教学模式的构建其影响——文科物理教学为例

摘 要：论述了文科物理课教学改革的必要性及教学模式的构建,分析改革以来的教学效果.

Abstract：Thispaperdiscussesthenecessityforteachingreformoftheliberalartsphysicsandtheconstructionofteachingmodeandanalyzestheeffectsoftheteachingreform.

关 键 词：文科物理；矢量；微积分；物理实验

Keywords：liberalartsphysics；vector；calculus；physicsexperiments

中图分类号：G40文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）33-0241-02

0引言

目前,国内外先后有一些综合性大学开设了文科物理课程,但还处在起步阶段.为推动课程建设,笔者总结了近年教授文科物理课程教学改革的经验及教学效果.

1历史背景与现实需求

在新的形势下,国外施行多年的通识教育被引入了我国高校.通识教育的目的是提高学生的综合素养,以补差为特点,对理科学生主要是进行人文社科知识素养教育,对文科学生则主要是进行自然科学素养教育.在人类物质文明进步史上,作为自然科学与工程技术学科基础的物理学的贡献最大,物理学不仅是科学,也是文化和哲学[1].因此,物理学是最适合作为对大学文科学生进行科学素养通识教育的学科[2],国内一般将面向文科大学生开设的物理学通识教育课程称为文科物理[3].文科物理作为高校对文科生实施科学素质教育的一门重要课程,顺应了高等教育该科的潮流,体现了科学教育与人文教育的融合,特别对提高文科学生的科学文化素养起到了积极作用[4-5].

2如何开展文科物理教学

2.1明确开设文科物理课程的教学意义人类社会的发展从来就不是按照学科分类发展的,只是为了便于研究,才分成了自然科学和人文科学.但分类不是分家,早在“五四时期”,大学里就有人提出了“文理兼收”的口号,只是后来渐渐地被人为地将文、理割裂开来.新中国成立以后,我国仿照当时苏联的做法,对全国的高等院校进行调整,高等院校变成了专业性的学校,使得这种文理人为割裂的现象愈演愈烈.人文类学生是未来社会的管理者,他们的个人素质直接影响着一个部门甚至社会的文明和进步程度.诺贝尔物理学奖获得者杨振宁指出：“中国教育发展到今天,提出了素质教育的办法,这是非常有意义的.我想素质教育也许是人生之中的一个非常重要的里程碑,对于一个学生,将来不管做什么事情,不管朝哪个科目去竞争,素质教育都是十分有意义的[6].”美国物理学家费曼曾经说过：“物理学是最基本的、包罗万象的一门学科,它对整个科学的发展有深远的影响”.[7]考虑到大学物理的这一功能,在高校文科类专业中开展物理教育,对促进人文素质与科学素质的有机融合.

2.2建立数学模式物理学是一门定量化的实验科学,依据实验测量为基础和利用数学工具来处理是物理科学的两大最显著特点,历史上伽利略就是从这两点进行突破,才创立了物理科学的.公元前582年前后,毕达哥拉斯学派确立了一个重要思想：可以用数学揭示这个物理世界的真理.他们有一个信仰：整个宇宙的本质在于数学模式[8].物理学的发展离不开数学.物理学家们运用精简的数学语言,让一些不是决定性的次要物理内涵不在式子中出现,而减少干扰,得出对物理世界规律的认识.麦克斯韦把法拉第有关电磁场的想法数学化,归纳成几个简单的方程式,而使电学和磁学统合成电磁学.他又从这个些方程式出发,推导出电磁波的方程式,而此电磁波在真空中的速度正与当时所知的光速相近,因此与测光也是一种电磁波,后来发现无线电波,证实了麦克斯韦德预测.赫兹说：“我们不得不承认,这些数学公式不是完全人造的,它们本身是有智慧的,他们比我们还聪明,甚至比发现者更聪明.我们从这些公式所得到的比当初放到这些公式中还多.”数学是研究一切事物的数和形之性质的科学,是指导人们推理、演算的学问,是一切科学技术的工具,其研究所及不是客观世界的某一领域,而是多个领域或一切领域.现代科学技术的两大重要理论支柱相对论和量子力学的建立与数学理论密不可分,爱因斯坦建立狭义相对论和广义相对论离不开闵科夫斯基和黎曼的空间几何学.近代科学之父伽利略指出：“数学是物理学的天然语言”.保尔·拉法格在《忆马克思》中谈到,马克思认为：“一种科学只有在成功地运用数学时,才算达到了真正完善的地步”.今天的社会科学正向定量化方向发展,作为未来的人文社会工作者大学文科适当掌握一些定量化的思想和方法,对于其今后发展大有益处,这是面向未来大学教育所要求的.基于数学的重要性,我校在学生一年级时就开设了面向全体文科生的以微积分、矢量、线性代数为主要内容的高等数学C,因此笔者认为在文科物理教学中必须引入相应的数学模式.文科物理教学引入相应数学模式后,能够使物理课程内容更加完整,特别是经典物理学部分,内容更详尽、深刻,有些物理规律用物理语言难以作出定量描述,而借助数学语言却显得轻而易举,可以为表达打来便利.然而,物理学不是数学,数学是处理物理问题的工具.

2.2.1矢量概念的建立初等物理课程中,物理量常以数的形式表示,参与标量计算,即使有方向规定的物理量,多以一维形式讨论,而更普遍的情况或者高等物理课程中,物理量的矢量性可以直接用数学的矢量体现,且运用矢量参与计算,用矢量表示既有大小又有方向的物理量,与物理量的实际更相符,体现了矢量物理量两方面的因素；运用的矢量的运算规则来描述物理量在物理情景中的相互关系,更加简洁、普遍、准确.所以文科物理教学之初,应该温习以前学过的矢量概念,在学生头脑中建立数学矢量模式.

2.2.2微积分模式的建立微积分分为微分和积分,是一种用运动的思想看待问题、处理问题的数学思想,极限是其基础.微积分在数学上是用来代替几何加上极限这种复杂的推论过程；在物理学中则是当复杂多变的情况不能解决时,我们从微小量下手,找到微小量之间的关系,然后用微小量叠加（数学积分）来完成对整体的把握.有了微积分,使得各类物理问题大都可用相应的微积分公式形式表示出来.如果离开了微积分,就难以定量描述物理学中的基本规律,就丢掉了物理学中最重要的特点和思想.比如力学中恒力问题变成变力问题,直线问题变成曲线问题,微积分能使我们对整个物理过程了解得更加清楚.考虑到文科学生数学知识薄弱,我们在教学中可以只在讲解定理、定律时运用微积分,而避免考试中用微积分.2.2.3加强实验教学文科生的知识结构特点影响了他们对自然科学抽象理论的理解力,文科的学生多注重理论化的学习,实际动手能力较差.通过物理实验课着力培养文科学生的动手能力,可以培养他们严格、细致、实事求是、一丝不苟得科学态度.笔者认为针对文科学生的物理实验应以学习及应用基本实验器材为基础,增加适当的演示实验,在技能和兴趣上得到相应发展.

3教学效果

以上教学改革在我校文科物理课程教学推广之后,收到了良好的教学效果.在调查范围内,超过80%的学生认为在文科生中可设自然科学方面的课程是有必要的,但中学时有物理基础的学生认为课程重要性的比例远远超过没有物理基础的学生,这也导致本课程教学内容需根据教学对象进一步改革.此外经过期末考查显示,女生的平均成绩要高于男生,平时的学习态度及作业成绩也明显优于男生.在实验教学中发现,学生对实验课有着浓厚的兴趣,但也显示出中学物理基础差的学生动手能力严重欠缺.

综上所述,经过以上教学改革,有效的增强了学生的物理学的科学素养,弥补了文科学生逻辑推理能力比较弱的缺陷,增强了学生的动手能力.