中美非物理专业高校物理教育对比及策略

从自然科学的发展的历史和趋势都可以看出,科学每往前迈一步,都离不开物理学的贡献.其他学科的发展和绝大部分技术的发展都和物理学有着直接或者不可或缺的间接关系,物理学的发展是自然科学发展的主要的驱动力.大学物理作为非物理专业理工科学生必修的专业基础课,对于培养学生的科学素质、理性的思维方式和创新精神都起着十分重要的作用.教好与学好大学物理,对于学生素质教育与培养都是非常有益的.我国的大学物理的教学现状不容乐观,基础地位正受到挑战,教学学时减少,受重视的程度也在降低[1,2].对于物理教师而言,由于高校过于重视科研和教学规模,而忽视对基础教学的投入和监管.在这种大环境下,教师的工作重心发生了倾斜,缺少“以培养学生的科学素养,提高学生的创新意识和创新能力为目标”的教学理念.往往把主要精力放在科研上,而对教学工作投入精力较少.对于学生而言,由于目前就业压力越来越大,学生的社会价值取向更加务实,这就使得部分学生目光短浅、急功近利,把精力单纯地投入到专业课学习和专业技能培训上,忽视基础课的学习,大学物理不被重视也就“顺理成章”.如何改进大学物理教学适应当前社会发展,一直是物理教育工作者热衷探讨的问题.本人以访问学者身分到美国爱荷华州立大学物理系进行了为期半年的大学物理教育交流访问,通过观摩学习、亲身体验和调查研究,对中美的非物理专业大学物理教学进行比较,通过借鉴发现自身不足,吸取有益的经验,寻找适合当前国情和科学发展的改革突破口,为我们的大学物理教育提供可借鉴的改革思路.

1中美非物理专业大学物理教育教学现状比较

中美非物理专业的理工科大学物理教育的不同主要体现在下面几个方面.

1.1教材的内容和结构不同

教材作为教学内容的载体,一本好的大学物理教材对于教好和学好这门功课起着特别重要的作用.美国非物理专业的理工科学生的大学物理教材[3],注重教学内容的更新和教学方法的改进与提高,注重学生创造性的培养.其有文字通俗易懂、图文并茂,与现实生产生活联系紧密的特点.美国教材在内容上更新很快,特别是近代物理的教学内容,大约两年更新一次,老师的讲义甚至一年一次.新出版的教材都把最新发展的科学技术纳入其中,热衷于介绍当前物理发展的前沿和物理学新动态.教材内容涉及面广,衔接紧凑,在论述方式上多采用整体到部分的形式.譬如力学,他们的结构就包括平动力学、转动力学、引力学、周期性振动力学、流体力学.不生搬硬套物理概念,物理概念的使用是为了给实验证据以准确而简洁的解释.这样做虽然缺乏数学演绎上的美感,但是这些概念对于学生不再抽象,容易调动学生的主观能动性.目前我国很多高等院校都出版了理工科大学物理教材,版本很多,但并没有达到百花齐放的效果,反而造成重复性投入的浪费.这些教材基本上都能做到内容结构体系完整,逻辑严密,条理清楚.但是绝大多数内容陈旧,结构大同小异,缺乏新意.理工科主要以力、热、电磁、光和近代物理为主体,经典物理占80%的篇幅,注重理论推导、缺乏现代物理的观点和概念.同时一些好的教材,却又因为种种原因得不到推广.而我国绝大多数高校教师对教材的选取没有充分的自主权,由学院教研组安排统一教材和统一的教学内容,甚至教学进度也要求一致,整个教学过程一切尽在计划中,以致老师很被动,只能按照学校的要求完成规定动作,缺乏灵活性,抹杀教师教学的个性和特点.美国教师可以决定教材,也可以自编讲义或向不同专业学生介绍相关的参考书,很少看见老师用一本参考书完成教学.譬如“费曼物理学讲义”,费曼在他的讲义的第一卷引言里指出的:“讲授这门物理课,是着眼于你———读者将要成为物理学家”.显然并不是每一个接受大学物理教育的人都要成为物理学家.因此,“费曼物理学讲义”被认为“只适合少数数学基础好、科学思维能力强的学生”,费曼物理学讲义也被认为“不能很好地适用于大部分学生”也就不足为怪了.这就告诉我们教材和教材内容的选取是非常重要的,每本参考书都有其自身侧重点,只有博览群书才能取其精华.

1.2教学方式不同

好的教材只是为教与学搭建了一个平台,精彩的好戏能否上演更重要的是老师和学生扮演的各自的角色.如何开展和组织教学,怎样才能取得好的教学效果,这都取决于教学方式的选取.中美在课堂教学组织形式上有很大的差异,中美两国大学物理教育主要都还是以课堂为主,但差别就是课堂教学的组织形式.中国的课堂教育是整个过程的主体,以课堂讲解为主,注重理论推导,追求数学逻辑的严密,教学模式是以老师为中心,老师讲,学生听,师生互动少.学生以书本学习为主,理论联系实践少,课堂演示实验少.课后作业都是为巩固理论学习内容而设置,创造性差.从而引发学生读死书和死读书,甚至让学生感觉到学习物理就是记公式,失去学习物理的本意,也达不到学习与培养的目的.美国大学物理教育课堂教学比较自由,以学生为中心,推演和讲授教学内容不受鼓励,老师在课堂教学过程中只是一个引导者的作用,扮演调动学生积极性、组织学生参与学习活动这样的角色.他们非常注重演示和动手操作,鼓励学生提出问题,用事实和现象说明物理问题,他们侧重引导学生归纳和总结,逐步找到蕴含在现象中的物理规律和客观事实.课后练习分为多种,有理论计算,也有分组讨论课题,还有一些研究设计性的课外小制作,同时提供机会让学生展示自己的成果.这样就极大地增强学生的独立思考能力和激发了学生的创造性.

1.3教学内容和侧重点不同

通过课堂观摩和调研,中美对于非物理专业不同专业教学的内容和侧重点有很大的不同.美国对于非物理不同专业的学生,选取的教学内容不同,教学的方式和侧重点也不太一样,有很强的针对性.譬如工程机械类偏重于力学、热学和电磁学;电子类侧重电磁学、光学、近代物理;生物化工类侧重原子物理、热学和流体力学等.教师把物理思维与专业教育结合得很好,既开展基础理论教学,又拓展知识层面,增强了运用物理理论和实践来解决和验证专业问题的意识和能力,增强他们对大学物理的认知性.国内的非物理专业的理工科学生,教学内容和教学侧重点区别不大,大多数理工科专业都是采用统一的教学大纲,相同的教学内容,学时分配数也一样.物理应用和物理前沿更是撇在一旁.这种教学内容和方式,在某种程度上是会挫伤学生的学习积极性的.我们课堂的主要内容是对课本内容的推演和阐述,侧重于对物理理论完整、严谨的证明和充分的练习,对物理知识应用的拓展做得不够,让学生体会不到学习物理的乐趣,也感觉不到物理的强大的应用性.

1.4物理实验教学不同

中美大学物理实验教学在教学理念、教学模式和教学内容等各方面都存在着比较大的差异[4].在教学理念上,美国开设实验课的目的不是训练学生掌握各种仪器的设备的使用,学会一些实验方法和手段,而是通过物理实验来解决实际问题,用实验的方法验证理论的学习.在教学过程中,老师往往提供的只有实验课题,引导学生通过调查研究,自行设计,从实践上来解决物理问题.老师注重的是实验过程以及解决实际操作过程遇到问题的能力的培养,让学生在探索过程中培养和发展自己的个性和创新能力,并不把实验结果作为检验实验教学的好坏.在教学内容上,既注重基础实验的学习,也注重一些综合实验和创新型的实验锻炼和提高;在内容设置上也比较新颖,老师在实验教学中也十分注意最新实验方法和实验技术的介绍,重大实验结果的披露.这些对于提升学生的实验兴趣是非常有益的.中国大学物理实验往往和理论教学脱节,达不到理论与实验相结合的效果.实验内容陈旧,传统、经典实验多,体现现代科学技术的实验少,设计和创新实验更少.很多学校实验教学资金投入有限,实验设备老化,高新实验设备缺乏,近代物理和创新实验无法开展.教学模式老套,实验员准备好所需的实验仪器,教师设计好的实验内容、实验方法、实验步骤和数据处理,学生所扮演的角色就是对于实验过程的体验,对学生的创新思维和独立探索能力的培养是极为不利的.

1.5教学研究

在物理教学研究方面,中美也有一定的差别.物理教育研究是美国各大学物理系重要的研究领域之一[5].其特色就是由各个大学、学院的物理系中的专家与其他对物理教育研究感兴趣的单位或者个人组成物理教育研究小组,对物理教学中的实际问题进行研究.他们的物理教育研究团体通常是由专家和一线的教学人员构成,把研究的成果直接应用到实践教学中,使好的教学方法得以推广.哈佛大学、华盛顿大学、马里兰大学和爱荷华州立大学等都设有大学物理教育研究小组.每个大学都有自己研究领域和项目.譬如爱荷华州立大学主要侧重开发物理课程资源和资源的应用研究.每个研究小组都能获得美国各方面的经费支持,为研究的顺利开展扫清障碍.在国内,大学物理教学研究做得很不到位,只有少数师范类大学有专门的研究大学物理教育的团队和研究方向.其他很多大学,特别是一些偏工科院校,物理教师基本上都属于基础课老师,处在教学第一线,了解当前大学物理教育的实情,但是他们教学任务重,在时间和精力上都无法保证,教学研究开展起来就比较困难.另外,一些物理教育专家,长期脱离教学一线,其研究成果与一线教学实际状况往往脱节,不利于教育实践.国家对此投入较少,又难以从其他方面获得经费支持,使得教师的研究兴趣也转向其他的专业方向研究.所以在当前教学团队建设方面,一定要注重大学物理教育的研究.在课改和推进过程中,我们尤其需要专家和一线人员通力协作研究,需要研究与行动、理论与实践结合.这样我们的教学理念、教学内容、教学方法都能适应当前的科学技术的发展大潮,为中国教育理清发展之道.

1.6考核方式不同

美国整个学期一般都有至少四次正规的考核,注重过程考核,其考核方式多样化,有上课的表现,主要体现学生在课堂的思维活跃度;有分组讨论考核,每个小组分工明确,每个人都承担不同的任务,通过小组讨论的结果,对学生的工作进行评判;有口试,通过一些综合性或者理论联系实际很强的一些题目,让学生自己调研和设计,找到解决方案,由教师或者课题组来口试答辩.当然,他们也有期末的笔试,但笔试成绩只占考试成绩的一部分.国内的物理考试还是延续了高中的一种做法,都是期终考试一锤定音.其实,这样应试教育的体制一直是中国教育的痼疾.这种考核方式就是看学生记住了多少公式和原理,做了多少习题,考试得了多少分数.在这种情况下,对教师和学校的评价也是根据学生考试的及格率和优秀率来进行的.所谓的“高分低能”主要就是这种被动、封闭的学习方式所造成的.其结果就是学生为了考试而学习,可以不追求学习过程,老师也缺乏对学习过程的监控.这种考核方式,导致了考核的结果不能说明学生的学习情况,从另一方面讲这种考核方式其实已经失去考核的意义.纵然我国的国情和他们不同,我们的师生比要远远低于他们,但是现在这种考核方式到了非改不可的地步,那我们就应该借鉴别人,找到适合自己的一种综合的考核方式.

2对我国教育改革的启示

通过上面的比较,我们发现我们的非物理专业的大学物理教育比别人落后很多是一个不争的事实,通过比较,给我们目前的大学物理教学改革提供了思路和方向.首先要选用先进教材,淘汰落后的教材.坚持以学生为本,双管齐下,一方面引进一些优秀的原版教材或者翻译教材,实行拿来主义.另一方面,根据我国教育现状和实际需求,撇开各个高校的小圈子利益,组织专家编写具有竞争力的新物理教材.教材应该加入更多的教学方法的内容,加大现代应用内容的比重,把现代科技与经典理论结合起来.注重介绍经典物理知识在高新技术中的应用以及渗透现代物理学的观点、概念和方法,让学生感觉到经典物理在21世纪仍然焕发出勃勃生机.还要注重提高学生的实际能力,教材内容形象化并且与生产、生活实际紧密联系,让学生感觉到生活中到处都有物理,学习物理知识很有用,从而激发他们学习的动力.其次要充实教学内容和改进教学方法.针对不同的理工科专业的学生,在教学内容选取上侧重点应不同.既要体现知识的完整性,也要体现大学物理的基础性,不同专业教学内容的侧重点应有所不同.同时拓展物理知识的应用,提高学生的学习兴趣.在教学方法上,借助学校的教学投入,开展多方位的教学方式相结合.课堂教学、多媒体教学和网络课堂互补,通过课堂教学,讲清物理概念的来龙去脉和数学处理的过程,让学生学会从现象入手,运用物理手段分析,采用数学语言描述,然后建立模型和求解并推广应用.借助多媒体课件演示在网络中实现实时互动.加强理论与实践教学的结合,将大学物理实验与大学物理理论课程部分有机地结合,把实验搬进课堂,引导学生参与实验,这样既锻炼了学生的动手能力,也加深了对理论部分的理解,避免理论教学与实验教学两张皮.同时可以考虑学生专业的特点,更新实验内容,充实一些与现代生产联系密切的实用性和综合性实验,既能开阔学生眼界,又能将物理理论与现代技术和生活融合起来,这些都对调动学生的学习积极性、主动性、创新性有着重要的作用.

对于教学研究,国家应加大投入,鼓励和支持从事教学研究,并倡导把研究结果应用于实际教学中,让学生受益.改变现今的考核方式,提倡考核的多样化和强调过程化,可以布置小论文、实验课题、课后研究、课外制作,综合技能考核等.总而言之,大学物理对于非物理专业的理工科学生的知识、能力、素质的提高都起着重要的作用,特别是对于理性思维、物理建模和联系实践的训练都是有积极意义的.我们只有顺应科学发展的潮流,找到适合自己的发展方向,大胆进行课程改革,更好地发挥大学物理在自然科学中的基础地位,为培养学生的科学素养和创新能力做出贡献.