大学物理教学方法探索

大学物理TEC教学方法探索^[1]1

马　涛^[2]　潘洪明^[3]　汪建章^[4]

（浙江工商大学信电学院）

摘　要：本文提出了大学物理TEC教学改革方法的概念，探索将理论演算（Theory）、实验研究（Experiment）和计算机模拟（Computer simulations、Computation）三种物理学主要研究方法整合在教学实践中，建立了一种基于解决问题的整合式、探究型的创新教学模式。

关键词：大学物理；TEC教学；数字化教育

一、引　言

物理学是研究物质基本结构、基本运动形式、相互作用的自然科学。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是其他科学和工程技术的基础。物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明发展的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位。基于上述共识，所有的理工科专业，甚至某些文科专业都开设大学物理课程，人们公认物理课是最具备素质教育的学科。

目前，大学物理的教学体系基本成型于20世纪中叶，20世纪五六十年代以来无论国内还是国外，大学物理课程系列（包括大学物理和大学物理实验）的教学模式变化不大，各国的大学物理教材也大同小异，这种模式对大学物理教学起过积极作用，但是随着物理学科的发展，随着社会对高素质创新性人才的需求，原有的教学内容和模式已经不能反映物理学的发展和时代的需求。在20世纪80年代后期，国际上纷纷涌现出“大学基础物理教学改革”的浪潮，较有影响的是，在1987年由美国国家科学基金委员会（NSF）支持的“大学基础物理学规划”（IUPP），目前还在研究和实验中。近10年来，国内的一些知名大学，如清华大学、中国科学技术大学、上海交通大学、东南大学、北京交通大学等，根据物理学科发展趋势和21世纪学生培养的总体要求，结合自己学校的实际情况，分别进行了大学物理和大学物理实验的教学内容和教学体系的改革和探索，取得了许多成功的经验。然而，当前各高校的物理教学改革，虽然各有特色，成绩显著，但缺陷也是明显的。这些改革均仅限于一门课或一类课程。把大学物理系列课程（包括大学物理和大学物理实验）作为一个整体来改革的范例却极少见到。因此，我们认为只有将大学物理类课程的改革置于当前高等教育背景之下，作为一个整体来改革和设计，才能发挥出物理学在人才培养中的全部教育功能，才是物理教学改革的关键所在。

众所周知，理论演算、实验研究和计算机模拟是目前包括物理学在内的科学研究的三种主要方法。在目前的教学体系中，大学物理、大学物理实验是独立开设的两门课，而物理问题的计算机模拟几乎没有得到人们的充分重视。在科学技术迅速发展的今天，学科之间相互交叉，对人才的培养提出了更高的要求，大学生不仅要掌握本学科的知识，还要有广博的知识视野和完成自己创想的工具载体，其中计算机技术在大学物理课程的学习中的应用，在大学的素质教育中起到了举足轻重的作用。

在现行的教育体制下，培养的学生缺乏创新能力，学生厌烦一成不变的、僵化的教学模式，大家对数字化的东西很感兴趣，但是又不知如何有效地利用计算机技术，如果能够把物理理论、物理实验和计算机模拟技术整合在一起，把物理系列课程作为一个整体，在这一经典的系列课程中融入创新能力的训练，使学生能尝试用新的方法、新的解决方案，在经典理论基础之上，结合传统的实验训练，利用计算机模拟技术，三位一体，通过反复尝试直至得到数字化的解决方案，以此激发学生的创新意识。教师也可树立一种创新性的教学理念，建立一种基于解决问题的探索研究型的创新思维模式，为此我们提出了TEC（Theory、Experiment、Computation）整合式、探究型教学方法的改革方案，并由此出发，来形成整合的教育理念和改革思想，指导大学物理系列课程的改革和建设。这就是我们提出TEC教学模式的初衷。

二、TEC教学改革模式

（一）改革内容

物理学从本质上说是一门实践性的科学，在大学物理教育中，理论、实验和计算机模拟三者是密不可分的，因此，大学物理类的课程改革必须要把大学物理和物理实验及计算机模拟作为一个整体来研究。长期以来，物理理论教学与实验教学各自独立设课，而计算机模拟基本上被忽视。理论教学和实验由两个建制相对独立的教研（实验）室来实施教学，以致造成理论与实验相脱节，计算机技术与物理学绝缘的局面。物理理论课教学充满了数学化公式的推导，失去了真正的本性——实践性；实验课演变为基本的操作训练，忽略了实验中物理原理与物理思想的教学；理论课中不能求出解析解的物理问题；物理实验中的数据分析不能有机地与计算机技术结合起来。因此，我们准备把大学物理TEC整合式、探究型教学方法改革与物理实验教学示范中心建设结合起来，以一种整合的教学思想，来构建一个全新的符合物理规律、培养创新性人才的教学模式。

（二）改革目标

我们重新梳理了物理学的教学体系，打破了原来理论与实验的壁垒及计算机技术的缺位，结合物理学的最新发展成果，按照力、热、光、电、近代五大模块，根据不同专业的特点，筛选出30个专题，每一个专题采用“理论讲解—实验探索—计算机模拟练习”三位一体的教学模式，将理论、实验、模拟（TEC）融为一体，按照物理学本来的研究和发展思路，要么是从理论到实践的演绎，要么是从实践到理论的归纳，无论是演绎还是归纳都通过计算机模拟技术作为工具。采用这种TEC的教学模式，主要体现在整合的教育理念，把学生的创新能力培养落实到每一个教育环节中。这就是我们提出TEC教学模式的最终目标。

（三）改革切入点

在物理实验与计算机模拟方面我们已经迈出了第一步。在省教育厅专项建设经费和财政部专项建设经费资助下，在浙江省同类院校中，2001年我们率先引入美国PASCO公司的组合物理实验设备，建立了e－measure实验室。e－measure实验室的建立改变了传统的物理实验几十年不变的现状。与传统的物理实验比较，其特点在于：一是结合最新的传感器与计算机技术，与面向21世纪的教育现代化进程同步，让学生接触到高科技技术的前沿，在进行基础物理教学的同时，开阔了学生的眼界，增强了实验的直观性、趣味性，提高了学生的综合素质；二是该套设备自成体系与传统实验并行，兼顾基本实验手段、基本实验技巧及数据处理方法，同时结合传感器采集数据，通过计算机对实验结果进行可视化处理，使本校所有理工科专业的学生既可得到基本的物理实验技能训练，又可掌握计算机处理实验数据的基本技巧；三是该设备具有组合的特点，结合各专业特点，对有能力的同学，逐步开设了各有偏重的设计性实验，培养了学生初步的科研能力。

在实验室建设方面我们无疑在省内高校中先走了一步，但是随之而来的问题是：PASCO公司的设备通过先进的传感器技术及计算机接口技术，将采集到的实验数据通过自带的软件系统，把实验结果直观地显示出来，让学生接触到了高科技的前沿，但是由于整个过程的高度集成化，同时带来了对实验原理认识上的不直观，具体实验的流程及数据采集过程过于自动化，容易造成学生概念理解及动手能力上的退化。

按照TEC整合式、探究型教学方案，关键着力点是：选择一些典型的模块，让学生先掌握相应的物理理论基础；通过e－measure实验，利用传感器采集的数据直接显示该理论运行结果；利用计算机模拟技术，通过求数值解、图形化等技术手段，将模拟的结果与实验相比较。由此打破原来理论课与实验课之间的壁垒，同时又融入计算机模拟技术，给学生提供一个充分发挥能力和创新的空间。

三、实施步骤及特色

（一）实施方案及方法

1．在原来理论课和实验课总学时不变的情况下，按照“理论讲解—e－measure实验探索—计算机模拟练习”三位一体的教学模式制定新的教学大纲及新的教学计划，先试点操作，最终逐步将新的架构推广到所有专业。

2．打破原来理论与实验的壁垒及计算机技术在大学物理教学中的缺位，结合物理学的最新发展成果，按照力、热、光、电、近代五大模块，根据不同专业的特点，筛选出30个专题，编写TEC整合式、探究型教学模式的教材。

3．计算机模拟部分以MATLAB为计算平台，通过建立模型、数值计算、结果直观展示（包括部分三维动画）的方法，将物理原理通过计算机模拟仿真结果与实时采集数据所得到的可视化结果进行比较，使学生从本质上理解每一个物理过程，提供了一种全新的理论与实验相结合的拓展式学习环境，为教师提供了一种全新的教学思路。

（二）实施计划

第一步，于2010—2011年期间，我们进行了e－measure实验的整合试验工作。初步制定以MATLAB为计算平台的具体实施题目，计划从振动、混沌等实验逐步入手，并将与其相关的内容具体化。

第二步，计划于2011—2012年期间编制以MATLAB为计算平台的模拟仿真软件，通过建立模型、数值计算、结果直观展示（包括部分三维动画），为学生提供了一种全新的拓展平台。预期将编制出力学和光学部分的仿真软件，并将结果通过论文的方式发表。

第三步，计划于2012年间编写并出版大学物理TEC整合式、探究型教学教材，对未完成的教改工作细节进行完善和补充。

大学物理TEC教学改革模式具有创新的教学理念和教学方法。当前各高校的物理教学改革，虽然各有特色，成绩显著，但缺陷也是明显的，即这些改革均仅限于一门课或一类课程。我们提出的TEC整合式教学改革方案，把大学物理系列课程（包括大学物理和大学物理实验）作为一个整体来改革。实践表明，只有将大学物理类课程的改革置于当前高等教育背景之下，作为一个整体来改革和设计，才能发挥物理学在人才培养中的全部教育功能，才是物理教学改革的关键所在。采用“理论讲解—e－measure实验探索—计算机模拟练习”三位一体的教学模式，将理论、实验、模拟（TEC）融为一体，完全符合物理学本来的研究和发展思路。如果能够采用这种TEC的教学模式，通过整合的教育理念，就可以把学生的创新能力培养落实到每一个教育环节中，真正培养学生从事科学研究和解决工程问题的基本能力，并通过提高学生的综合素质进一步增强学校的综合实力。

兼顾了理论课与实验课的同步改革。TEC教学模式改革以整合的教育理念出发，形成清晰的整合改革思路，从课程形式、课程内容及相应教材、课程实施方法等方面进行整合，构建出有特色的大学物理课程新体系和新型的教学平台，可形成实验、理论、计算机技术三位一体的教学新模式，可以大幅度提高理工类本科生的创新能力和综合素质。我们有信心，以此为契机，努力探索出一条符合中国特色的理工科非物理类专业基础教学的改革之路。

TEC教学模式改革具有很强的前瞻性。将大学物理类课程作为一个整体来改革，目前还没有一个高校提出过类似的融理论、实验和计算机技术为一体的大学物理课程的改革方案。本项目着眼未来，提出充分整合教学资源，通过激发学生的创新意识，使教师树立一种创新性的教学理念，建立一种基于解决问题的探索研究型的创新思维模式，并由此出发，来形成整合的教育理念和改革思想，这种大学物理系列课程的改革和建设措施具有很强的创新性和前瞻性，希望这种探索能为我国高等学校的大学物理教学模式的改革提供新的方向和有益的借鉴。

四、结　语

经过一段时间的努力，大学物理TEC教学改革实践已经初见成效，近年来在由省物理学会举行的物理实验技能创新竞赛中浙江工商大学多次取得一等奖的好名次，在2010年浙江省大学生科技创新竞赛中，汤颖锴同学小组获得一等奖（太阳能自动跟踪系统的设计）、李莹同学小组获得二等奖。在刚刚结束的浙江省大学生物理（理论）竞赛中浙江工商大学获得7个一等奖，33个二等奖，45个三等奖及团体优胜奖的好成绩。

在教学改革实践中我们体会到：只要能吸引学生主动参与到教学活动中，就会激发出他们的积极性和创造性，学生就会从中产生一种成就感。教师一旦能激发起学生的学习积极性，就会发现学生的潜能其实是无限的。如果我们能够脚踏实地，从基础课入手，通过教学上的改革，把教师和学生从应试型的教学模式中解脱出来，改变目前高等教育中上课时间多，自学时间少；被动接受时间多，主动实践时间少的弊端，使教育境界得到一种提升，从而培养出更多高质量、高素质的创新性人才。

参考文献

［1］马涛．大学物理课程报告论坛文集［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［2］马涛．数字化大学物理［M］．杭州：浙江大学出版社，2008．

［3］汪建章，马涛．工科物理实验教材［M］．杭州：浙江大学出版社，2001．

［4］马文蔚．物理学（第五版）［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［5］彭芳麟等．理论力学计算机模拟［M］．北京：清华大学出版社，2002．

［6］陈怀琛．MATLAB及其在理工课程中的应用指南［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2004．

［7］胡守信，李柏年．基于MATALB的数学实验［M］．北京：科学出版社，2004．

［8］Delores M．Eter．MATALB 7及工程问题解决方案［M］．北京：机械工业出版社，2006．

【注释】

[1]省教育厅新世纪教改项目：整合式、探究型大学物理TEC教学方法研究与实践。

[2]马涛，教授，研究方向为大学物理教学及激光技术。

[3]潘洪明，实验师，大学物理实验教学。

[4]汪建章，高级实验师，研究方向为大学物理实验教学。