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类比法在大学物理教学中的应用探讨

来源:用户上传      作者:孙丰伟 高峰 曹学成

  摘 要 随着高考改革,学生可以选择3+X的考试组合模式,鉴于物理抽象难懂,并且需要更多的数学知识,导致高考选考物理的学生人数锐减。大学物理作为一门重要的必修公共基础课程,对于国家所倡导的通识教育和科技强国战略具有重要的作用。类比法作为一种行之有效的教学方法将在帮助学生深入理解和把握抽象的物理概念及定律方面发挥独特的作用,同时学生可以运用类比方法发现科学问题,锻炼科研能力,培养科学素养。课堂教学中将类比法与学生思政教育有机结合,收到良好的效果。
  关键词 大学物理 类比法 通识教育 思政教育
  中图分类号:G424                                   文献标识码:A    DOI:10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.058
  Discussion on the Application of Analogy Method in College Physics Teaching
  SUN Fengwei, GAO Feng, CAO Xuecheng
  (College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)
  Abstract With the college entrance examination reform, students can choose the 3+X exam combination model. Given the intricacies of physical abstraction and the need for more mathematics, the number of students who choose the physics of the college entrance examination is drastically reduced. As an important compulsory public foundation course, university physics plays an important role in the general education and science and technology power strategy advocated by the state. As an effective teaching method, the analogy method will play a unique role in helping students to understand and grasp the abstract physical concepts and laws. At the same time, students can use analogy methods to discover scientific problems, exercise scientific research ability, and cultivate scientific literacy. Classroom teaching combines analogy with students' ideological and political education and receives good results.
  Keywords university physics; analogy; Ideological and political education
  大学物理作为重要的公共基础课,在提高和培养学生的科学素养[1]和通识教育方面具有越来越积极的作用。同时,面对大学生物理基础薄弱以及高考未选考物理的困境,为解决这一难题,需要教师在物理教学过程中将抽象枯燥的物理知识讲解的浅显易懂,引导学生将物理知识和生活中的现象以及自己的专业知识相结合并进行类比,既可以正确理解和掌握复杂抽象的物理概念、定律,也可以加深对物理现象和专业知识的理解。同时为了积极响应党中央中央关于思政教育进课堂的指示精神,将对学生的思政教育与类比教学法进行有机结合具有非常重要的意义,可以实现教书与育人的有机结合。
  1 以具体现象类比物理概念
  物理概念作为物理学大厦的基石,理解和掌握好物理的基本概念是学好物理的前提。作为大学物理老师如何将抽象深奥的物理概念讲解的深入浅出,让学生可以把握概念的精髓是一门重要的基本功。对于没有经过专門的物理科学训练的非物理专业大学生来说,在学习物理概念的过程中会遇到很大的困难。为此,就需要物理老师在教学过程中,将物理概念的讲解和学生的生活相联系,并进行适当的类比,帮助学生真正的理解和掌握物理概念。[2]例如在讲解《流体力学》中的层流和湍流的定义及特点时,可以将层流、湍流与生活中的遵守交通规则和违反交通规则进行类比(如表1所示),让学生形成更加清晰直观的物理图像。
  利用上述层流、湍流与交通规则的类比法教学,可以让学生非常深刻的理解和掌握流体力学中层流、湍流的定义和特点,同时教师在课堂上还可以做进一步延伸,教育学生在日常生活中遇到类似火灾、水灾或者地震等突发事件需要紧急疏散人群的时候,必须要听从统一指挥,按照“层流”模式依次疏散才是最安全有效的。通过类比教学,教师可以实现对学生教书育人的有机结合。通过上述类比,教师可以实现对学生教书育人的有机结合。   2 大学物理知识与专业知识的类比法教学
  物理是一门基础课程,物理概念、定律等在非物理专业中会有大量的应用。由于学生本身知识水平的限制,很难将物理知识与专业知识建立联系,所以导致学生无法理解物理的重要性,从而降低了学生学习物理的积极性和主动性。物理知识和专业知识相当于分离的两岸,教师就是将物理知识与专业知识建立联系的桥梁。为了提高学生学习物理的兴趣,需要教师将物理知识和学生的专业知识有机地结合起来,从学生的专业知识中选取适当的例子来对所学的物理概念、定律等进行解释,这样可以让物理课程更加生动有趣、有血有肉。在液体表面性质一章的教学中,渗透压与植物水分输运部分讲到植物气孔蒸腾作用的物理机理,[3]蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽狀态散失到大气中的过程,这部分内容是农学类学生专业基础课上的内容。在引导学生分析气孔蒸腾的影响因素时,可以引导学生利用二分法将影响因素分为与气孔有关的内因和与外界环境有关的外因。在分析与气孔有关的内因时,可以引导学生将气孔类比成教室的门,水蒸汽分子类比成学生自己,水蒸汽从气孔内散失到气孔外类比成学生离开教室到达室外(如表2所示)。
  通过以上的深入浅出的简单类比,学生容易理解气孔对植物蒸腾作用的影响,有助于掌握渗透压与植物水分输运教学内容。在讲完该类比的例子之后,可以引导学生多利用类比法,帮助自己理解和掌握相对复杂难懂的专业知识。
  3 类比教学下的学生思政教育
  在讲授卡诺热机时,[4,5]可以得到卡诺热机的热机效率为,其中T2和T1分别代表高温热源和低温热源的热力学温度。在相同的高温热源和低温热源之间工作的所有热机,卡诺热机的热机效率最高。此时可以提问:“如何理解在相同的热源之间工作的热机,以卡诺热机的热机效率最高?”引导学生思考热机效率反映的是热机中的工作物质吸收的热量转化为功的能力,也就是从能量的角度来研究热机的性质。引导学生将热机效率和学生的学习效率做类比(如表3所示)。
  通过这一类比,学生可以非常简单清晰的理解卡诺热机的效率最高,同时可以教育学生在学习过程中向卡诺热机学习,在课堂听课过程中,减少各种时间浪费因素,在整个课堂学习中只跟老师和课本有交流,从而提高自己的学习效率。通过类比教学使学生深刻理解和掌握卡诺热机的效率,同时也对学生进行了有血有肉的思政教育。
  4 结论
  大学物理是学生科学素养培养和通识教育的必修公共基础课程,也是国家科技强国战略的重要一环,需要教师在授课过程中将抽象复杂的物理知识通过类比法进行深入浅出的讲解,以使学生准确理解和把握知识点。我们运用类比法开展课堂教学的实践表明,学生对大学物理的理解与掌握水平明显提高,类比法在讲授复杂深奥的物理知识方面具有独特的优势。同时物理作为一门与不同的学科有密切联系的学科,可以成为思政教育进课堂这一政策的重要载体,通过将类比法与思政教育有机结合,实现教书育人的完美统一。
  *通讯作者:曹学成
   基金项目:中华农业科教基金(NKJ201802010)资助;山东农业大学教学改革研究项目(X2017119)资助
  参考文献
  [1] 王文春,李雪春,郑殊,等.在大学物理课堂教学中采用类比法教学有利于拓展学生思维[J].物理与工程,2017(27):48-50.
  [2] 章登宏,房毅,张孟.浅谈物理学研究和应用中的类比方法[J].物理与工程,2009.19(5):24-26.
  [3] 董泽军.植物蒸腾作用高速率之原因[J].中国农学通报,2010.26(21):131-135.
  [4] 曹学成,姜永超.大学物理[M].中国农业出版社,2015:92-120.
  [5] A. J.Nicastro.卡诺循环的动力学模型[J].1987.1(2):42-42.
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