基于“物理過程”的文科物理教學方法改革*

王曉鷗 張伶莉 曹永印 黃喜強 劉志國 王天鴻 張子靜 趙遠

(哈爾濱工業(yè)大學理學院 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

文科物理是為高校人文及社科等專業(yè)學生(即文科類學生)開設的物理課程，屬于通識課程.文科學生與理工科學生不同，其一，他們的數(shù)學功底??；其二，他們將來不從事具體的技術工作.他們需要彌補的是物理學的思維方法，需要提升的是邏輯思維能力.物理學作為自然科學的基礎，其研究方法適用于一切科學領域(包括人文科學).給文科學生開設物理課的目的是引導文科學生用科學的思維方法分析問題,重在拓展文科學生的科學視野[1～4].因此,在文科物理教學中,一要突破物理的常規(guī)教學方式,不要求嚴格的推理和計算；二要重新優(yōu)化教學內(nèi)容,構建以知識、素質(zhì)、能力為目的課程體系；三要將教學的重點放在物理學對社會發(fā)展的影響.

傳統(tǒng)的教學方法是先介紹物理概念，然后進行理論推導，最后講解例題.這樣的講課方式，雖然邏輯嚴謹，但對文科學生來說顯得枯燥、乏味.因此，文科物理的教學方法應與理工科學生的教學方法不同.為了了解文科學生對物理課的需求，2017年我們對外語學院學習文科物理的學生做了調(diào)研，其結(jié)果如圖1和圖2所示.

圖1 學生希望學到什么及其占比

圖2 學生希望的課程教學

從調(diào)查結(jié)果看，絕大多數(shù)文科學生希望學到物理常識和理性思維，這也是我們開設文科物理課程的宗旨；對于課程教學45.70%的學生希望理論講解與實驗結(jié)合，25.70%的學生希望教師講解與學生討論相結(jié)合，17.10%的學生希望生動有趣有實例講解.

針對絕大多數(shù)學生對文科物理課程教學的需求：“理論講解與實驗結(jié)合、教師講解與學生討論相結(jié)合、生動有趣有實例講解”，2018年，我們在文科物理教學中實施了基于“物理過程”學習的教學方法.這是以物理過程為引領，讓文科學生在操作、觀看、思考物理過程中學習物理規(guī)律，建立物理思維方法，提升科學思維能力.

2 基于“物理過程”學習的教學方法

“物理過程”是指研究對象在研究期間發(fā)生的各種物理變化.基于“物理過程”學習就是：第一步，先將物理過程(如演示實驗、物理過程視頻或展示物理過程的動畫以及生活中的事例)展示給學生；第二步，引導學生分析各種物理量變化，從分析中找出各種物理量的變化關系；歸納總結(jié)出物理規(guī)律(如定理、定律等);第三步，再將物理過程展示給學生，目的是:(1)驗證定理、定律的合理性、正確性.(2)加深學生對物理規(guī)律的理解和記憶；第四步，深入研究物理過程的變化(這部分課利用視頻演示變化過程，既能加深理解，又形象生動)；最后，理論聯(lián)系實際，介紹物理規(guī)律在社會生活、生產(chǎn)、工程技術等實踐過程中的應用.

基于“物理過程”學習的教學方法突出物理現(xiàn)象，而物理現(xiàn)象可以引發(fā)思考、激發(fā)興趣.例如光的雙縫干涉現(xiàn)象，首先將一束光射到屏幕上，讓學生觀察現(xiàn)象，然后再將另一束光射到屏幕上的同一區(qū)域觀察現(xiàn)象(光照區(qū)域亮度普遍增加)；將以上兩束光換成兩束相干光重新射到屏幕上觀察現(xiàn)象(光照區(qū)域出現(xiàn)明暗相間的圖樣)，比較、分析兩者的差別，從而引出相干光、相干光源、相干現(xiàn)象等概念，以及光的干涉理論.這種通過物理現(xiàn)象介紹物理概念的方法符合文科學生的形象思維，易于文科生接受；然后，再視頻重新展示物理過程，用來驗證理論的正確性，以增強學生的記憶；最后，學以致用，理論聯(lián)系實際，達到開拓學生視野和提升學生創(chuàng)新能力的要求.

3 教學實踐

部分文科學生對物理有畏懼情緒，是因為他們弄不清楚物理過程，所以對物理不感興趣；也有一部分文科學生對物理現(xiàn)象非常感興趣，但就是學不明白.基于“物理過程”學習的教學方法采用的是，先給學生一個視覺上的沖擊(如展示物理過程的演示實驗或展示物理過程的視頻)，激發(fā)興趣，然后討論、分析實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，引導學生掌握物理學的基本概念、基本原理.

例如，在講解動量定理時，先視頻展示：清晨,鳥語花香，邁步林蔭道，一片樹葉落下,你是什么態(tài)度和感覺呢？當然是：毫不在意, 漫不經(jīng)心. 好不悠閑！如圖3所示.但是，若落下的不是一片樹葉，而是籃球或鉛球，你又是什么態(tài)度呢？還能漫不經(jīng)心嗎？一定是快速逃離的，如圖4所示.為什么呢？請學生們解釋.從而引出動量、沖量和沖力的概念以及動量定理：力的沖量等于受力物體動量的增量.這種方式生動、形象、有趣，既可以吸引學生的注意力，又能非常清楚地介紹物理規(guī)律.然后，為了加深學生的理解，再演示一遍視頻.最后，演示視頻驗證物理規(guī)律，如圖5和圖6所示，將套有瓦楞紙的燈泡和不套瓦楞紙的燈泡從同一高度(如高的凳子上)推下(如圖5)，燈泡落地后發(fā)現(xiàn)沒套瓦楞紙的燈泡碎了，而套瓦楞紙的燈泡卻完好(如圖6).

圖3 飄下落葉

圖4 飛來藍球

圖5 處于同一高度的套瓦楞紙和不套瓦楞紙的燈泡

圖6 套瓦楞紙和不套瓦楞紙的燈泡落地后的效果

看完視頻后，引導學生從動量定理的角度分析為什么沒套瓦楞紙的燈泡碎了，而套瓦楞紙的燈泡卻完好？學生很容易掌握沖量、沖力的概念以及動量定理，然后再讓學生舉出生活中與沖量、沖力以及動量定理相關的事例，用于加深印象和理解.

再如，前面提到的光的雙縫干涉，在了解了相干光、相干光源、相干現(xiàn)象等概念后，為突出實驗現(xiàn)象，吸引學生的注意力，先讓干涉條紋閃爍幾次，引起學生注意后，再簡單介紹相關的光的雙縫干涉理論.這里需要注意的是，對文科學生一定不要給出太多的公式推導，要多介紹物理圖像和物理思維方法.如引起干涉條紋變化的因素有：雙縫的縫寬、雙縫到觀察屏的距離以及入射光的波長λ等.

圖7給出了入射光波長λ=632.8 nm的紅光和λ=532.0 nm的綠光的干涉條紋對比圖，由圖可明顯看到條紋寬度與波長成正比；此外還可以看到，除中央明條紋外，其他條紋的位置隨波長的減小向中央明紋處移動，從而引導學生聯(lián)想若用波長更短的藍光、紫光會看到什么現(xiàn)象？若將所有波長的光(即白光)照射到雙縫上又會看到什么現(xiàn)象？在學生給出答案后，播放白光雙縫干涉實驗的視頻，驗證學生的答案.學生看完視頻后都非常興奮.

需要注意的是，選擇物理過程時，要盡量選擇那些與日常生活關系密切的，這對文科學生來說更容易接受.如講薄膜干涉時，先讓學生觀察肥皂泡，色彩斑斕的肥皂泡引起學生極大的興趣(如果有條件的話，可以讓學生親自動手操作，效果更好)，然后講解肥皂泡上產(chǎn)生彩色圖案的原理(薄膜干涉).

圖7 入射光波長λ=632.8 nm的紅光和λ=532.0 nm的綠光的干涉條紋的對比

4 學生反饋

這種基于“物理過程”學習的教學方法，不僅將理論講解與實驗結(jié)合，也與學生的討論相結(jié)合，同時還融入反應物理過程的實驗或視頻，這種講解方法針對的是具體的物理過程，直觀、生動，更易于文科學生接受；同時也是文科學生希望的教學方法，如圖2所示.

以下摘錄一些學生的反饋意見.

(1)講熵的時候，用一張分成多個部分的無序圖片，讓我們猜測圖片內(nèi)容，再將答案揭曉，讓我們生動地體驗什么叫熵.

(2)物理過程展示，……更有脈絡，邏輯更清晰易懂，而且確實更能激發(fā)我們的興趣.

(3)因為展示時，頭不暈了，眼皮不打架了，手機也不玩了呢.大家都全神貫注地參與到實驗中.兩次演示能加深我們對知識點的理解和掌握.

(4)新的物理過程展示更好，在講解理論之前先展示實驗現(xiàn)象，能激發(fā)我們對問題的探索；以前的演示實驗是先把理論講解清楚，再演示現(xiàn)象，我認為新的展示更能引發(fā)我們對問題的思考.

(5)課前課中都有展示，課前激起學生興趣和探知欲，在課中通過物理理論的講解指導學生逐步理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因.在課中也有展示，可以加深學生印象.

(6)課堂氛圍生動活躍，上課積極性提升.課堂演示實驗引入物理原理，理解知識更加透徹.……

(7)……物理過程的記憶更完整.尤其是物理過程描述中的重要的原理部分.

(8)……演示實驗與實際應用相結(jié)合，使我們更直觀地認識所學知識，對生活中一些物理現(xiàn)象有了更大興趣.

總之，基于“物理過程”的教學方法，切實貫徹了教師引導、學生參與的互動式教學宗旨，符合認知心理學原理，有效地提升了文科學生的科學思維能力.