工科物理课程改革与教材建设
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作者: 王祖源 严导淦
摘 要：本文介绍了我们在大学物理课程改革中所做的几项工作。通过对教材建设中相关问题的反思，从教材在“培养学生的科学思想”、“关注知识的应用”、“教材的可教性”、“语言凝练”以及“启发性与趣味性”等方面进行了阐述，提出了教材建设中尽量做到“讲解浅一点、视野宽一点、内容新一点、思维活一点、知识用一点”的建议。
关键词：教育改革；学习兴趣；创新能力；教材建设；物理教学
创新人才培养离不开创新教育。创新教育是一种全新的教育理念，需要将教学方法转变到启发式、讨论式、探究式的教学方法上来，调动学生学习的积极性；教给学生创造性思维的技能和技巧，加强创造性思维的开发和训练。培养创新型人才，主要是培养学生的创新精神和创新能力，是当前本科教育改革的根本目标。
一、物理课程改革的思路
高等教育承担着培养高级人才、发展科学技术、促进社会进步的重大任务，教学质量是教学改革和课程建设的一个永恒主题。如何能更好地激发学生的学习兴趣，促进学生对物理知识的理解，提高学生分析和解决问题的能力，培养学生的探索和创新意识，一直是我们“普通物理学”课程改革与建设的重点。
围绕着激发兴趣、提高质量，我们在师资队伍建设的基础上，主要从教学内容和教学模式的改革入手，实现教学过程整体优化。
1. 教学模式改革
在我们早期提出的“环境浸润”指导思想下，从课堂内外为学生建立有效的探究学习环境。课堂教学中，教师有意识地将自己浸润于探究环境中，以探究问题的方式引导学生学习知识；课外教学中，利用一切包含演示实验和计算机网络在内的可利用的软、硬条件，开拓能够激励探究学习、适合探究学习的环境，使学生在潜移默化中学习。这种设置旨在使学生把自然界纷繁的物理现象，通过梳理和提炼，升华到科学的境界，归结为物理本质的寻求与界定，凸显出它的包容性和广博性。如果学生能从中沉思求索，一旦豁然开朗，将引发自己的创造能力，且富有实践的指导意义，也许会给学生今后进入社会带来丰硕的工作效益和无比的精神愉悦。
（1）物理教学数字化平台建设。以激发学生学习物理的兴趣、提高学生分析和解决实际问题的能力为目的，将信息技术工具引入课程教学，通过教育部“使用信息技术工具改造‘普通物理学’课程”项目的研究，构建了“物理教学数字化平台”，初步完成了百余个物理模型的开发研制；在课堂教学中，结合早期建成的图形、图像库资源应用，取得了良好的效果。
（2）课外网络学习环境建设。针对学生普遍爱好多媒体和网络的特点，根据课堂教学之需，研制了备受同行瞩目、且在同行中颇具影响的“物理学教学资源库――图形图像资源库”，1600余幅图形、图像画面精美、技术先进，内容涵盖“普通物理”基本知识，已成为“中国高校课程网”的重要资源之一。同时，制作并建立了含有62个演示录像的教学录像库、100个动画的教学动画库，出版了“大学物理资源光盘”。构建了大学物理教学网站，内容丰富、功能强大，近5年上网学生超过100万人次。将数值计算与数字模拟手段引入课程，“大大地吸引了学生对物理的兴趣”。先后获大学物理课程报告论坛“物理资源建设大赛” 一等奖1项、全国计算机多媒体与网络物理教学成果大奖赛一等奖1项、全国多媒体课件大赛高教理科组二等奖1项、全国多媒体教育软件大奖赛高等教育组多媒体课件优秀奖1项等。3D模型在课程网站上发布，促进了教学资源共享与学生的协助学习。手机应答系统基本建成，进入试用阶段。促进了学生的自主学习和个性发展。
（3）物理探索实验室建设。坚持向学生开放物理探索实验室，以物理实践工作站等建设为抓手，充实和完善实验教学内容，先后开发了“激光投射教学演示仪”、“SWG-96型一体式可再生燃料电池演示实验仪”、“ZCY-98型红外通讯演示仪”和“霍尔型速度/里程表演示仪”等，分别获第九届物理演示实验教学研讨会演示仪器一等奖、二等奖和三等奖各1项。“模拟傅科摆”、“相对论视觉效应”、“法拉第电磁感应”演示仪分别获第十届物理演示实验教学研讨会演示仪器二等奖和三等奖。
（4）创新学习机制设置。在日常教学中给予鼓励、成绩肯定、辅导推荐作品等，使学生有积极性进行探究学习。以课题研究项目为牵引，通过国家大学生创新性实践计划项目、学校创新项目（SITP）的训练，物理竞赛等，使学生的创新能力得到提高。
2. 教学内容改革
把信息技术工具与“普通物理学”课程的教学有机地结合起来，通过工具的使用讲解理论要点和各种概念，使得抽象、复杂和枯燥的教学内容变得形象、简明和生动。运用信息技术，促进学生的探究性学习，帮助学生通过对动画展示物理模型的探究，自主构建物理知识结构，实现不同层次的学生在各自的最近发展区差异化学习，最终达到提高教学质量的目的。
教材是最重要的教学资源，如何能更好地调动学生的学习兴趣，做到易教、易学，是我们“普通物理”教材建设的一个重点。为此，在教材建设中我们更为关注与现实生活和科技发展的结合，更为关注物理思想和方法的启迪，更为关注语言的简明通俗和版面的精美朴实，引发好奇心、增加亲切感，针对不同层次需求先后编写出版“普通物理”系列主教材2部、修订3部，编写出版辅教材4部、配套资源光盘1套、电子教案2套、活页作业2套，教材中有2部获高等教育精品教材，6部获普通高等教育“十一五”国家级规划教材，2部获上海市优秀教材奖，据不完全统计，主教材销量超过50万册。
在相关教材的修订中扩展了一些需要进行数值分析的题目，在增强学生的计算、设计和解决复杂实际问题的能力方面发挥了重要作用。
二、关于教材建设的思考
物理学作为基础课，其首要任务是促进学生确定客观、正确的物理思想，树立辩证唯物主义的世界观，提高科学素养和学术水平。并且，大学物理教学过程中，与中学物理教学有迥异的两大特点：① 大学生的学习以自学为主，对教材内容必须作出恰当的表述和较详尽的解析。教师切忌照本宣科，学生也不宜捧着一本书自学和做习题。教师授课，除了指定的主教材外，不妨适当介绍二、三本同类的国内外参考书。② 物理与数学关系密切，可以通过物理教学，让学生实现从“不变”的思维方式向“变”的观念转变、从“恒量”转为“变量”的跨越，这乃是思想上的一种飞跃，也是中等教育与高等教育的不同。
当前，对物理学的内容和体系有待进一步开拓进取，锐意改革，不落窠臼，不唯权威是从，不摄于国外教材的约定俗成。以独到的见解另辟蹊径，对全书内容和体系进行积极稳妥的处理，既不拘泥于同类教材的传统模式，又便于教学操作，易教易学。且以生替熟，避免与中学物理过多重复，也注意到与后续课程的衔接，将是教材建设的发展方向。我们认为，教材编写要关注以下几个方面：
1. 培养学生的科学思想
教材应保证知识的科学性和教学的可行性是不言而喻的问题。知识的科学性要求阐述的物理内容应当是经过实践检验的事实和理论――稳定的、具有生命力的知识；给出的概念应有充分的事实依据，包括学生感知现象和实验事实。教学的可行性指讲授的物理知识既要符合学生的认知规律，具有一定的系统，又要考虑到与学生的认知水平相适应。值得注意，教材的科学性并不意味着不分对象，不分阶段；科学性不等于严密性。教材中的科学性要求是绝对的，严密性要求是相对的。例如定性抑或是定量等。思想性指对学生进行科学思想的教育。科学性与思想性相统一，即以科学观点和方法，指导和保证教材的科学性。这里指如何对学生进行科学思想的训练问题。引用交通大学理学院原院长、物理学教授裘维裕的观点。他认为，大学的使命“不是教学生一种吃饭的本领，或者解决学生的出路问题”，而是“要养成学生一种健全的人格，训练一种相当的科学思想，有了这种训练，毕业以后，无论什么工作，就都可以负担，都可以胜任”。他主张，大学课程“要养成学生有科学习惯的思想。这种思想，可以用数学，物理及力学的基本原理解决各种问题来训练”。
因此，教材应该是教科书，其内容的选取要在学生的学习过程中起知识的载体和学习指导的作用。它也应是教师进行教学的依据或参考用书，教材通过自身的结构指出了教学的整体顺序，通过自身的内容限定了教学的基本程度和要求，比较权威地指导教学。同时，教材应该是教学思想的充分体现，要体现作者自己的思想，内容要满足、但又不能拘泥于“基本要求”，它绝不是千篇一律的产品。需要以确保经典、兼顾近代为原则，着重阐释物理学的基本知识、基本原理和基本定律；并导引读者从中领会一些物理学的思想和方法。
2. 理论联系实际，关注知识的应用性
随着教育越来越普及，人民的文化素养也愈来愈高，科学技术的高速发展，全球文化的交融以及广泛的可用作教学资源的出现，都要求教材不能一成不变，应该以发展的眼光进行教材建设，与世界先进教育理念相结合，使教材充满现代知识气息。裘维裕教授认为，纯粹科学是一切应用科学的基础与源泉，是学习任何科学的基础。作为基础学科的物理学，是工程技术基础的先驱，工程学本身就是物理学在工业上的应用。因此，物理教材应该在应用性、实践性、科技性方面与社会实践挂钩；教材内容要能很好地反映当前科技发展，否则学生觉得没有新鲜感，所以很难产生兴趣。在教材编写中，某些内容在力保科学性的前提下，可以适当联系一些工程和生活实践，触发学生的兴趣和好奇心。例如热机循环问题的讲解，结合内燃机的工作原理简述，比单纯从p-V图上讲某种热机循环效率的求解方法更有效。我们的教学需要理论联系实际，力求在当前我国经济发展所引起的大范围就业结构中，拓展学生就业的适应能力。
3. 教材应具备可教性
现在编写教材的单位和个人很多，教材的写法也五彩缤纷。一本好的教材应具备学生易读、易学，教师易教，具有探索改革之特色。教材的深度和广度应符合学生的可接受程度，综合水平与教师的教学能力基本适应（一个出色教师除了要有较高的学问外，最重要的是要懂得如何在课堂上调动学生的积极性，使学生有兴趣，爱上你的课，感觉上你的课非常快乐，这样才有利于提高教学质量。而激发学生学习兴趣的有效性主要通过教学的传播能力和交往能力体现出来）。在论述上，以一种简单而不单薄、清淡而不肤浅的叙事风格，由浅入深，引俗趋真而不诡随，意到笔尽而不拘一格，重在基本概念和理论的阐述，对学生起到一定的点拨解惑作用。对每章习题，力求布题周详，题材多样，难易适中，条引有序，有助于学生把握全章，并达到基本训练的目的。
作者要进入学生角色，以学生能够接受的语言编写教材。避免繁琐的推导证明，重视知识与能力、智力与非智力的培养，力求图文并茂，言简意赅，生动有趣。
4. 语言精辟，通俗准确
在对基本概念和难点、重点内容的描述中，文字要简明扼要，形象生动。具体处理时，可以采用“开门见山，长驱直入，直击主题”的风格。例如，英国Marry Davies主编的《高级物理学自学指导书》中，关于“波的特性”有一段写法新颖别致的叙述，其大意为：“波动是一种非常普通而重要的现象。生物，包括人类，认识它们周围的世界是依靠声波和光波。人类交流思想、交换信息也是依靠声波和光波；自古以来，很难想象，人类之间有什么交换信息的方法不是靠波动。此外，波动还提供了传输能量的方式；例如，对人类生存绝不可少的太阳能就是靠波动过程从太阳传送到地球表面上来的……人们在日常生活中经常不自觉地运用科学上的‘模型法’。例如伦敦地铁的交通图就是一个‘模型’。它不是地铁系统的完整复制品。首先比例不一定准确，又如地铁的轨道也不像图上那样带有红、蓝、黄、绿各色的线条，但是它能指导乘客如何到达目的地。人们观察在长弹簧中、弹性绳或水面上出现的机械波，于是在头脑中建立起波动过程的形象（模型），再利用这个模型来理解人们看不见的声波和光波。”这是富有概括和生动的描述，同时反映出了作者丰富的教学经验。
然而，语言文字要达“简明”并非轻而易举的，追求“简明”更需叙述准确。如力学中对物体受力情况进行分析，以符号替代文字标注在示力图中，重力是G, 不可写成mg；在理想气体条件下压强才是标量等。
5. 启发性与趣味性相结合
科学不是死记硬背的知识，科学的任务是探索未知，科学素养最终将在获取知识的能力上反映出来――对学生进行科学素养训练，给他们一个辽阔的思维和发挥空间，使他们充分发挥自己的内在潜能，达到全面发展。
吸引学生在喜欢阅读的基础上进一步钻研教材，其内容简明扼要，留有余地；使学生通过求索思维，感受更高层次的乐趣。例如，有的教材每章开头，结合相关内容提出一些富有时代气息、且易为阅历不深的低年级大学生所接受的生活实例，如“变化的电磁场”开首用一张关于ATM机信用卡取款机的照片，辅以文字说明，吸人眼球，引人入胜，触发读者的兴趣和好奇心，使之怀着迫切求知的心态去了解和拷问ATM机的机理，从而为学生学好本章内容提供了良好的开端。
教材应重视学生主体能动性所发挥的作用，使学生积极思考，改变被动接受的不良倾向，培养学生自主学习能力，独立分析问题，解决问题能力及创新能力而这只能通过插图、习题、版面的生动和多样化，引人入胜的文字表达来体现。
总结上述各侧面，感悟于物理教学老前辈们概括的五个“一点”，即在教材内容和例题、习题的编写中，力求写得“讲解浅一点、视野宽一点、内容新一点、思维活一点、知识用一点”，这对工科物理教材在适当提升物理直觉性的浓度、信息量的密度和物理思想的深度等方面不无裨益。
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