游雙華 曾永志

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州 350108）

一、主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的改革思路

17世紀，捷克教育學(xué)家夸美鈕的里程碑著作《大教學(xué)論》開啟了現(xiàn)代學(xué)校教育的時代。從此，課堂教學(xué)的模式經(jīng)久不衰，一直延續(xù)到了今天。顯然，在以前，這樣的傳授模式肯定是具有最高的知識傳輸效率，我們大多數(shù)人都是課堂教學(xué)模式的直接受益者。

現(xiàn)在課堂教學(xué)模式依舊保持著傳統(tǒng)的教學(xué)模式。盡管有一些小的改變，比如，板書被PPT取代，小班課堂，一些教師也嘗試用討論課的方式和學(xué)生進行交流。但是教師的中心地位這樣的傳統(tǒng)模式?jīng)]有改變，在整個教學(xué)活動中，教師始終處在絕對核心的地位，學(xué)生始終處在被動接受的地位。不管什么課程，一旦教師中心地位確立，課堂教學(xué)的四個要素（教師、學(xué)生、教材、媒體）將形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[1]，信息的傳輸總是單向：從教師流向?qū)W生。教師是課堂的主宰，教師通過PPT、板書把教材中的知識灌輸給了學(xué)生，至于學(xué)生的接受情況如何、碰到的具體困難，教師了解的手段就顯得非常有限，只能通過作業(yè)和考試了解。

環(huán)顧當今的生活，科技幾乎改變了我們所有的生活方式，比如，出行方式，馬車已經(jīng)永遠被汽車、高鐵、飛機取代，寫信也成為歷史，被Email、微信完全取而代之?？墒牵斘覀兓仡^回顧一下教學(xué)模式，課堂教學(xué)模式依舊是現(xiàn)在的主流。今天我們獲取信息的方式已經(jīng)出現(xiàn)了巨大的變化了，我們幾乎可以在任何時間、任何地點以非常低廉的價格（甚至免費）獲取到所有的信息，課堂的作用已經(jīng)被大大的弱化了。

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式中，主要知識的傳輸是由教師將學(xué)生集中在一起，在課堂上通過教師進行講授來完成的，而把需要討論的關(guān)鍵點、難點留在課后，由同學(xué)獨自完成。現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展給我們提供了改變這種知識傳授模式的有效工具，假如我們把主要知識傳輸過程留給學(xué)生在課后獨自完成，而把知識體系中概念的關(guān)鍵點、難點留在課堂上，由一群可能有同樣迷惑的學(xué)生一起討論完成，那么本來集中在一起完成的學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)而變成了分散，而本來獨自完成的任務(wù)變成了集中。

構(gòu)建新型的教學(xué)模式的關(guān)鍵在于，是否能激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，是否能夠使得學(xué)生成為真正意義上的主體，而不僅僅是信息的接受者，而教師不再是課堂的主宰，僅僅是課堂的組織者。

二、穩(wěn)恒磁場單元教學(xué)改革的設(shè)計

我們以大學(xué)物理課程的“穩(wěn)恒磁場”這單元為例，詳細討論如何通過教學(xué)模式的改革，使得學(xué)生真正成為教學(xué)活動中的主體，從而構(gòu)造新型的教學(xué)模式。

美國教育學(xué)家布魯姆把教育目標分為三大領(lǐng)域：認知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和動作技能領(lǐng)域，據(jù)此，我們對“穩(wěn)恒磁場”課程進行了教學(xué)設(shè)計。認知領(lǐng)域：掌握穩(wěn)恒電流產(chǎn)生磁場的計算方法，掌握有限長載流直導(dǎo)線磁場，圓形載流線圈磁場的計算方法，理解磁場有旋無源的特點，掌握無限長柱面、無限長螺線管產(chǎn)生的磁場的計算方法。情感領(lǐng)域：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的方法。動作技能領(lǐng)域：反復(fù)比較與靜電場的區(qū)別，從而掌握這兩個極端場的描述方式，能夠用這兩種不同場的描述方式解決隨空間和時間變化的物理量的問題。

1.課前準備階段

首先，我們把穩(wěn)恒磁場課程內(nèi)容的知識點轉(zhuǎn)化為問題，在教學(xué)材料的準備中，堅持“以問題為導(dǎo)向，以任務(wù)驅(qū)動學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法，把課程內(nèi)容拍攝成兩段短視頻。第一段為畢奧-薩伐定理，第二段為穩(wěn)恒磁場的基本性質(zhì)（包括穩(wěn)恒磁場的通量和環(huán)流）。在學(xué)生觀看短視頻時，必須回答1-2個嵌入的交互性問題，這樣的方式既能啟發(fā)學(xué)生思考，又能檢驗學(xué)生自學(xué)的效果。以下是本次視頻中嵌入的問題。

題1.在沒有電流的空間區(qū)域里，如果磁感應(yīng)線是平行直線，磁感應(yīng)強度B的大小平行磁感應(yīng)線和垂直它的方向上是否可能變化（）.

A.平行方向變化，垂直方向不變；B.平行方向不變，垂直方向不變；

C.平行方向變化，垂直方向變化；D.平行方向不變，垂直方向變化；

題2.判斷題：是否存在球?qū)ΨQ輻射狀的磁場：

B=f（r）er。

第一段短視頻內(nèi)容：用1820年丹麥的奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，從而結(jié)束了人們認為電和磁是兩種完全不同的物理現(xiàn)象，作為課程的引子吸引學(xué)生對電磁現(xiàn)象的興趣，時間大約1分鐘左右。繼而提出問題：永久性磁鐵的本質(zhì)是什么？電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)如何計算？進而到安培的分子環(huán)流解釋和畢奧-薩伐定理，其核心要點就是比較畢奧-薩伐定理和庫侖定理的聯(lián)系和區(qū)別，重點強調(diào)磁場是一種橫向場的特點。接下去，用畢奧-薩伐定理求解載流直導(dǎo)線和圓電流軸線上的磁場。主要內(nèi)容的講解時間在12分鐘左右。最后1分鐘總結(jié)電流元產(chǎn)生磁場的計算方法，布置相應(yīng)的作業(yè)。

第二段短視頻主要講解穩(wěn)恒磁場的通量和環(huán)流。引子（時間3分鐘）：庫侖場是一種徑向場，其通量和環(huán)流具有的形式，創(chuàng)建問題情景“穩(wěn)恒磁場屬于橫向場，其通量和環(huán)流應(yīng)該具有什么樣的形式？”，從而引發(fā)學(xué)生的思考，從而進入該課程的主題，主題講解（10分鐘）圍繞著兩個主要內(nèi)容：一是比較靜電場和穩(wěn)恒磁場的通量和環(huán)流；二是應(yīng)用安培環(huán)路定理求解兩道經(jīng)典例題（無限長柱電流產(chǎn)生的磁場，無限長螺線管產(chǎn)生的磁場）。最后用1分鐘總結(jié)穩(wěn)恒電流的通量和環(huán)流情況，并布置相應(yīng)的作業(yè)。

以下是本次課后的作業(yè)。

題1.如圖1（a）所示的長導(dǎo)線中通有電流，求圓心O處的磁感應(yīng)強度B。

題2.長直導(dǎo)線AA′與一半徑為R電阻均勻分布的導(dǎo)體圓環(huán)相切于A點，另一長直導(dǎo)線沿半徑方向與圓環(huán)相接于B點，如圖1（b）?，F(xiàn)有穩(wěn)恒電流I從A點流入并從B點流出。試求：

O點的磁感應(yīng)強度如何？

計算B沿圖中閉合路徑L的環(huán)路積分時，哪些電流可以當作套鏈的電流，套鏈電流多大？

題3.半徑為R的無限長直圓筒上有一層均勻分布的面電流，電流都繞著軸線流動并與軸線方向成一角度α，即電流在筒面上沿螺旋線向前流動，如圖1（c）。設(shè)面電流密度為i，求軸線上的磁感應(yīng)強度。

2.課中學(xué)習(xí)階段

課堂上階段是實施自主學(xué)習(xí)的最重要一個階段，我們主要以小組協(xié)作學(xué)習(xí)和討論課的方式進行教學(xué)。我們將課程分為各45分鐘的兩個階段。

第一階段主要以鞏固知識為目標，以小組協(xié)作的方式進行組織教學(xué)。我們又將這一階段分成兩個部分，首先，教師講解兩個短時視頻中的主要知識點，時間控制在10分鐘左右，講解的重點，主要圍繞著核心的概念、難點：畢奧-薩伐定理的應(yīng)用和理解橫向場的特點。接著，學(xué)生進行分組討論（提前將3個人分成一組、選定組長），討論題目以兩段視頻中布置的課后作業(yè)。利用這個環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生興趣，加深對概念的理解。討論結(jié)束后，由組長提供一份同組成員共同認可的答案。組長在這個環(huán)節(jié)中必須取到關(guān)鍵的作用：組織討論的進行，當有不同意見時，務(wù)必使得組員取得一致的意見。

圖1 課后作業(yè)圖

在討論題的選擇上，我們遵守了兩個原則：理解概念、刻意練習(xí)。首先，在題目類型上，選擇一些能對物理概念加深理解的題目，很多教科書中課后的思考題是慣常挑選題目的出處，我們還在美國的David P.Maloney等人專門為測試學(xué)生對電磁學(xué)基本概念理解而設(shè)計的CSEM（Concept Survey of Electricity and Magnetism）[2]挑選了一些題目。其次，心理學(xué)家將人的認知模式分成三個嵌套的同心圓：最內(nèi)層稱為“舒適區(qū)”，所有的知識和技能都是你熟悉的，你在這個領(lǐng)域感到非常的舒適；最外層稱為“恐慌區(qū)”，這部分的知識和技能是你暫時無法掌握的，這兩個區(qū)的中間領(lǐng)域就是“學(xué)習(xí)區(qū)”。能夠進行有效學(xué)習(xí)的方法，就是盡量使得學(xué)生能夠處在學(xué)習(xí)區(qū)進行“刻意學(xué)習(xí)”。

第二階段（45分鐘），由教師主持的課堂討論，一共有兩道題目，題目如下所示。

題1.如圖2所示，兩無窮大平行平面上都有均勻分布的面電流，面電流密度分別為i1和i2，兩電流平行，求：

兩面電流之間、之外的磁感應(yīng)強度；

i1和i2之間不同夾角時，兩面電流之間、之外的磁感應(yīng)強度。（反平行、垂直、任意夾角）。

圖2 討論題第1題

題2.半徑為a的球面上均勻分布著電荷，面密度為，當這球面以角速度繞它的直徑旋轉(zhuǎn)時，求轉(zhuǎn)軸上球內(nèi)和球外任一點（該點到球心的距離為x）的磁感強度B。

討論的方式采用問題導(dǎo)向法，層層遞進，以第2題為例，具體步驟如下。

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生寫出旋轉(zhuǎn)電荷等效的電流強度，并根據(jù)圓電流在軸線上的磁場公式

其次，教師引導(dǎo)學(xué)生先關(guān)注兩個特殊的點：圓心（r=0）；直徑與球面的交點（r=R），通過求解發(fā)現(xiàn)兩點磁場強度一樣，再通過積分發(fā)現(xiàn)在整條直徑上，磁場大小與位置無關(guān)；接著將球外磁場和球內(nèi)磁場類比，可以輕松求出球外的磁場。在這個過程中，讓學(xué)生自行計算兩個比較簡單的積分，即r=0和r=R，另外兩個有一定難度的積分，教師引導(dǎo)學(xué)生一起完成。

再次，最后的5分鐘，教師基于前面的學(xué)習(xí)情況，進行最后的總結(jié)，以幫助學(xué)生完善物理知識結(jié)構(gòu)體系。

3.課后學(xué)習(xí)階段

小組成員把經(jīng)過討論后得到的學(xué)習(xí)成果，寫成一份報告，將學(xué)習(xí)成果分享在教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺中，并在小組成員中進行互評，此外，我們還提供一些提高的題目供學(xué)有余力的同學(xué)進行進一步學(xué)習(xí)。提高部分的題目如下所示[3]。

題1.一條無窮長的導(dǎo)線載有電流I，這導(dǎo)線彎成一拋物線形狀，焦點到頂點的距離為a，如圖3（a）。求焦點的磁感強度B。

圖3 提高題圖

題2.有一個半徑為R的“無限長”半圓柱面導(dǎo)體，沿軸方向的電流I在柱面均勻地流動，如圖3（b）所示。試求：

半圓柱直徑面（半圓柱直徑和軸構(gòu)成的平面）上磁通如何？

半圓柱面導(dǎo)體軸線上OO′上電磁感應(yīng)強度。

三、實施主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的意義

與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)比較，新型教學(xué)模式具有重大的意義。

1.課堂具有不同的作用

以學(xué)生為主體，并不意味著以自學(xué)取代聽教師上課，而是上課的節(jié)奏由學(xué)生自行掌握。那么課堂的作用又是什么？事實上，對很多學(xué)生而言，學(xué)習(xí)物理是一件比較困難的事情，要對一個物理概念真正理解透徹需要花費大量的精力。而且物理概念的理解是分層次的，比如：磁場在中學(xué)是由電流產(chǎn)生的一種場；在普通物理中，還需要學(xué)會不同電流分布產(chǎn)生磁場的計算方法；在電動力學(xué)中，把數(shù)學(xué)描述手段提高到用矢量分析的方法；在相對論中，我們發(fā)現(xiàn)到磁場僅僅只是電場的相對論效應(yīng)，而電磁場具備的能量，使得人們第一次開始探討質(zhì)量的起源，再到希格斯提出真空對稱性自發(fā)破缺的極值，使得場粒子成為“上帝粒子”，從而使得微觀粒子具備有質(zhì)量。因此，物理的學(xué)習(xí)，不僅僅只是課堂上聽聽，做一定的練習(xí)就可以得到解決的。

教師在課堂的作用對學(xué)習(xí)效果起到了關(guān)鍵的作用。在討論課環(huán)節(jié)，教師把精心準備的材料發(fā)放給學(xué)生，在學(xué)生討論期間，教師穿梭于不同討論組，由此得到學(xué)生學(xué)習(xí)情況的即時反饋，從而在最后總結(jié)時，使整個知識體系得到完善。在教師引導(dǎo)的討論環(huán)節(jié)，教師掌控著整個討論的環(huán)節(jié)，知識的引入，關(guān)鍵點的討論，教師都起到了關(guān)鍵的作用。

2.重新定義學(xué)生與教師的關(guān)系

教師方面：從原來的中心地位，變成了一個引導(dǎo)者和組織者。其作用主要體現(xiàn)在兩個方面。課前，教師對課程的資源進行整合，設(shè)計出合適學(xué)生進行刻意練習(xí)的討論題，并把課程的知識點轉(zhuǎn)化為問題，使上課模式變成以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式。課中，教師是討論的指導(dǎo)者和促進者，通過分組討論和課堂討論，教師隨時隨地為學(xué)生提供指導(dǎo)，幫助他們掌握課程的關(guān)鍵知識點。

學(xué)生方面：從原來信息的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的主體。課堂上超過一半的時間由學(xué)生自行掌握，使得學(xué)生有了完整、深入的學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在課堂上，討論課的展開大大加強了同學(xué)之間的學(xué)術(shù)關(guān)聯(lián)，思維方式、表達方式以及理解方式都成了同學(xué)之間交流的一部分，促進了同學(xué)之間的相互學(xué)習(xí)，從而達到共同提高的目的[4]。

四、結(jié)語

主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的實施，重新確定了教師和學(xué)生的關(guān)系，突出了教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)生的能力。但是，并不是所有大學(xué)物理課程的內(nèi)容都適合這種教學(xué)模式，對于知識內(nèi)容過于繁雜、數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較復(fù)雜的內(nèi)容，顯然比較適合傳統(tǒng)的教授方法，尤其是板書的方式更加適合數(shù)學(xué)的推導(dǎo)，比如，磁介質(zhì)、電磁波的產(chǎn)生這些單元就比較適合傳統(tǒng)的講授方式。因此教學(xué)改革決不是盲目求變化，要結(jié)合教學(xué)實際和學(xué)生學(xué)習(xí)能力做出最優(yōu)選擇。教學(xué)模式的選擇對教學(xué)質(zhì)量會起到至關(guān)重要的影響，任何教學(xué)方法和教學(xué)模式都是為提高教學(xué)質(zhì)量和效果服務(wù)的，其最終目的就是引導(dǎo)學(xué)生進行有建設(shè)性的學(xué)習(xí)，不斷提高學(xué)習(xí)和實踐能力。