高等學校物理學理論課程教學實踐與思考

許雪松，荊 波，王軼卓，彭 勇，王耀川

網絡時代，學生獲取知識的渠道多元，傳統(tǒng)的“以教師為中心”的單向灌輸?shù)慕虒W模式不能滿足學生的學習需求，限制了學生的思考空間和探索的自由度，學習通道狹窄；相當一部分學生處于被動學習狀態(tài)，缺乏主動獲取專業(yè)知識的動力，為了應付考試和獲得學分而學習；學生的眼界有限，所學知識停留在純粹的理論層面，建立科學期待的意識差，缺少探索科學問題的精神，更沒有切身享受學習科學知識帶來的成就感。因此，大多數(shù)學生的物理學理論課程學習處在淺表狀態(tài)。在《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》中，國家大力倡導各高校要廣泛開展啟發(fā)式、討論式、參與式教學，推動教師把國際前沿學術發(fā)展、最新研究成果和實踐經驗融入課堂教學，注重培養(yǎng)學生的批判性和創(chuàng)造性思維。物理學理論課程教學應以此為契機，剖析學生、分析課程，樹立新時代的教學觀，多方位、多視角地從學生的學習需要出發(fā)，重構知識結構與學習過程，助力學生知識和能力共成長。

一、高校物理學理論課程教學特點及現(xiàn)狀

人類在對物質世界的探索過程中進行物質創(chuàng)造和精神思考，從而推動了人類文明的發(fā)展。物理學的發(fā)展與人類的文明進步相伴相生，是人類的寶貴資源和精神財富，是人類認識世界和改造世界的重要支撐。物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發(fā)展都有重要貢獻。物理學中的理論課程是物理學大廈堅實的基礎，學好理論課程有益于學生構建物理理論思維和進行具有廣度和深度的科學探索，探索的前提是必須繼承先輩留下的成熟的知識遺產，這就對高等學校中從事物理教學的教師提出了高要求。

“教學”=“教師的教”+“學生的學”，這是一種人類特有的人才培養(yǎng)活動?！敖獭敝卦谟袃热荨⒂心康摹⒂蟹桨?、有側重、有組織；“學”重在有吸收、有總結、有應用、有轉化、有提升。教師的知識傳授藝術與學生的深度學習息息相關。教學有法又教無定法，對物理理論課程教學而言，教師應該怎樣把握課程難度、控制教學節(jié)奏、教學進程等才能取得理想的教學效果呢？教學實踐表明，教師需結合課程特點、學生現(xiàn)狀、專業(yè)需求等采取靈活有效的措施，提升物理學理論課程的授課品質和學生的學習品質。

（一）物理學理論課程的共同特點。1.物理學的重大突破都有數(shù)學的融入，即物理學以數(shù)學為工具語言，數(shù)學是物理學重要的知識載體。2.物理學的概念和原理內涵深刻、知識體系嚴謹、邏輯性強，成熟但并不古老。3.物理學理論應用廣泛，幾乎向一切學科滲透，它是理工科專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，如激光、無線電、微電子、原子能等領域都是從物理學中分化出去且形成的獨立學科，冶金、機械、通訊、計算機等等領域也都需要物理學知識做支撐。4.物理學被古人稱為“自然哲學”，是以觀察和實驗為基礎的自然學科，實驗教學具有其他教學內容和形式所不能替代的作用。5.物理學的發(fā)展與科學家們的科學歷程息息相關，典型范例可以喚起學生們的求知欲和科學情懷。6.物理學中的數(shù)學語言可以用匯編語言程序化，從而進行知識的總結與拓展，還可以進一步圖形化，化抽象為形象。7.物理學的理論用于指導生產生活實踐，實踐可以檢驗理論的正確性、可以去偽存真，發(fā)揮科學理論的積極作用。8.關注與物理學有關的前沿科技，如神舟發(fā)射、深海蛟龍、5G通信、北斗導航等等，激發(fā)學生的探索欲。

（二）理工科學生現(xiàn)狀。1.備戰(zhàn)高考時，輕松、浪漫的大學生活為學生的精神追求，理工科專業(yè)課程多、任務重，現(xiàn)狀與夢想之間的差距使得一些學生迷失了方向。2.擴大招生圓了好多學生的大學夢，相對而言，學生的素質和學習能力均有所下降，對慣常的物理課程教學內容的接受程度也與隨之下降；3.新高考選科制度下，一些學生為了追求高分回避物理科目，致使物理基礎只有學業(yè)考試水平，薄弱的物理基礎使得這些學生的物理課程學習相當困難。4.從社會層面上看，相當數(shù)量的學生畢業(yè)后所從事的工作與物理課程學習關系不大，這對在校大學生的學習生態(tài)有很大影響。5.課堂上學生的參與度低。相當一部分學生沒有目標，有的學生甚至是“我媽讓我學”，課程學習完全處于被動狀態(tài)，沒有高要求，及格或者能夠畢業(yè)就行，由于很難協(xié)調學生的胃口，教師的教學活動經常得不到學生的響應。6.部分學生有進一步求學的想法，需要在理論課程中有更多的積累和突破，為從事科研工作打牢基礎。7.先修課程學習膚淺，不能在后續(xù)課程學習中無縫對接。如電動力學課程，需要高等數(shù)學、線性代數(shù)、數(shù)學物理方法、電磁學、光學等課程知識的積累和應用，相當比例的學生完全沒有頭緒，概念、定理、定律極其模糊，有限的知識儲備根本談不上靈活應用。

（三）專業(yè)需求。以我校應用物理專業(yè)為例，學生的畢業(yè)出口有升學、考取公務員和事業(yè)單位、在大中型企業(yè)就職和自主擇業(yè)等，畢業(yè)后升學比例約40%，即相當一部分學生畢業(yè)后從事的工作與專業(yè)課程學習的關聯(lián)度較低。純粹的物理專業(yè)尚且如此，其他專業(yè)的學生畢業(yè)后還需要用到物理專業(yè)知識的比例則更低。

二、高校物理學理論課程教學實踐及思考

青年大學生的思想政治狀況、道德品質和科學文化素質關乎整個民族的發(fā)展和祖國的未來。在信息技術高度發(fā)展的今天，著力培養(yǎng)大學生的政治素養(yǎng)和文化素養(yǎng)繼而使之成為具有過硬素質的接班人是擺在高等學校教育管理者和任課教師面前的重要任務。物理學是在人類探索自然奧秘的過程中形成的學科，每一次重大發(fā)現(xiàn)和突破都引發(fā)新領域、新方向，甚至衍生新的科學技術，盡管理論知識比較抽象，但是學好物理就會發(fā)現(xiàn)物理不僅有趣而且有用；學好物理會建立與眾不同的思維方式。作為高校從事物理學專業(yè)理論課程教學的老師，要以現(xiàn)代的觀點審視傳統(tǒng)的物理教學內容，要充分利用現(xiàn)代教育技術手段全面整合各類教學資源，在以學生為中心的教學活動中做到知識傳授和思想引領，幫助學生愉悅地主動獲取知識并付諸實踐。有鑒于此，打造網絡時代下的新型課堂意義重大。教學實踐表明，教師結合課程特點、學生現(xiàn)狀、專業(yè)需求和未來發(fā)展等進行以下有益嘗試，可以顯著提升教學品質。

（一）充分調研確定學期學習任務。就某一門課程而言，不同專業(yè)、不同學年、不同時代的學習任務不能一成不變。一般來說，對于非物理專業(yè)的物理學理論課程教學，需要深度調研，結合專業(yè)特點和專業(yè)需求確定明晰的教學任務，要體現(xiàn)專業(yè)特色；而對物理專業(yè)而言，要考慮學生的特點、與學過知識的銜接、為后續(xù)課程服務等，以完成培養(yǎng)計劃的基本要求。除此之外，還需要考慮部分學生需要高層次學習、需要科研訓練等。所以，確定學生的學期學習任務是一個復雜的工程，不可一概而論。

（二）數(shù)學知識準備。每一門物理學理論課程中的理論規(guī)律都以數(shù)學形式呈現(xiàn)，深入理解物理規(guī)律豐富而深刻的物理意義以及熟練應用定理定律解決具體問題才真正達到學習物理課程的目的。大多數(shù)學生缺少這種知識轉化的能力，原因就在于數(shù)學知識停留在淺層，不能建立物理圖像，更不能在物理問題中準確理解和應用，因此將理論課程所需要的數(shù)學知識前移至物理課程之前將大有裨益。如電動力學課程中矢量場基礎知識，如代數(shù)運算、微分運算、張量分析等。

（三）前置課程學習內容，充分預習且形成問題。問題即不能用已有知識解決的疑問，同一問題對不同學生的復雜程度也不同。教師可制作微視頻（包括知識要點、問題等）、提綱式的PPT將課程學習內容提前一周告知學生，同時推薦匹配的中國大學MOOC資源，學生便可以結合網絡資源和教材進行自主前置學習。再在課前匯總學生在學習過程中遇到或提出的問題，然后針對這些問題重新梳理課堂教學內容，在課堂教學實施過程中有針對性和有所側重地解決問題，消除學生的疑問，使物理知識清晰呈現(xiàn)。

（四）課程內容先易后難、循序漸進。根據(jù)學生特點和課程特點，審視理論物理課程中各個部分的相對關系及其地位，對教材的內容、順序、結構作統(tǒng)一重構，既保持理論物理課程理論的嚴謹性和完整性，又便于學生消化和吸收。目前，在物理學理論課程學時普遍壓縮的情況下，可以避免過多的數(shù)學推導與證明，將側重點放在深入理解物理學理論規(guī)律、建立清晰的物理圖像和解決實際物理問題等方面。

（五）打開與物理學理論相關的科技前沿“窗口”。如：以北京大興國際機場建設、天眼工程、蛟龍?zhí)栞d人潛水器、天宮號太空實驗、墨子號量子科學實驗衛(wèi)星、北斗定位導航等為切入話題，討論工程的物理結構、聲光電科技、科學功能等，感受知識的力量與魅力，通過實實在在、活生生的典型和前沿科技讓學生感受到學習物理學知識的神奇魅力，鼓勵學生去追蹤、去探索，這對激發(fā)學生的學習興趣和探索欲望、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力大有裨益。

（六）開展線上線下混合教學。使用智能手機、平板電腦已經成為學生的日常，學習也不再是簡單的實體課堂教學活動。教師應充分利用各種資源，采用多種教學方法和教學手段，改變傳統(tǒng)的理論課堂單純教師講授的單一授課模式，將學生自主學習與教師講授等學習方式有機整合。在傳統(tǒng)的教師講授、微視頻、MOOC等基礎上充分利用Blackboard等平臺建設多維網絡資源，包括預習模塊、課程學習模塊、自我測試模塊、國外教學資源共享模塊和演示實驗模塊等，除此之外，還可進行作業(yè)上傳與批改。這樣的混合教學不僅實現(xiàn)了網絡資源的立體化以及教學資源的深度拓展和融合，而且可以整合數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)計分析，方便了解學情，掌握學生學習動態(tài)，也有助于任課教師積累教學素材、豐富教學經驗。

（七）將物理模型程序化，開展計算機輔助教學。利用倍受學生青睞的科技產品計算機可以實現(xiàn)大量的科學計算，輔以作圖軟件便可將計算結果可視化，將不能或不能用實驗演示的物理內容用計算機編程進行模擬演示，拓寬了物理內涵，學生可切身感受枯燥的理論知識轉化為直觀圖形的神奇魅力。計算機輔助教學實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學內容和形式上的創(chuàng)新，可以大大激發(fā)學生的主動學習意識和探索精神，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供有力支撐，同時也提升了教師自身的教學水平和科研能力。

（八）推行問題引導的學生為中心的研究型教學模式。這種教學模式倡導學生的自主學習和知識的自我建構。教師從教學科研領域中挖掘課題開展科研，引導學生參與教科研項目，教給他們查閱文獻、設計與進行實驗的方法與思路，指導學生撰寫科技小論文，發(fā)揮學生特長。由于學時有限，課堂上這種研究型學習的占比自然受限，可以延展課堂或以第二課堂的形式呈現(xiàn)。這種由學生主動參與的課堂學習與知識建構，不僅提高了教學效果而且培養(yǎng)了學生的科學思維能力和創(chuàng)新能力。

（九）翻轉課堂。翻轉課堂包括研究性學習和線上線下混合教學要素，翻轉課堂中，盡管教師的角色從主動變被動，從主導變引導，但從側面加強了教師所扮演的角色，要求老師通過提問、交流討論、項目完成情況分析等把握學生的學習進程和檢驗學習效果，實際上是對授課教師提出了更高要求。其優(yōu)越性在于真正實現(xiàn)了“以學生為中心”的教育理念，所有的學生都可以參與，技術應用、協(xié)作學習和個性化教育都可以在翻轉課堂上實現(xiàn)，但是，對于物理課程而言，知識點集中，國內的學生不擅于提問和主動性不強，會直接影響翻轉課堂的實施效果。所以，物理理論課程可以結合專題進行翻轉課堂的嘗試和探索，不適合貫穿課程始終。

（十）案例教學。學習過程是一個認識逐漸深化的過程，如何引導學生由淺入深、由吸納知識轉化為主動應用以解決具體問題考驗著教師的課程設計水平。在物理類理論課程中，適當采用教學案例法可以激發(fā)和誘導學生的學習動向、進而進行深入學習，即教師在學生已經掌握學科基礎知識和具有一定的分析能力的基礎上，結合教學目標精心設計教學案例，將學生帶入“問題情境”。如電磁場理論中高斯定理部分的學習中“如何選擇合適的高斯曲面”、重在培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)分析能力和繪圖能力的軟件類課程教學等均適宜采用“案例教學”。在此過程中，學生先捕捉知識，然后經過縝密思考獲取解決方案，最后凝練總結，這是一個能力逐漸提升的過程。當然，在處理問題過程中，學生的知識走向可能與教師的設置有偏差，教師可以適時輔以干預和引導，幫助學生獲得知識與技能。

（十一）課程思政。物理學理論物理課程蘊含著豐富的物理思想、辯證唯物主義內容、科學家的家國情懷、科學之美等要素，定理、定律都源于科學家們智慧的結晶，可以非常自然地以科學成果為切入點，將科學家們取得科學成果的艱辛歷程、深明大義、艱苦抉擇、博愛擔當?shù)冉Y合到具體的物理問題中，引導學生的思維向縱深發(fā)展，深刻領會大家的“家國情懷”與“民族擔當”，引導學生有所思、有所想、更有所行動，將所學到的知識轉化為自身的修養(yǎng)和素養(yǎng)，實現(xiàn)知識傳授和價值引領的有機統(tǒng)一、教書與育人的和諧統(tǒng)一。引入課程思政的教學會更有溫度、更有張力、也更有活力。

普通高等學校教師承載著教書和育人的雙重使命。授課教師作為知識的傳授者總是對學生的學習充滿期待，期待他們掌握基本知識、期待他們深入學習、期待他們靈活應用、期待他們在自然的學習過程中獲得高層次的發(fā)展。在網絡時代背景和立德樹人教育理念下，要培養(yǎng)學生的高階思維，本科教育階段的教學改革重在打破傳統(tǒng)的灌輸式教育教學模式，以豐盈學生內心、讓學生有角色感、有參與意識、有重任在肩的姿態(tài)為抓手，教師須開源節(jié)流，走進學生的內心，適時、深度開發(fā)和整合教育教學資源，不斷更新教學內容和教育理念，采取與時代相符合的教育教學方法和教學手段從事教育教學工作，只有這樣才能站好高校教師這方神圣的大舞臺。