎng)看作這個課程計劃不可分割的一部分.

無論理論教學(xué)還是實驗教學(xué)，目的是希望學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)應(yīng)學(xué)到相應(yīng)的知識和具備一定的應(yīng)用能力.理論教學(xué)不應(yīng)該是簡單枯燥的“填鴨”，而應(yīng)該是基于主動經(jīng)驗學(xué)習(xí)方法的教與學(xué).例如“大學(xué)物理及實驗”課程中關(guān)于光的波動性、光的波長、光的干涉、衍射等光的特性的學(xué)習(xí)，學(xué)生很難根據(jù)公式來深刻理解.但是如果我們采用以下過程，學(xué)生一定會有領(lǐng)悟.課前準(zhǔn)備：教師提出與相應(yīng)概念有關(guān)的一個典型工程案例，學(xué)生查找相關(guān)概念的資料；課上教師講授，學(xué)生分組討論或辯論；課后實踐：也可以自己設(shè)計實驗方案來驗證有關(guān)概念，最后才是學(xué)生做課后計算作業(yè).該過程就是一個主動學(xué)習(xí)的過程，讓學(xué)生致力于對問題的思考和解決.這個認(rèn)知的過程不僅有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，取得良好的學(xué)習(xí)效果，而且可以幫助學(xué)生培養(yǎng)批判性思維能力和養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)能力.教學(xué)過程中把教學(xué)的重點放在物理原理和物理知識的應(yīng)用上，簡化有關(guān)物理原理和公式的推導(dǎo)，精心設(shè)計有關(guān)的題目或項目，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，強調(diào)在實際環(huán)境中制造產(chǎn)品和實現(xiàn)設(shè)計，讓學(xué)生有機(jī)會把所學(xué)到的理論知識和專業(yè)興趣聯(lián)系起來.例如讓學(xué)生設(shè)計測試方案，確定勻強磁場和交變磁場的實驗，該項目作為課程內(nèi)實驗雖有相關(guān)內(nèi)容，但學(xué)生必須了解同樣是測量磁場，不同性質(zhì)的磁場，其測量方法是不同的，所用物理原理也不同，學(xué)生可以首先自主設(shè)計測試方案，以宿舍為單位進(jìn)行交流和論證，然后到實驗室進(jìn)行測試，最終上交書面報告.該報告并非只是測試結(jié)果，而是完整的方案解決報告.可以選擇項目成績好的學(xué)生制作PPT進(jìn)行全班的交流.逐漸培養(yǎng)個人工程推理和解決問題的能力、系統(tǒng)思維能力、創(chuàng)造性思維能力以及人際交流等等.

6 結(jié)語

“大學(xué)物理及實驗”課程教學(xué)效果對于電子信息專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)十分重要，本文基于CDIO工程教育模式，探討了該課程教學(xué)改革的幾個重要問題，希望對以后的教學(xué)實踐具有一定意義.文中有不當(dāng)之處懇請專家和同行指正，在今后的教學(xué)思考和實踐中進(jìn)一步完善.

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2011－11－04）