工科大學(xué)物理教學(xué)與改革幾個兩難問題的分析與討論

鄭文珍

(衢州學(xué)院教師教育學(xué)院浙江 衢州324000)

摘 要：在分析當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對內(nèi)容與課時、基礎(chǔ)與專業(yè)、數(shù)學(xué)與物理、經(jīng)典與現(xiàn)代、理論與實驗5個典型的工科大學(xué)物理教學(xué)與改革的兩難問題進(jìn)行了較為深入的分析與討論，并就如何化解這些矛盾提出了一定的解決辦法.

關(guān)鍵詞：工科物理教學(xué)與改革兩難問題

收稿日期：(2014-10-29)

大學(xué)物理是高等院校工科各專業(yè)重要的通識性必修基礎(chǔ)課;大學(xué)物理課程所講授的基本概念、基本理論和基本方法是形成學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和專業(yè)技能的重要組成部分,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、思維方法、研究能力等方面具有其他學(xué)科無法替代的特殊作用.努力進(jìn)行大學(xué)物理課程教學(xué)改革，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，是當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)與改革的重要任務(wù).從20世紀(jì)90年代以來，大學(xué)物理的教學(xué)改革取得了較為顯著的成績，特別是大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)代化方面得到了較好的體現(xiàn)和實施，教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有了較好的銜接，教學(xué)目標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)得到了進(jìn)一步規(guī)范，以精品課程為標(biāo)志的課程建設(shè)有了大面積提升.但我們還是認(rèn)為，大學(xué)物理的教學(xué)與改革仍然是一個十分艱難的課題，特別是很多進(jìn)退維谷、取舍“兩難”的問題無法從根本上得到解決，影響了大學(xué)物理教學(xué)與改革的深入進(jìn)行.

下面，筆者想就有關(guān)工科大學(xué)物理教學(xué)與改革的幾個兩難問題(或曰矛盾)提出一些個人的看法，并就教于各位同仁.

1內(nèi)容多與課時少的矛盾

大學(xué)物理是各類自然科學(xué)的基礎(chǔ)，涵蓋了物理學(xué)的核心內(nèi)容，也是純粹科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的基石.物理學(xué)是人類文明的旗幟，物理現(xiàn)象在日常生活和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中比比皆是.大學(xué)物理教學(xué)既需要保持經(jīng)典物理學(xué)的風(fēng)貌和架構(gòu)，同時也必須加快現(xiàn)代化進(jìn)程，與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)接軌.這就是說，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為基礎(chǔ)學(xué)科的大學(xué)物理需要講授的內(nèi)容越來越多，涵蓋的科技領(lǐng)域越來越寬，學(xué)科交叉越來越密，課程難度越來越大.近年來，盡管有不少大學(xué)物理教材較之原來是薄了些，但在內(nèi)容的甄選與編排上，卻凸顯“深、新、難”之勢.以馬文蔚《物理學(xué)》第四版和第五版之比較，即可看出明顯差異.按照工科大學(xué)物理教學(xué)基本要求，大學(xué)物理的講授學(xué)時數(shù)最低為126學(xué)時，但據(jù)筆者的了解，現(xiàn)在國內(nèi)絕大多數(shù)院校不能達(dá)到這一最低要求.浙江省20多所本科高校無一達(dá)標(biāo).我校采用的標(biāo)準(zhǔn)是80學(xué)時，比基本要求少了46學(xué)時，只有總量的63. 5%.而教育部高校物理學(xué)教指委編頒的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》[1](以2010版為例)列出了大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的125條要求，其中核心內(nèi)容74條，擴(kuò)展內(nèi)容51條，使得教學(xué)內(nèi)容與課時分配上的矛盾非常突出.現(xiàn)在不少學(xué)校只好在現(xiàn)有課時下將相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行刪減重組，但這又使內(nèi)容體系的自洽性受到損傷，顯得支離破碎，拆了東墻補(bǔ)西墻的結(jié)果，更使學(xué)生對物理學(xué)科體系的知識完整性產(chǎn)生質(zhì)疑.授課教師也頗為困惑和為難，“如此多的內(nèi)容，我怎么教呀？”由于教育部已不再有硬性的教學(xué)大綱和課時規(guī)定要求，各校開課的自由度增大，大學(xué)物理被邊緣化的趨勢越來越明顯，工科大學(xué)物理內(nèi)容多、課時少的矛盾非但未能得到有效遏制，且有愈演愈烈之勢.

2基礎(chǔ)知識與專業(yè)需求的矛盾

作為工科各專業(yè)的公共必修課，大學(xué)物理的核心要素是全面提高所有學(xué)生的共同基礎(chǔ)，這類課程的設(shè)置充分體現(xiàn)了教育部門和學(xué)校的意志，有著必須達(dá)到的明確目標(biāo).物理學(xué)是科學(xué)性、系統(tǒng)性很強(qiáng)的學(xué)科，其內(nèi)在的知識結(jié)構(gòu)和邏輯體系決定了物理學(xué)的整體嚴(yán)密性和寬廣的普適性.工科大學(xué)物理教學(xué)的首要任務(wù)是著眼于如何適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)，提高其物理基本素養(yǎng)，突出物理學(xué)理論在現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)中的應(yīng)用.物理學(xué)的特點決定了工科大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容范疇，這是必須把握的基本要求.但在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)十分發(fā)達(dá)的今天，學(xué)科專業(yè)門類越來越多，方向越來越細(xì).毋庸置疑，大學(xué)物理對不同的專業(yè)教學(xué)也應(yīng)該有不同的側(cè)重，在保持學(xué)科知識系統(tǒng)性和完整性的同時，將相鄰學(xué)科和邊緣學(xué)科的相關(guān)基礎(chǔ)知識納入課程內(nèi)容，以便適應(yīng)不同基礎(chǔ)或?qū)I(yè)學(xué)生的需求[2].但在實際教學(xué)中，針對不同工科專業(yè)講授不同的大學(xué)物理，真的很難，迄今為止，也未見一本專門針對某一特定工科專業(yè)而編寫的大學(xué)物理教材.一般認(rèn)為，在化工、工程熱物理、熱能工程等專業(yè)多講一些熱力學(xué)知識，而在機(jī)械設(shè)計與制造、土木工程等專業(yè)要加強(qiáng)力學(xué)(包括分析力學(xué))教學(xué)等等，這也不失為一種方法.但筆者認(rèn)為，這實際上是一個兩難問題.如果僅僅為了上述不同專業(yè)而人為地將物理內(nèi)容割裂，不僅使物理學(xué)徹底淪為了工具，破壞了物理學(xué)整體科學(xué)結(jié)構(gòu)，且進(jìn)一步割裂了基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識之間的有機(jī)融合，加劇了學(xué)科之間的矛盾.因為這種添加(或重點加強(qiáng))越多，與他們專業(yè)知識的重合度就越高.我們經(jīng)常聽到學(xué)生提到兩個問題：一是，物理有什么用？另一個是，這些內(nèi)容我們專業(yè)課里都講了，它們的差距到底在哪里？筆者認(rèn)為，作為基礎(chǔ)學(xué)科，它的核心是普適性，是科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)，這也是物理學(xué)的精髓.但針對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和不同專業(yè)的特色，物理學(xué)又確實應(yīng)該發(fā)揮出本課程對該專業(yè)學(xué)習(xí)的支撐作用.但這個度如何掌握，不同專業(yè)之間到底如何體現(xiàn)和平衡，才能有效地做到大學(xué)物理基礎(chǔ)課程與工科專業(yè)教學(xué)相得益彰，是一個十分值得探討的問題.

3數(shù)學(xué)背景與物理教學(xué)要求之間的矛盾

數(shù)學(xué)和物理本是相生相伴的孿生兄弟，但是在大學(xué)物理的教學(xué)中，數(shù)學(xué)知識的不足又老是拖課程教學(xué)的后腿.在我國，絕大部分高校理工科大學(xué)物理都是在大一下學(xué)期(即第二學(xué)期)開設(shè)，甚至有部分學(xué)校是在新生剛?cè)雽W(xué)的第一學(xué)期就開設(shè).由于特定的教學(xué)內(nèi)容，大學(xué)物理在上課不久，就需用到微分、積分、線性代數(shù)等內(nèi)容，這些知識尚不足以影響物理教學(xué)主體，但隨后就要用的常微分方程、矢量分析與場論、偏微分方程等內(nèi)容，則是學(xué)生完全沒有接觸到的高深數(shù)學(xué)知識.這些內(nèi)容部分或許在大學(xué)物理課上過后高等數(shù)學(xué)課中會講，部分則是在整個高等數(shù)學(xué)中都不涉及.聽著復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換，學(xué)生未懂先怵.而作為大學(xué)物理授課教師，也是左右為難，不提這些數(shù)學(xué)理論吧，無法定量化地精確描述物理規(guī)律，學(xué)生也就無法從根本上理解這些物理規(guī)律的深刻含義；用定量表示吧，數(shù)學(xué)的要求又太高，且無法抽時間去專門補(bǔ)習(xí).作為物理專業(yè)學(xué)生，在專業(yè)課的學(xué)習(xí)中有多門課程也可能遇上這類問題，但作為專業(yè)課，課時相對比較充裕，內(nèi)容也相對集中，因此，教師可抽出部分時間補(bǔ)習(xí)相關(guān)數(shù)學(xué)內(nèi)容.然而，大學(xué)物理受課時和內(nèi)容的限制，不可能抽出相應(yīng)的時間先補(bǔ)數(shù)學(xué)，況且，這類障礙還很多.對于大多數(shù)學(xué)生來說，學(xué)習(xí)中困難的根源主要在于應(yīng)用數(shù)學(xué)來解決物理問題，在數(shù)學(xué)知識尚未掌握的情況下，就要求用其來解決物理問題，真是勉為其難了.因此，如何有效協(xié)調(diào)物理教學(xué)內(nèi)容對數(shù)學(xué)要求的矛盾，也是大學(xué)物理教學(xué)中的一個瓶頸.早在20世紀(jì)80年代，四川大學(xué)物理系專門編寫了一套針對物理專業(yè)本科生而用的高等數(shù)學(xué)教材，教學(xué)效果良好，學(xué)生反映不錯，有效緩解了物理專業(yè)教學(xué)對數(shù)學(xué)需求的矛盾.但對大學(xué)物理而言，至今尚未有能與之相配套的高數(shù)教材.“物理軍隊”需求與“數(shù)學(xué)糧草”供給不足的矛盾雖早已存在，但一直未能有有效的解決辦法.

4經(jīng)典與近代的矛盾

多年以來，大學(xué)物理是以經(jīng)典物理內(nèi)容為主的，就連我們浙江省每年舉行的大學(xué)物理競賽，內(nèi)容也基本局限于經(jīng)典物理.傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程就分為力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理幾個部分[3～5]，這樣的安排保證了經(jīng)典物理的完整性，體現(xiàn)了20世紀(jì)之前物理學(xué)的核心成就，也適當(dāng)介紹了20世紀(jì)以來物理學(xué)的部分新進(jìn)展，邏輯嚴(yán)密，線條清楚，但同時這樣的內(nèi)容安排也因為經(jīng)典物理內(nèi)容較多，現(xiàn)代物理內(nèi)容偏少而受到質(zhì)疑[6].

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以相對論和量子物理為代表的20世紀(jì)近代物理學(xué)使物理學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化.在20世紀(jì)，物理學(xué)的基本概念和技術(shù)已被應(yīng)用到所有的自然科學(xué)領(lǐng)域.物理學(xué)與其他自然科學(xué)的學(xué)科之間的邊緣領(lǐng)域，一定意義上是當(dāng)代自然科學(xué)中最富有獲得研究成果和機(jī)遇的領(lǐng)域，21世紀(jì)物理學(xué)毫無疑問仍然是技術(shù)進(jìn)步的主要源泉[7].作為工科大學(xué)物理，我們更有必要為近代物理乃至當(dāng)代物理留出足夠的時間，付出更多的精力為學(xué)生講授和介紹這些物理學(xué)的新理論和它們在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的新成就.

在《基本要求》劃定的125條內(nèi)容中，關(guān)于近代物理的有35條，占全部內(nèi)容的28%.但在實際教學(xué)中，各校往往把重點放在了以經(jīng)典內(nèi)容為主的A類上，而以近代物理為主要內(nèi)容的B類卻基本上處于不修或選修的境地.這就形成了一個新的兩難問題，從教學(xué)內(nèi)容安排上講，似乎經(jīng)典物理部分占了更多的教學(xué)時數(shù)，各校也大多如此安排.但從科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和當(dāng)代科技應(yīng)用的角度，則應(yīng)更多更寬口徑地講授近代物理.毋庸置疑，大學(xué)物理經(jīng)典理論要現(xiàn)代化，增加近代物理內(nèi)容，并為當(dāng)代物理前沿開設(shè)一定的窗口，是當(dāng)前大學(xué)物理必須面對的現(xiàn)實.但比例怎么定，窗口開多大，則是一個十分棘手的兩難問題.開少了不行，開多了也不行.開少了，教材陳舊，內(nèi)容老化，新意不足，不能反映經(jīng)典物理對當(dāng)代科技發(fā)展和對近代理論的奠基作用及相互促進(jìn)的辯證關(guān)系；開多了，經(jīng)典物理體系受到?jīng)_擊，知識面太寬，分叉太多，難度加深，完成教學(xué)任務(wù)的難度隨之增加，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度和畏難情緒隨之明顯加大.

工科大學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)典與近代的矛盾，各院?？赡芤蚋髯缘那闆r不同而有所側(cè)重，但由于這一矛盾而產(chǎn)生的“舍也難，講也難”的兩難問題卻是普遍存在的.雖然教師可以通過精選經(jīng)典物理內(nèi)容，利用與其相關(guān)的近代物理觀點，將經(jīng)典物理內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展和加深，實現(xiàn)經(jīng)典和近代的融合[8]，但在實際授課中，受教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時數(shù)等客觀條件限制，可操作性受到了相當(dāng)大的限制.

5理論講授與實驗教學(xué)之間的矛盾

實驗研究是物理學(xué)的基礎(chǔ).精密的定量測量構(gòu)成了物理學(xué)的特色[9].只有在取得大量的經(jīng)驗規(guī)律之后，方始可能建立融會貫通的理論體系.而這些理論又會對某些特定問題提出具體的預(yù)言，有待于物理實驗來對之甄別，予以證實或證偽.這樣經(jīng)過理論和實驗交叉進(jìn)行的大量工作和反復(fù)推敲，去偽存真，使得物理學(xué)理論有了一定程度的可信性.物理學(xué)這顆大樹之所以枝繁葉茂、生機(jī)勃勃，其根本原因在于它植根于實驗，觀察和實驗是物理學(xué)的根.實驗教學(xué)是大學(xué)本科特別是工科各專業(yè)重要的教學(xué)組成部分，大學(xué)物理實驗是工科學(xué)生學(xué)習(xí)到的第一門入門性的基礎(chǔ)實驗教學(xué)課程，國家物理教指委《非物理類理工科大學(xué)物理實驗課程基本要求》對大學(xué)物理實驗課程亦提出了明確要求，對規(guī)范大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量、提倡實驗創(chuàng)新、提高學(xué)生基本實驗素質(zhì)都產(chǎn)生了巨大的作用，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.

從目前我們的教學(xué)來看，大學(xué)物理和大學(xué)物理實驗課程是分別開設(shè)的，是相互分立的兩門課程，都有各自相對獨立的課程教學(xué)目標(biāo)要求.絕大多數(shù)高校以理論授課為主的物理系與主要承擔(dān)實驗教學(xué)任務(wù)的物理實驗室也是分別獨立的行政建制.這從教學(xué)任務(wù)安排、行政管理等方面來看，確實具有很強(qiáng)的可操作性.但如果我們從物理學(xué)規(guī)律本身來看，這種人為地把理論和實驗分割的做法，就很值得商榷了.實驗和理論本就是相輔相成的，是一個不可分割的整體.作為工科大學(xué)物理理論，基本上都是在大量的實驗基礎(chǔ)上得出來的.某些理論，學(xué)生聽起來可能感到完全陌生，而如果先以實驗引導(dǎo)入手，讓學(xué)生從感性到理性，則教學(xué)效果可能就事半功倍了.筆者曾與實驗教師合作以剛體轉(zhuǎn)動慣量的教學(xué)為例，通過先實驗、再理論、實驗與理論同堂進(jìn)行的方法，取得了很好的效果.但絕大多數(shù)情況下，這種方法是無法進(jìn)行的.因為這兩種教學(xué)工作分屬于不同的部門，不同的教師、不同的課程無法有機(jī)捏合,雖然從物理學(xué)本身來講，理論和實驗是融為一體的.于是就出現(xiàn)了這樣的問題，對經(jīng)典理論部分，可能理論教學(xué)超前于與之對應(yīng)的實驗，而對于學(xué)生比較陌生的近代物理部分，其相應(yīng)的實驗又大大超前于其理論講授.這樣以至于學(xué)生對所做實驗的科學(xué)內(nèi)涵及其物理本質(zhì)感到完全陌生和不可理解，實驗課程完全變成了驗證性工具.而理論課由于失去了實驗的支持，也就顯得晦澀而枯燥.雖則部分學(xué)校有演示實驗，但那畢竟是淺表性的，且學(xué)生大多時候只能觀察.但如果能將實驗課和理論課有機(jī)融合在一起，在需要理論時先講理論，需要實驗時就做實驗，使理論教學(xué)與實驗教學(xué)真正回歸物理學(xué)本身，水乳交融，這才應(yīng)該是作為基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)的真正目的，也才能夠真正提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和動手能力.如何把這種割裂開的理論和實驗有機(jī)融合，使被肢解的物理學(xué)回歸它的血肉之軀，合理解決理論與實驗的矛盾，也是工科大學(xué)物理教學(xué)中一個值得深入研究的兩難問題.

工科大學(xué)物理教學(xué)中的兩難問題，歸根結(jié)底，是由于它所特定的課程地位、學(xué)科性質(zhì)、涵蓋內(nèi)容、輻射專業(yè)、當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的不斷改變及知識理論體系的不斷更新等多方面的原因和矛盾形成的.物理學(xué)是研究物質(zhì)與運動的基本規(guī)律的科學(xué)，是自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程科學(xué)的基礎(chǔ)[8]，以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)成為了自然科學(xué)的中心，而近代物理在對經(jīng)典物理學(xué)賦予新的生命力的同時也對其地位提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，工科專業(yè)人才的培養(yǎng)也對大學(xué)物理教學(xué)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).我們正處在這種漩渦之中，如果我們能在考慮學(xué)科層次、教材體系、專業(yè)結(jié)構(gòu)及大學(xué)低年級學(xué)生這些特定的環(huán)境與對象之后，能將這些矛盾或兩難問題逐一化解，并使之和諧地統(tǒng)一起來，那么，筆者可以肯定：我們將會在知識的內(nèi)容結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)功能和教學(xué)方法上都有一個大的突破，從而為進(jìn)一步培養(yǎng)高素質(zhì)、全方位的工科專門人才打下良好的基礎(chǔ).

參 考 文 獻(xiàn)

1教育部.理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求(2010年版) .北京：高等教育出版社，2010

2毛駿健，顧牡，吳於人.建設(shè)以知識、能力和素質(zhì)為教學(xué)目標(biāo)的大學(xué)物理精品課程.大學(xué)物理，2008(10):44～46

3馬文蔚.物理學(xué)(第五版) .北京：高等教育出版社，2006

4程守誅，江之永.普通物理學(xué)(第六版) .北京：高等教育出版社，2007

5張三慧主編.大學(xué)物理學(xué)(第三版) .北京：清華大學(xué)出版社，2009

6王永剛. “理工融合”理念下大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容改革研究.北京郵電大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2003,5(4):54～58

7甘子釗.北京大學(xué)物理學(xué)叢書·序(第一版) .北京：北京大學(xué)出版社，1999

8王長榮，阮世平，王建中,等.基于“2+3”的大學(xué)物理課程建設(shè)的研究與實踐.浙江科技學(xué)院學(xué)報，2010，22(5):449～455

9陳龍道,等.物理學(xué)詞典 .北京：科學(xué)出版社，2004

Analysis and Discussion on Several Dilemmas in

Technological University Physics Teaching and Reform

Zheng Wenzhen

(College of Teacher Education，Quzhou University，Quzhou，Zhejiang324000)

Abstract:This article probes into five typical dilemmas of content and class, foundation and professional, mathematics and physics, classical and modern, theory and experiment and puts forward some solution on how to resolve these contradictions in technological university physics teaching and reform.

Key words:technological university physics; teaching and reform; dilemma