大學物理課程教學常見問題分析

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［摘要］“大學物理”作為國內外理工科學生的必修基礎課，可以培養學生的科學實驗、抽象思維、分析解決問題的能力，提高學生的科學素養?！按髮W物理”也是科學工作者和工程技術人員的必需基礎知識。討論“大學物理”教學過程中，如何加強學生的邏輯思維、獨立解決問題能力的訓練，如何鼓勵學生運用新方法、數學工具解決物理問題，以及如何系統學習物理課程等問題。

［關鍵詞］大學物理；邏輯思維；數學工具；物理模型

“大學物理”是大學理工科學生的一門公共基礎課程。通過本課程的學習，學生可以熟悉自然界物質的結構、性質、相互作用及其運動的基本規律，為后續專業基礎與專業課程的學習奠定必要的物理知識基礎。例如，“大學物理”課程中涉及運動學、動力學、動量能量守恒以及剛體力學等力學部分的基礎知識，這是與機械相關專業學生后續學習“理論力學”“流體力學”等專業的基礎?！按髮W物理”課程中的熱學部分是化工及材料專業學生學習相關專業課的重要基礎之一，因此，理工科學生有必要把“大學物理”課程學通、學精，為專業課奠定堅實的基礎。筆者總結了在“大學物理”課程的教學過程中遇見的一些問題及相應的解決辦法，這里與讀者朋友們分享。

一、加強學生的邏輯思維訓練

“大學物理”課程本身具備較強的邏輯性，邏輯思維方法是分析和解決物理問題的關鍵。將邏輯關系、邏輯思維蘊于“大學物理”教學之中，是培養學生邏輯思維能力的主要途徑之一。例如，教師在知識點講解過程中，會詳細介紹相關公式的推導過程，同時闡述公式的來源及其應用范圍，這對學生對相關知識點的理解非常重要。如果學生對公式的推導過程不夠了解，對公式的理解不夠透徹，這將大大增加相關物理知識點及公式運用的難度。在解決物理問題中，也需要具有較強的邏輯性，不然會造成思路混亂，無從下手的局面。因此，在“大學物理”教學過程中，加強學生的邏輯思維訓練，在例題及習題的講解過程中，幫助學生總結解決問題的思路是極其必要的，對學生其他專業課的學習也是有幫助的。培養邏輯思維的方法有很多，例如比較歸類法、歸納演繹法、假說法等。這里以比較歸類法為例，闡述其在“大學物理”教學過程中的運用。通過比較不同研究對象運動狀態的特征，歸納出這些研究對象共同的運動規律；或者改變某一物理條件，分析比較其對研究對象運動狀態的影響，歸納出物體運動狀態對物理條件的響應規律，進而可以對研究對象的運動規律進行深層次的分析和認識。這種比較歸類法是培養學生邏輯思維能力的常用方法之一。

二、加強數學工具的運用

縱觀物理學發展史，物理學的每一次重大革命，往往伴隨著新數學理論的引入。力學革命稱得上是第一次物理革命，需要研究天體運動這一物理現象。牛頓提出了萬有引力理論，而且還提出微積分這套新的數學方法來描寫萬有引力理論；電磁革命是第二次物理革命，麥克斯韋發現了一種新的物質形態———場形態物質；愛因斯坦的廣義相對論是第三次物理革命，這些都需要數學理論的支撐。量子革命作為第四次物理革命，揭示了世界中真實存在的既不是粒子也不是波，但又是粒子又是波的物質，這需要建立在數學中的線性代數理論基礎之上的量子力學來解釋。當然，數學的發展也常常得益于物理學問題的提出，數學與物理之間存在著千絲萬縷的聯系。高等數學是“大學物理”的基礎，是解決物理問題的基本工具，因此，一般理工科院校需要先開高等數學課程，再開大學物理課程。但一些學生在高等數學學習中，忽略了數學的應用價值，而僅僅當作公式來記憶。例如，學生會記住一些常見的微積分公式，但在“大學物理”中很難運用這些公式來解決問題，積分上下限對應的物理意義不夠清楚，積分上下限的設定存在一定的困難，根本原因在于對微積分所表示的含義不夠清楚。在課時允許的條件下，筆者會在緒論課中歸納總結在“大學物理”課程中經常用到的微積分、三角函數、矢量點乘、矢量叉乘等數學公式。在“大學物理”課程的學習過程中，很少用到特別復雜的數學公式。將物理問題轉化為一般的數學問題，是有規律可循的，因此對解決物理問題中常用的數學公式進行總結歸納，對于物理問題的解決是極其必要的。鼓勵那些對物理中的數學有興趣的同學，系統學習數學在物理學中的應用，可以借助一些書籍，例如《物理世界的數學奇跡》《數學物理方法》[1,2]。將物理問題提煉成數學表達式，這一過程需要以物理模型、物理概念、物理及數學公式為基礎，例如，真空中一個帶電球體，其電荷分布具有球對稱性，利用靜電場高斯定理可以求解其電場的分布規律，這一過程需要用到電荷均勻分布的球殼模型、電通量概念、靜電場高斯定理的公式、體積分數學公式等。但難點在于，電荷呈球對稱分布，即同一半徑的球面上電荷分布情況相同，要準確表達出某一高斯面內的電荷量。柱殼模型與球殼模型相似，也是電磁學部分經常用到的物理模型，通過對比分析，熟練掌握這些重要的物理模型，對解決電磁學相關問題是十分必要的。

三、培養學生建立和使用物理模型

“大學物理”課程涉及的很多問題都是建立在理想條件和理想模型基礎之上的，例如，自由落體運動，忽略空氣阻力；彈簧振子的簡諧振動，忽略摩擦和阻力，彈簧視為輕彈簧；簡諧平面波傳播過程中，忽略介質對能量的吸收等。在學習電磁學部分時，經常需要用到電荷均勻分布的球面、球體、均勻帶電的無限長直導線、無限長圓柱體、無線大均勻帶電平面等理想的物理模型。運用這些物理模型可以方便解決問題，學生自己建立這些模型是非常不容易的，需要教師的引導和詳細講解這些模型的建立方法、使用條件等。這些模型在使用過程中，也往往需要用到微積分、面積分和體積分。部分學生對積分的物理意義不夠了解，根本原因在于對物理模型理解得不夠透徹，因此，積分的上下限很難與物理量相對應，難以用數學語言表達物理問題。但“大學物理”課程中涉及的理想條件與模型并不是特別多，也并不復雜，通過例題的講解可以幫助學生認識到理想條件和模型是有利于簡化問題、易于理解的。并且在這些物理模型使用過程中，需要的數學表述方式也是比較固定的、有規律的。通過例題和習題的講解，大學生是有能力完全掌握和運用“大學物理”課程中所涉及的理想條件和物理模型的。

四、培養學生獨立解決問題的能力

目前，多數教師使用多媒體教學，課上講授內容豐富，學生看得比較清楚；但一堂課下來，學生動筆的機會很少。這需要學生本身具有較強的主動性，課下能夠自己動筆解決問題，鞏固課上所學知識內容。中學階段很多學生都經歷了題海的訓練，而大學階段學習的課程內容較多，很少有學生還有時間做大量的課外題，但這并不意味著“大學物理”只聽課就好，畢竟大學的知識內容繁多，如果沒有及時消化吸收，久而久之，會影響后續的學習效果。例如，在課程講授過程中，教師會強調電場強度和磁感應強度的矢量性，因此積分時需要用到矢量積分，但學生在學習高等數學時，未涉及矢量性，因此電場和磁場的矢量性很容易被忽略。有的學生課上覺得聽懂了，要考慮電場和磁場強度的矢量性，但課下沒有及時進行練習鞏固，沒有及時消化所學知識，對重要的知識點會越來越生疏，遇到實際問題時，電場和磁場強度的矢量性很容易被忽略，最終很難獨立解決相關的物理問題，這給后期相關專業課的學習造成障礙。在中學階段，有的學生是在家長和老師的督促下完成功課的，也經歷了大量習題的高強度訓練。但大學階段主要靠學生的自主學習，獨立完成課后作業，這就需要學生具有較強的主動性。大學階段，學生課后及時完成作業仍然是十分必要的，通過完成作業可以發現、解決學習過程中存在的問題。網絡學習也是一個值得推薦的學習方式。目前網絡學習的機會較多，教師可以引導學生有效利用網絡資源補充鞏固課堂所學內容。無論是通過完成作業、借助網絡課程,還是學生自行搜索習題，都需要認真的歸納總結重要的知識點、解題思路，這樣才能達到舉一反三的目的。系統的歸納總結可以節省很多做題庫的時間；歸納總結可以幫助學生解決同一類型的若干問題；歸納總結是提升學習能力的一個重要途徑。學生主動學習需要興趣的支撐，課下才能去探索、解決物理問題，幫助消化和理解重要的理論知識。筆者會適當地將一些與物理課程內容相關的生活常識融入課程之中，學生感覺到大學物理知識是非常有用的，無處不在的，這樣有利于提高學生對“大學物理”課程的學習興趣。另外，教師也可以向學生推薦一些課外閱讀材料[3，4]，讓學生了解物理在工程技術中的應用，這樣可以擴展學生的知識面，也可以有效地激發學生探索科學問題的興趣。興趣是學生自覺、獨立解決實際問題的源動力。

五、鼓勵學生運用新方法

中學階段的物理課程是“大學物理”的重要基礎，如果清楚學生在中學階段的基礎，明確哪些解決問題的方法對于學生來講是新方法，這樣教師可以有針對性的指導學生對新理論新方法的理解和運用。部分學生覺得自己已經熟練掌握了中學階段的解決問題方法，對“大學物理”中的新方法比較陌生，因此更愿意選擇自己較熟悉的方法。但是，我們都知道,中學階段所接觸到的物理問題多為特殊條件下的物理現象，例如，速度恒定的直線運動、加速度恒定的勻加速直線運動、勻速圓周運動、勻強電場、勻強磁場等特殊條件下的物理問題。而“大學物理”中解決的問題更具有一般性，例如，速度、加速度的大小方向都可以隨時間、運動軌跡改變而發生變化，而不僅僅局限于直線和圓周兩種情況，可以是一般的曲線形式；電磁場作為點函數，場的強弱和方向都可以是變化的。因此，相對中學階段的物理，“大學物理”中的新方法新理論是學生學習的難點，學生只有理解了才能接受和運用。教師教學過程需要側重講解學生未接觸過的新方法新理論。有的學生遇到運動學問題，經常忽略速度及加速度的矢量性，忽略物理量大小隨時間的變化規律，而直接作為常量處理；在動力學中，牛頓第二定律的矢量性也經常被忽略。在學習振動及波動理論中，需要求解振子的初始相位，中學階段利用初始位移和初始速度兩個方程聯立的方法可以進行求解初始相位。但“大學物理”中講授了旋轉矢量法，該方法用于求解振子的初始相位既方便又直觀，大大提高了求解速度。然而，一部分學生固守于中學階段的解題方法，認為自己已經熟練掌握了中學階段的代數法，對于旋轉矢量法比較陌生，有的學生甚至排斥新方法，不愿意接受新方法新理論。這時需要教師舉實例，幫助學生比較旋轉矢量法與代數法的不同，幫助學生了解旋轉矢量法的優勢，這樣可以有效鼓勵學生學習使用新方法新理論。

六、鼓勵學生勤學好問

學生為了高考，寒窗苦讀十余年，把未來的大學生活想象得很輕松自由。然而，大學階段學生的學習任務較重，尤其是低年級階段，每一學年都開設多門課程，這與學生曾經所期待的大學學習生活明顯不同。因此，一些學生心理出現明顯落差，上課聽課不夠專心，課后不積極復習，這直接影響了學習效果。這時，學生需要家長和老師的鼓勵和引導，不然學生的后期學習容易脫軌，甚至影響學業的完成。目前，我國不同省份不同地區對中學階段物理要求程度不同，甚至中學階段所講授的物理課程范圍存在較大差別。學生在中學階段普遍學習力學基礎知識，但有的學生在中學階段沒有接觸過磁學，有的沒有接觸過光學或者熱學。如果學生不了解某些章節的基本概念，學習“大學物理”課程會更加困難，因此，在講授電磁學、光學及熱學部分時，筆者會先了解學生在中學階段的學習程度及范圍，在課堂上相應的介紹相關的基本概念。大學的學生來自五湖四海，學生基礎、學生接受能力存在較大差異?！按髮W物理”課程有時還會合班上課，學生較多，這加大了教師講授課程的難度，因此教師應鼓勵學生課下與教師、同學共同探討問題。但由于各種原因，有的學生遇到不懂的問題不肯請教別人，自己又沒能找到正確解決問題的方法，這樣積累下來，后面的章節內容學習起來愈發困難，因為很多章節之間是具有關聯性的。有的學生學習看似很努力，也很辛苦，花了很多時間，但由于方法不當學習效率較低，這樣會降低學生的學習興趣。學習成績好壞可能是一時的，掌握高效的學習方法會讓學生終身受益。因此，教師在講授課程的過程中，可以鼓勵學生課后多交流，共同探討高效的學習方法。

七、鼓勵學生進行專業化的學習

“大學物理”課程中涉及的知識面較廣，包括力、熱、電、磁、光等內容，部分學生對“大學物理”課程中某一章節具有較為濃厚的興趣，針對這類學生筆者會建議學生查閱力學[5]、光學[6]、電磁學[7]，熱學[8]等物理專業的相關書籍，或建議他們去物理專業課堂聽課學習，引導學生專業系統的物理課程學習。有學生對光學部分興趣濃厚，隨后進行光學專業課、晶體光學專業課的學習，這對后面從事晶體等材料科學方面的研究工作是十分有利的。通過“大學物理”中熱學部分基礎知識的學習，后續可以學習熱學及熱力學統計物理等專業課，對于化工和材料等專業學生來講，這是拓展其相關專業知識的一個有效途徑。系統的學習某些物理專業課無論是對打算考研究生的學生還是就業的學生，都是非常有利的。

八、總結

“大學物理”課程作為國際通用的自然科學基礎課，包括的知識模塊較多，不同模塊的研究對象差異較大，這給學生學習帶來一定的困難。中學階段學生對經典力學部分進行了大量的練習，但中學階段處理經典力學問題的方法遠遠沒有達到“大學物理”中力學部分所要求的深度，“大學物理”學習過程中必須系統掌握新方法來分析解釋一般的物理規律。然而中學階段的高強度訓練給學生造成了一些“固有”的思維和方法，這給“大學物理”課程中新方法的學習帶來一定困難。例如，運用高等數學中的微積分來處理物理問題，是“大學物理”學習過程中的一大難點，這需要學生具備一定的數學基礎。但通過師生的共同努力，這些問題是可以解決的，注重邏輯思維的訓練，敢于接受和運用新的理論和方法，通過數學公式厘清物理本質，勤思考勇探討多動筆，可以逐步提高獨立解決物理問題的能力。相信每次問題的解決，都是自身科學素養的提升、開創精神的升華。

參考文獻

［1］格雷厄姆·法梅洛.物理世界的數學奇跡［M］.北京:中信出版集團股份有限公司,2020.

［2］梁昆淼.數學物理方法［M］.北京:高等教育出版社,2018.

［3］馬文蔚.物理學原理在工程技術中的應用［M］.北京:高等教育出版社,2015.

［4］劉揚正,張偉強.物理學及其工程應用［M］.北京:高等教育出版社,2015.

［5］舒幼生.力學［M］.北京:北京大學出版社,2005.

［6］趙凱華,鐘錫華.光學［M］.北京:北京大學出版社,2018.

［7］趙凱華,陳熙謀.電磁學［M］.北京:高等教育出版社,2006.

［8］秦允豪.熱學［M］.北京:高等教育出版社,2018.

作者：項陽 單位：華僑大學信息科學與工程學院