自然科學類通識課程教學模式探索*——以“體驗發現
---生活中的物理”為例

熊 力

(大連工業大學信息科學與工程學院 遼寧 大連 116034)

自然科學類通識課程教學模式探索*——以“體驗發現
---生活中的物理”為例

熊 力

(大連工業大學信息科學與工程學院 遼寧 大連 116034)

以通識課“體驗發現---生活中的物理”為例，探討了自然科學類通識課的教學模式、教學內容、教學方法的構建.將演示實驗融入課堂教學，輔以實驗課、小制作、課外實驗小組、創新競賽等層層深入，培養學生的綜合能力.研究表明只要根據學生發展需要和興趣構建教學內容，采取多種靈活、科學的教學手段，就可以激發學生的興趣，切實提高學生的創新能力，引導學生自主學習，使學生受益終生.

通識課 教學模式 探索 教學內容 演示實驗

隨著2010年6月《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020)》的出臺，“推進和完善學分制，促進文理交融，支持學生的科學研究，強化實踐教學環節”成為了新的發展方向.而通識教育要提高學生的綜合素質，培養人格完整、知識廣博的復合型人才[1].通識教育與我們大學教育的目標完全吻合.2016年國家十三五規劃綱要出臺，明確了要“推進教育現代化”，在高等教育階段實施“專業教育與通識教育相結合的培養制度”.通識教育首次被提升到前所未有的高度.在高等學校進行通識教育最有效的方法是開設通識課程.我們結合多年講授物理相關課程的經驗，在2013年開設了通識課“體驗發現——生活中的物理”.經過4年的授課，取得了初步的建設成果，2015年立項作為學校通選核心課建設.下面結合這門課的構建談談我們對通識課教學探索的一點認識.

1 課程的開設

對多數學生來說學習是件苦悶的事情，究其原因首先有高考體制下應試教育帶來的負面影響.過早的文理分科，特別是高中三年的灌輸式學習，被動的接受知識，其結果必然導致學生的思維僵化，獨立分析問題、解決問題的能力欠缺，學習興趣也消耗殆盡.進入大學相當一部分學生表現出自我管理能力較差，不會自主學習等問題.其次，新中國成立以來大學教育的專業化和實用化導致學科間知識不能貫通，培養出來的學生視野較窄，無發展后勁.國外發達國家早已發現了問題所在，以某一專業知識為載體進行通識教育,取得了可喜的成果.近20年國內也開始通識教育的探索，具體的通識教育課程內容要以文化、素質教育為首要目標，打破文理界限、學科壁壘，使學生不但具有應用知識的能力，還具有終生自我學習的能力和自主創新能力.在學識和學養的共進之下，提高解決復雜問題的能力，充實自己的人生.

眾所周知，物理學在自然科學的發展過程中始終起著引領和基礎的作用，物理課程[2]“在培養學生樹立科學的世界觀，增強學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的探索精神和創新意識等方面，具有其他課程不可替代的重要作用”.物理通識教育必將在學生培養過程中占據基礎地位，發揮核心作用，所以多開設以物理為知識內容的通識課很有必要.

物理類課程的理論性比較強，按傳統教學模式學習難度較大，學生難免會有為難抵觸情緒，關鍵是找到課程學習的切入點.學校已開設了“物理與人類文明”課程，我們嘗試通過授課方式和內容的改變建課.結合課程內容將物理演示實驗融入通識課教學，帶動學生創新實踐，通過學生的理論學習結合觀察與實驗培養綜合能力，這是一個切實可行的建課方向，于是我們開設了“體驗發現——生活中的物理”，課程32學時，類別屬創新與拓展實踐類通選課.物理是實驗的科學，以實驗情景演示為中心結合生活、身邊的物理來展開專題內容的講解，起點低，增加了課程的趣味性.物理知識與日常生活息息相關，有廣泛的學科基礎，以此作為切入點學生都能接受，以物理知識為基礎的實踐創新，學生都能順利地參與進來，也彌補了我校通選課多為理論講授，學生實踐操作缺失，對文科學生尤為突出的狀況.課程根據學生的興趣和發展需要確定了教學目標：通過物理知識的學習，提升學生的科學和人文素養，激發學生的好奇心，培養學生的探索精神、實踐能力，引導學生自主學習，把物理思想和解決問題的方式融入各自的學科，為培養創新型人才打基礎.

2 課程內容的構建

依據教學目標構建教學內容.愛因斯坦說過,“興趣是最好的老師”.如何激發學生的好奇心和興趣，自覺地接受科學方法和科學精神？本課程以有趣的課堂演示實驗內容為中心展開物理原理的講解，利用生活中的物理和前沿熱點物理、物理發展中的重要人和事等為素材，重在介紹應用物理學原理解決問題的思路、方法，展現物理精神，以實現教學目標[3].

課程包含緒論和20個專題，按照演示實驗的所屬分為4個模塊：力學、振動和波動、電磁學、光學、近代物理.每一專題知識系統從屬于某一模塊，也可以是一個獨立的講座，以專題的方式展開課程.緒論主要介紹物理的分類，物理在人類社會發展中的作用，對其他學科的影響，使學生對物理文化有一個整體的了解.在專題教案的編寫上，注重以下幾個方面：

(1)精選專題內容.大學物理按知識結構的系統講授，而本課程是跳躍性的，多數是大學物理的拓展內容，內容有的貼近生活，有的是大家關注的前沿熱點問題，使學生很容易地進入狀態，從而激發學習興趣.例如緒論介紹的黑洞、平行宇宙,以超導體、激光知識構建的專題等.其次注意物理知識的覆蓋性，宏觀、微觀、介觀，低速、高速物體的運動規律都有涉及，從整體上把握知識，使學生在多層次的立體空間探討物理學自身及與世界的奇妙聯系.

(2)注意物理和其他學科的聯系，對其他學科的滲透和覆蓋,讓學生認識到學習物理對本專業學習的幫助，對今后發展的作用.例如走進納米世界，講述介觀尺度的納米，納米技術是以許多現代先進科學和技術為基礎形成的，由納米技術延伸出一系列新的學科，例如納米電子學、納米材料學等；通過學習使學生充分感受到物理在自然科學中的引領作用，引導學生在今后的專業學習中，自覺地運用物理知識、物理方法.

(3)注意學生實踐能力、學習興趣和科學素質的培養.具有良好的科學素質才能更好地融入社會，推動社會的發展，面對抉擇作出恰當的判斷，更好地實現人生目標.為此每一專題都有相關的課堂演示實驗，也有少量驗證性實驗.實驗在專題中起中心輻射的作用，依據實驗內容蘊含的物理原理進行多種方式的展示.學生可以一起參與現場演示，不方便現場演示的，如混沌擺這樣的大型設備，或沒有設備的，播放視頻錄像；微觀過程用課件動畫補充，如粒子的波動性、量子糾纏等，調動一切手段全方位地展示物理實驗的魅力.圍繞實驗內容還設置了問題探究，增加師生互動，把學生引向圍繞主題的更深層次的思考.為了真正落實學生參與實踐，因材施教，教學團隊安排了一位專職的實驗教師負責，有興趣的學生可以到物理實驗室親自操作實驗，感受演示實驗帶來的樂趣.有余力的學生也可以組建課外實驗小組自行動手設計實驗，任課教師進行指導.結合大學生創新競賽項目，使學生感受到發現的體驗，喚醒他們的好奇心，在興趣驅使下，學生會發揮出無限的創造力，他們應用知識、自主創新、自我探究學習的能力會大大提高，以課堂演示實驗帶動學生創新向縱深發展.例如：實驗小組制作黑體輻射演示儀，為了解決怎么定性顯示吸收熱，學生們查閱資料，反復討論，不斷改進實驗，最后利用空氣的熱脹冷縮顯示.作品因設計思路巧妙，物理思想明確，制作成本低而在眾多的競賽作品中脫穎而出，獲2013年遼寧省物理競賽一等獎.學生在實現目標的過程中收獲頗多；鍛煉了團結協作能力,不畏艱難、百折不回的意志品質，這就是我們課程傳遞的科學精神.

(4)為了鞏固和拓展教學內容，增加學生的參與度，每一專題都編寫了課后思考題，還留有各類的小制作供不同學科背景的學生選做.引導學生通過討論和查閱參考資料完成，提高他們獨自獲取知識的能力，同時也把課堂延伸到課外.尤其是課后小制作，有的看似簡單，但實際制做的過程中會遇到很多意想不到的問題，在克服困難的過程中，提高了分析問題、解決問題的能力，逐步培養了創新實踐的能力，意義和作用遠比初想的深遠.例如：制作視錯覺演示擺，按照設定好的尺寸制作的擺怎么也看不到現象，仔細研究發現擺和觀察者達到某一距離現象才明顯.學生體會到要細致深入地觀察實驗，異常往往是解決問題的突破口，歷史上X射線的發現就是一個很好地例證.實踐中自己親身體驗往往比由教師講授受益更大.

(5)每一專題最后討論原理的應用，注意引用典型的、近年創新成果的案例，進一步深化學生對原理的理解，拓展知識的廣度和深度.

(6)教案是一個活動教案，要“與時俱進” 不斷更新，包括科技和社會的前沿熱點問題，最新科技研究成果，“科學、技術與社會”聯系緊密的案例.例如：人工智能已經在挑戰人類智慧，人機大戰，ALPHAGO戰勝了李世石.在未來5到10年，人工智能將改變人類生產和生活方式，近來報道的人臉識別技術，人們取款可以不再使用銀行卡.未來機器人會取代人類嗎？這是科學應用的雙刃劍.怎么發展核能，它是清潔能源又有核污染，通過討論利弊，對學生進行環保節能、可持續發展教育，增強社會責任感.

(7)將科研和創新實踐項目內容引入專題，學生也可以參與其中，如：結合我們的科研開設了量子通訊的奧秘專題，是量子理論與信息科學的交叉學科；結合大創項目開設了專題植物懂量子力學，介紹了植物的光合作用中有量子過程的存在，生物的磁感應功能也和量子效應有關，很受學生歡迎.

(8)理論源于實踐，理論和實驗教學應互相融合和補充.實驗課使學生直接參與物理問題的發現和解決，能真實地感受物理學科的思想方法，獲得理論課學不到的知識[4].結合課程2016-2017(1)學期嘗試開設了4學時實驗.考慮到學生的實驗基礎不同，在教學內容上采用按模塊分層教學.開設了物理趣味演示實驗、基礎性實驗、設計綜合性探究實驗供學生選做.

教案是個活動教案，學生提出的問題、學生作業、小論文中好的素材也被充實到教案中，使內容更加豐富，更受學生歡迎.

3 教學方法的創新

考慮到授課對象的背景和基礎的差異，涉及的物理原理不能進行嚴格的數學推導.具體專題講授采用楊振寧教授倡導的滲透式教學，整個教學過程貫穿探究式的學習，特色是課程同步進行課堂實驗演示，實驗課親自感受實驗，課后完成作業，以團組的形式實踐創新.

(1)具體介紹某一專題的內容時，將學生感興趣的物理在日常生活和工程技術上的應用作為切入點，把學生帶入學習情境，專題按問題的方式呈現，例如：太陽能烤爐能烤熟食物嗎？圍繞引人入勝的問題，通過不斷質疑探索，讓學生深入思考，尋找解答，引導學生進行概念原理的學習，這種探究式的教學，使學生始終處于主導地位，改變以教師為主的灌輸式教學.

(2)以滲透式教學進行概念、規律的講解.滲透式教學[5]是在學生預備知識不充分的情況下就學習新知識，要求教師能將一個個復雜的問題化簡到學生能夠接受的程度，深淺只要求能講清物理思想；依據定性、半定量說明，通過各種方法手段完成物理概念規律的講授.為此首先采用多媒體授課.利用電子課件創設主動學習情境，內容豐富、信息量大、視頻震撼、形象生動，視、聽體驗并用；考慮文科藝術類學生善于形象思考，對各種物理學原理進行多種形式的直觀展示，如圖表、視頻、動畫等，避免了復雜的數學推導，突出了物理學思想，使概念、定律和公式通俗化、生動化.特別是板書難以講清的復雜的物理過程，動畫演示一目了然.學生不是在被動地聽講，而是在欣賞和快樂的參與過程中體驗并接受知識.其次在課堂教學中大量地引入演示實驗，這是基于演示實驗操作簡單，現象直觀.以演示實驗為理論教學創設情境，通過鮮活的實驗現象使抽象的物理概念、規律具體、形象化，在操作的同時引導學生對實驗進行觀察、思考和分析,建立正確的物理圖像和物理模型,總結物理規律，不必經過嚴格的推導學生就直觀地接受理論，有助于學生理解概念，化解教學難點.如講授超導磁懸浮.同時結合相關內容，實時放映生活和應用的短片，效果較好.

(3)結合授課內容，把物理知識上升到物理精神、物理方法，這是學生單純聽大學物理課程學不到的.適當地穿插物理趣聞、名人軼事，介紹物理學發展過程中的重大事件，使學生體驗科學發現的樂趣，學習科學家的探索精神和科學的研究方法；通過還原物理概念、定律逐漸建立的歷史過程，感受科學家們研究問題的奇思妙想，感受科學方法的產生和應用.我們不是只聽聽發明創造的故事，以史為鑒，而更強調學習物理學的思想方法[6]，從中獲得啟迪，進行新的發明創造，了解物理的文化內涵，諸如探索、創新、求實、批判性的思考，傳承這些文化，應用到自己今后的工作中.

(4)不拘泥于課堂講授的內容，拓展應用環節，大家結合自己的專業和日常生活討論這一原理的應用，教師總結，共同把各領域知識貫通聯系起來并推向前沿.

(5)充分利用物理實驗室和專業創新基地對學生開放，滿足各專業學生的需求，通過課堂演示、實驗課、小制作、課外實驗小組、創新競賽層層深入，學生自己查閱資料梳理知識，從感性到理性地掌握知識，內容不受制于課程，使學生觸類旁通，從點而線至面的學習過程.借助通識課的平臺，不同專業背景的學生在討論、協作中不斷碰撞出新的思想火花，這些學生像一顆顆發芽的種子回到各系開花結果帶動專業的創新，實現物理通識課對各學科的輻射作用.

通過各個專題的講解也留下了一個個開放的知識“窗口”，學生在未來有發揮的無限空間，開拓了學生的視野，有利于創新人才培養.

4 考核方式改進

從注重學習過程、學生的參與度，學生動手實踐能力、自主學習能力的培養著手，采取了靈活多樣的考試形式.平時表現包括出勤、課上發言、網絡平臺的論壇討論、實驗報告、小制作、課后思考題、參加課外小組、課外閱讀、參與學術講座等多種形式.期末1～3人一組完成結課大作業：課程小論文或實物制作可行性想法、實驗小論文及參加實驗課的體會.提供各種機會調動各個層面學生參與到教學當中來,發揮學生的主導地位，打造立體教學.在學習的過程中鍛煉學生的各種能力，如學生的表達能力，查閱資料梳理知識的學習能力，實際操作能力，獨立判斷、思考分析問題、解決問題的能力等.徹底改變灌輸知識為探尋知識，學習的主動性會大大提高.

5 課程的建設成果和今后的建設目標

通過學生問卷調查，對課程專題的內容、授課方式不斷整改，幾年的實踐取得了較好的教學效果，學生的滿意率較高.教學課件獲2014年遼寧省教育軟件大賽三等獎.通過課程的實踐訓練，學生的創新能力、團隊意識、溝通能力有很大提高.特別值得一提的是，各學院交叉組隊(例如機械學院和設計學院學生組隊)，大家發揮各自優勢，團結協作，開課4年以來，有課程教師和學生參與的各類創新作品已獲多個獎項，包括省物理實驗競賽一等獎5項、二等獎2項、三等獎4項、優秀獎1項；校級物理競賽獲獎45項，大創項目5項.具不完全統計，選課學生在課程的帶動下，參加專業競賽也取得了令人矚目的好成績.通過我們的課程帶動涌現出了全面發展創新競賽比較突出的學生.他們的優秀代表包括：工業132班的徐學同，結課成績優，作品實物制作無碳小車，2015年獲校物理實驗競賽二等獎，2015年獲遼寧省機械創新設計大賽二等獎一項，三等獎一項，遼寧省首屆TRIZ杯大學生創新方法競賽一等獎，2015年國家級大創課題“高效蘋果套袋器的研發”，申請發明專利一項，申請新型實用專利一項；一等綜合獎學金一次，二等綜合獎學金二次，國家勵志獎學金一次，校級三好生一次，學院科創獎學金一次，目前擔任機械學院“海洋食品加工技術裝備實驗室”本科生負責人.自動化143班金志豪，結課小論文成績優，獲2015年遼寧省大學生物理競賽一等獎，2016年省物理競賽三等獎，2015年全國大學生電子設計競賽遼寧省一等獎.課程對學生實踐的引領和對專業創新的輻射作用已初見成效.按結課大作業要求，學生設計的創新想法、實物制作也很有創意.產品設計132班的楊青燚說，選專業以外的物理通選課是為了在設計中產生更多靈感，中途她又帶著沒選課的學生一起來聽課，結課大作業設計了一個動力吸塵托鞋，難以想象是一個文科生的作品；撰寫的課程小論文、實驗小論文和實驗體會也可圈可點.是“生活中的物理”課幫助學生從理論到實踐，從多角度對深入到方方面面的物理原理和實驗方法有所觸及，內容超出了課程本身的知識，打開了學生的思維，通過以點帶面的輻射，體現了物理通選課培養學生科學和人文素質的內涵.教師通過課程的準備、與學生的交流也要更新很多新知識，業務水平也得到了很大的提高，年輕的教師積極地出國進修學習，攻讀學位，形成了一個良好的教學循環.

雖然建課取得了初步成果，今后還有許多工作要做.主要加強課程網絡平臺建設，引導學生習慣上網交流學習.網絡學習有很多優勢，課程內容可隨時更新，不受時空限制隨時隨地重復學習過程，在討論區可以及時互動.通過網絡提供豐富的視頻、文本學習資料，學生自主學習課程主要內容，發現問題，帶著問題到課堂解決，深入學習，增加學生學習的主動性，真正做到教學以學生為主導，教師為學生提供資料答疑解惑，起引導和促進作用，通過自學、課上授課討論、課后網上論壇環環相扣，解決通識課的個性化教學難題.其次是實驗條件的改善，在硬件條件具備時增開一些實驗.充分利用現有的物理實驗設備和各專業的實驗室.我們鼓勵學生參加課外創新實驗小組，不只限于物理，還有各專業創新基地研究室的項目，如：通信專業創新基地有場地設備，每年投入上百萬，免費向全校學生開放.為配合課堂教學，課程增加了4學時實驗，文科趣味物理演示實驗，學生很感興趣，參與度很高，結課時好多學生寫了實驗小論文和參加實驗的收獲.理科生通過設計實驗，鍛煉了創新實踐能力.把課程打造成課上課下、線上線下、從物理小制作→創新競賽→專業創新的立體化教學.通過我們的訓練，幫助學生逐步掌握創新思想、創新方法，應用到自己的工作中.

要使大多數學生了解物理學的實質，我們的課程獨辟蹊徑，避開了繁瑣深奧的物理學公式，從物理學科的特點出發，通過生活中的物理及演示實驗展開課程，結合創新實踐深化課程，最終掌握物理思想、方法和精神.我們的教學活動不限于教學生學到多少物理知識，而是通過教學的多向互動，激發學生強烈的求知欲望，不斷傳達通識教學的理念，引導學生逐漸掌握自主學習的方法，在知識、能力、情趣等方面得以全面發展，讓學生受益終生.

1 吳雅蘭，陸國葆.通識課：引領新生走向人格完善.中國教育報,2014-12-30(06)

2 理工科類大學物理基本要求,百度文庫

3 顧沛.數學文化課的探索與啟示.中國大學教學， 2012(2)：17～19

4 高翔.在實驗教學中加強通識教育.中國大學教學， 2012(11)：84～86

5 束正煌.滲透法物理教學淺析.江蘇廣播電視大學學報,2003(12)：56～57

6 吳宗漢,周雨青.物理學史與物理學思想方法論.北京：清華大學出版社,2007.10

AnExplorationontheTeachingModeofGeneralCourseofNatureScience——TakingExperienceandDiscovery:PhysicsinLifeas an Example

Xiong Li

(Faculty of Information Sciences and Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning 116034)

Taking “Experience and Discovery: Physics in Life” as an example,this paper discussed the teaching mode,teaching content and teaching method of general education on nature science.The comprehensive ability of students could be cultivated through combining the general course with the demonstration experiment,experimental classes,small production,extra-curricular experimental team and innovation competition.The research showed that,the learning interest of student could be stimulated through building teaching content and adopting flexible and raional teaching method,according to the needs and interests of students.Thereby,the innovation and independent learning abilities could be improved,which would benefit all his life.

general course；teaching method；exploration;teaching content；demonstration experiment

2017-05-05)

**2015年大連工業大學通選核心課建設項目“體驗發現——生活中的物理” ，項目編號：610026