基于物理概念逻辑性和实用性的大学物理教学改革研究*

连赟猛，许玉冬，林 雪

(福建农林大学金山学院，福建 福州 350002)

随着国家经济的发展和社会的进步，人才的培养占据及其重要的地位，国家需要研究型人才，应用型人才，技能型人才的全方位发展，各类型人才在社会发展中占据不同的地位，解决不同的需求。其中研究型人才重在提出问题，把握社会发展方向，这是部分“211”和“985”高校的人才培养目标；
应用型人才重在学以致用，如何解决问题，这是当前大部分地方高校提出的培养目标；
技能型人才重在实际操作，熟练技术，培养工匠，这是当前高职院校的培养目标。

基于应用型人才培养的需求，大学物理作为专业课的先修课程，是高校理工科专业的一门基础课程，该课程所教授的物理学基本概念、基本定律，物理学的原理和思想方法，是学生形成科学方法论和世界观的重要部分，同时也是科学技术应用的基础理论；
因此，如何培养学生的创新思维，使学生具有如何应用基础理论知识解决实践问题的能力是大学物理教学的重要研究内容。针对当前“大班授课”和大学物理学时不断缩减的情况，学生学习积极性不高的问题，学生只知道学不知道应用的现状，如何进行大学物理教学改革，使之主动服务应用型人才培养，是摆在物理教师面前的一个重要课题和紧迫任务。本课题主要从物理规律发展的逻辑性、历史性和实用性入手，即介绍物理学原理的来龙去脉，物理思想的发展过程，介绍物理学理论的基础工程应用，切身感受物理的魅力，引导学生动手设计简易实验解决实际问题，体会物理的实用性，使同学们在学习过程中体会科学的方法论，启迪其探索精神，培养优秀的逻辑思维和解决实际问题的能力。

当前各理工科专业加强专业课及专业实践锻炼课程，开始弱化大学物理教学，容易给学生造成物理不重要的假象，被动学习物理，失去学习兴趣；
基本物理解题能力不断下降，学以致用的能力和创新能力很难发挥出来。为了解决大学物理教学过程中表现出来的各种问题，许多应用型地方高校的大学物理教师积极探索有效的课程教学方法，提出一系列的教学改革措施。西藏大学宁长春[1]总结大学物理期刊近十年教改论文，结合个人的教学经验，在教学内容、教学方法，课堂反馈等方面提出了如何提高教学效果的建设性建议。湖北理工学院熊辉[2]通过丰富多样的理论教学方法，创新大学物理实验手段，引导学生参与大学物理竞赛，产学研合作教学等方法，为物理学专业建设提供一定参考和借鉴；
姜寒玉[3]提出基于迁移理论的肖像式结构原则混合探究式教学模式，达到学生深度理解知识的效果，并增强其创新能力。哈尔滨工业大学王晓鸥[4]基于新工科背景下的课程体系改革，教学方式的改变，转变教师角色，以学生为主体，取得良好的教学效果。广东石油化工学院张昌莘[5]在工程教育观的指导下对大学物理理论课和实验课进行初步改革探索，提出了一系列改革措施，提出工程背景的实际案例与教程编排。陈杰[6]、程杰[7]、胡秋波[8]都通过线上线下结合，翻转课堂等方式激发学生学习兴趣，促使学生主动学习

逻辑异或检测法：对两幅二值图像，使用逻辑异或运算将两幅图像中相同部分置为背景，而不同部分置为目标，获得一幅代表两个时相间地表地物光谱变化的差值图像，可以快速自动地检测地震造成的地表地物变化。

图像差值法：是最常用、最简单的遥感图像地表地物变化检测法，其原理是对已配准的、不同时相的两幅遥感图像进行逐像元灰度值相减，获得一幅代表两个时相间地表地物光谱变化的差值图像，差值图像中差值为0 或接近为0 的地表地物不变，而在差值不为0 的地表地物发生变化。

2.1 立足“过去”教学方法

创造力的获得，并不一定要站在时代的前端，在人类文明发展的历史长河中一样拥有丰富的资源，一样隐藏着创造的源泉[9]。纵观2000 多年的物理学发展史，物理概念、定律、思想方法的形成并不是一蹴而就的，而是长期的曲折与反复过程，包含了分歧与斗争、停滞与突破[10]，将如何获得物理概念与定理的思想斗争过程介绍给学生，学生既可以知道物理知识的来龙去脉，也可以加深物理概念实质的理解，物理大师辩论的焦点也会体现在学生学习的重难点中，知晓物理定律获得过程的研究思路，研究方法，使得学生受到科学方法论和世界观的教育。例如费马原理和能量守恒定律的发展历史。

2.1.1 费马原理的历史发展过程简介

在费马原理章节，以问题的方式开始：为什么光的反射角等于入射角？是什么决定光的实际路径？介绍公元前1 世纪，希罗（Hero）采用几何学的论证方法提出了光传播的最短路径原理[11]，这是利用极值思想方法的最早的最简单的案例,自然界有着趋于简单性的内在倾向[12]。接着介绍光的折射定律，首先，介绍开卜勒在实验中发现光的折射规律的失败案例，再讲解斯涅尔（W.R.Snell）在实验中发现折射光线的比值规律，但是却缺乏理论的验证；
而首次把入射角和折射角的正弦之比在折射定律中表达出来的是笛卡尔，但是笛卡尔的错误之处在于假定光在光密介质中比光在光疏介质中更易于传播[13]，因此费马排除了笛卡尔的一些错误观点，在希罗最小路径的启发下，在光的折射中提出最小时间原理，经过了4 年的时间，对光的直线传播、光的反射、折射给出了统一的描述，现在看来，费马原理的论证虽然也有不足之处，但是也要继承和发展其价值所在，正如薛定谔所说的，在量子力学创立过程中发挥了极为重要的作用。

2.1.2 能量即能量守恒定律的历史过程

（1）运动的量的表达形式

关于物体运动的量的描述，笛卡尔认为用质量和速度的乘积来表示，并认为运动永远不变或守恒；
而莱布尼兹根据伽利略落体定律，提出质量与速度平方的乘积（mv2）作为运动的力的真正度量[14]。直到1801 年英国物理学家托马斯·杨用“能”这个词表示物体质量与速度平方的乘积，1829 年法国工程师彭塞利（J.Poneclet）引入“功”这个词，科里奥利对功的明确定义，为以后能量的转化奠定了定量分析的基础[15]。

（2）热的本质认识过程

在能量守恒定律的发现过程中，关于热的本质认识过程也起到一定的作用。向学生介绍热质说和热动说，热质说认为热是无重量的特殊物质；
热动说认为热是组成物质的细小微粒的运动。热质说的主要倡导者，英国化学家布莱克在热质说的基础上提出“比热”和“潜热”的概念，对热学的发展起到一定的促进作用，但也存在一定的局限性，不能解释摩擦力做功生热的现象，而伦福得和戴维的实验和论证可以得出合理的结论，热是物体微粒的运动或振动[16]，热的本质认识过程也是对学生常识理解的一个冲击过程。

（3）能量守恒定律的发展

随着自然科学的蓬勃发展，自然界中不同的运动形式存在着各种各样的联系与转化关系不断被发现，比如电磁联系，电热转化，电光转化等等，能量守恒定律就是在这种转化关系上建立起来的，在能量转化的量化关系中起到关键作用是迈耶、焦耳和亥姆霍兹；
迈耶从哲学思辨上提出热功当量的换算；
焦耳则从实验入手；
最后亥姆霍兹采用数学语言统一能量转化规律，使得能量转化定律真正确立起来。

（4）大统一本源理念

人类一直在寻求一种统一的理论体系来描述自然世界前因后果，因此针对不同的物理体系，不同层次上的“变化”，是否存在某种性质的自相似特征？而能量转化与守恒则是一个重要的共同的线索[17]

2.2 结合“现在”，工程应用与切身感受相结合

物理知识的理解与掌握，仅靠物理习题的练习是不够的，从教育心理学的角度来说，注重知识的应用也是学生掌握知识的重要一环，在课堂讲授中，适当引入成熟的工程应用案例和有趣的生活现象，并引导学生使用简易材料演示物理规律或现象，说明物理原理在科技生活中的重要作用，能够使学生开拓视野，激发兴趣，感受物理的价值，在传承中启发其创新性。

2.2.1 情景化教学

“学起于思，思源于疑”，学生的思维活动起源于问题，引入物理现象问题，引起兴趣，促进思考，引出要讲解的知识[18]

（1）问题情景化

引入贴近生活的看似寻常的物理现象，理论分析后又超乎常识的例子，对引起学生的专注力和学习兴趣起到很好的调动作用。

案例1：为什么冬天的白天，墙内表面温度比室温低？墙外表面温度又比户外温度高？（热传递）

案例2：为什么地面上的河流总是蜿蜒曲折的？（动量定理，水流压强）

案例3：将硬币放在强磁铁上，为什么只是倾斜的稳定？（势能）

案例4：后浪来了，前浪一定会被拍死在沙滩上吗？（波传播的独立性）

（2）习题情景化

设计与选择与实际问题、贴近时代和生活的问题，更具有针对性和鲜活度[1]

案例1：已知月球与地球间距R=3.84km，用孔径为1m 的天文望远镜观察月球表面，求月球表面细节的最小间隙为多少？

案例2：如图1 所示，在雷达探测飞机时，某一时刻飞机与雷达直线距离为r1=2.8km，与水平方向夹角θ1=370，经过1.2s 后，又测得飞机与雷达直线距离为r2=3.6km，与水平方向夹角θ2=300，且假设r1，r2在同一竖直平面内，求这段时间内飞机的平均速度？

图1

案例3：某停泊在赤道无风带的小船.船长决定采用应急措施，把m=200kg 的锚升到长l=20m 的桅杆顶上使船运动，船及其负载(不包括锚)的质量M=1000kg，（地球半径为6400km）问：

①船为什么会运动？朝哪个方向运动？运动速度多大？

②使船运动的能量从何而来？

（3）演示实验情景化

杨振宁先生说过，“公式演算并不是物理学中最重要的部分，现象是物理学的根源”，在物理内容的设计上，引入物理演示实验的内容，能够调动学生学习积极性，触发沟通与讨论，起到抛砖引玉的作用，学生能在演示实验或探究实验中创新出新的实验或想法，或是可以促进大学生创新创业[1]。

案例1：5 块质量分布均匀的砖头，如何搭才能使露出桌面的距离最大？图2 所示为部分同学演示作品，目的是促使同学们从实践中激发兴趣。课堂讨论时，同学们自然提出砖头数目增多，搭法如何？是否有理论计算作为支持？激发了同学们学习的动力和兴趣。（刚体动力学）

图2 手机最大悬出距离

案例2：教授刚体角动量守恒定律，同学们演示茹科夫斯基椅，如图3 所示

图3 茹科夫斯基椅演示

案例3：在杨氏双缝干涉章节，课前引导同学们利用简易材料演示干涉实验，图4 所示为同学们的演示图。

图4 干涉实验演示

2.2.2 工程应用案例教学举例

案例1：质点动力学工程应用案例

植保无人机喷洒雾滴的数学建模、物理建模及其动力学分析，计算雾滴相对地面的速度和位移表达式及其影响因素[19]。

案例2：惠更斯原理与夫朗禾费衍射工程应用案例

惠更斯原理看似表述简单，可以解释反射、折射、衍射等，在相控阵雷达中却有重要的应用，相控阵雷达的发射单元看作发射子波的波源，只是相位上存在差异，在发射过程中强度的分布可以用光栅衍射进行分析，体现理论的具体应用。

案例3：黑体辐射与导弹预警系统

根据普朗克的黑体辐射公式温度在2000K以下的物体，辐射能量主要集中在红外波段，由斯特潘-玻尔兹曼定律，黑体辐射本领与绝对温度T4成正比，因此可以通过红外扫描盒凝视相机跟踪导弹尾焰并实时显示其轨迹，根据在不同高度上的形状和亮度差异，来定位追踪导弹的发射

与传统教学相比，课后同学们的反馈更加积极了，主要体现在概念的逻辑性和历史性上，例如某同学反馈终于知道动量概念的来龙去脉及其与动能的区别，对于工程应用也起到了抛砖引玉的作用，有同学对相控阵雷达表现出了极大的兴趣，正好趁此机会鼓励其进一步学习，并做好课堂分享。而且学生课堂互动明显增强，参与程度很高，很好的起到了引导学生思考的作用。正所谓教无定法，从一切能够激发学生兴趣的教学手段和教学方式入手，作为教师，需要及时关注国家政策导向，物理前沿问题，在新媒体下及时关注收集与物理相关的案例，在学生的每一次作业中、每一堂课后做好及时反馈和反思总结，不断丰富教学内容和教学手段方式，不断提高大学物理教学质量。

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