谈谈工科以方案出发试述试述在工科物理教学中对研究性教学开展探索

摘 要：基于近年来的工科物理教学实践，本文论述了作为研究性教学的一种形式的案例教学对学生综合科研素养培养起到的作用，并探讨了在实施案例教学中教师需要注意的一些问题。
关键词：研究性教学；案例教学；工科物理
近年来，随着知识经济在国民经济中的比重升高以及产业结构的调整，社会对人才的需求也逐渐从应用型人才发展到创新型人才。这对高校的教育模式和教学方法的改革，都提出了新的要求和挑战。
目前，研究性教学在大学教育中有一定的实践，但是范围还不是很广，原因在于以下一些顾虑：对于高校学生，尤其是低年级学生掌握的知识还有限，还不能很好地开展相关领域的研究；研究性教学需要面向科学前沿，教师知识储备不够。出现这样的顾虑，主要原因是对面向研究的教学（research-oriented teaching）和基于研究的教学（research-based teaching）概念上的混淆。在面向研究的教学中，教师不仅介绍知识内容，也介绍知识的发现过程，通过授课过程向学生展示科学研究发展的实际过程，培养学生发现问题，解决问题的能力。在学习过程中，教师起到主导和引导的作用，对学生的要求相对较低；而在基于研究的教学中，学生通过自主性学习，在类似科研实践的过程中获取知识。在学习过程，学生起主导作用，教师起引导和辅助的作用，对学生的要求相对较高。对于低年级学生，无论是从知识面上，还是研究能力上都有待提高，开展基于研究的教学难度较大；但是从问题入手，提高学生的研究能力，激发学生对科研工作的兴趣，却是一件有意义的工作。
宽泛地说，研究过程包括选题，文献的检索和研读，研究团队的协调和组织，研究方案的制定和实施，研究成果的记录和发表等多个环节。对于具体工作，研究过程往往还包括数理模型的建立，基于数理模型的分析，计算和仿真，实验方案的制订，实验实施，实验数据的采集和分析等多个方面的工作。在一门课程的教学过程中，全面地再现这些方面的工作，同时保证教学内容的完成，难度较大。因而在具体教学中各门课程可以根据实际情况有所侧重。
在工科物理的教学过程中，我们尝试了基于案例分析的面向研究的教学模式，目标在于培养学生数理模型的构建能力，激发学生对科研工作的兴趣。

一、实施基于案例分析的教学模式可以培养学生的综合科研素养

在常规的授课过程中，教师的主要任务是以最高的效率向学生介绍知识体系，例题往往是经过抽象化以后的简化模型，学生完成例题的作用是通过重复应用，加深对特定知识的掌握。在这种过程，学生几乎完全出于被动接受的状态，对学生思辨能力的培养十分有限。基于案例分析的教学模式，从现象入手，强调学生解决实际应用问题的能力。在这个过程中，学生需要对研究方法和方案做出判断和选择，对独立思考和思辨能力的培养能起到一定的效果，对综合科研素养的提高也能发挥积极的作用，具体可以体现在以下几个方面：
1.结合具体案例建立数理模型，往往涉及多参数系统的理论建模。在这一过程中，学生需要对各个参量对计算结果的影响做出评估，并根据评估和计算结果对原有的模型进行修正和优化。学生经历多参数系统的建模过程，可以培养思辨和创新能力。例如，在有关阿特伍德机的物理模型里，常规授课往往侧重于刚体转动定律的运用，而忽略了滑轮质量对计算结果可能造成多大影响，在什么情况下滑轮质量可以忽略不计这样的问题。但是在实际工作中，科研工作者遇到的问题恰恰是类似于此的建模问题，而不是如何运用转动定律这样的问题。
2.在案例的分析过程中，学生需要通过思考对不同的模型及解释机制做出评价和判断职称论文范文www.618jyw.com
。在科学发展历程中，研究者针对同一现象，往往提出不同理论模型，然后通过定性分析和思考实验帮助研究者对不同的理论做出评价和选择。在授课过程，教师可以参考科学史，引入不同的理论模型，多让学生思考，而不是简单地陈述事实。比如在热学领域长期占有统治地位的热质说，通过一些假设，也可以体现貌似的合理性，牛顿就通过假设热质之间存在斥力，解释了热胀冷缩现象。引入这样失败的案例，有助于培养学生独立思考和批判精神，也有助于学生养成不迷信，不盲从的科学素养。
3.通过案例教学，可以训练学生在学习过程中对不同领域知识的整合。研究表明，整合不同领域的知识，可以提高学生的学习兴趣。常规教学中，例题的设计和讲解服务于知识点的传授，即使是数学，在工科物理的教学中，用到的内容也仅限于微积分和微分方程；对于谱分析，级数展开，数值计算等内容都少有涉及，这不能满足对学生研究能力的培养。在实际的研究和工程过程中，处理问题需要多方面知识的整合和多种工具的运用。案例教学，并不是教授物理学以外的知识，而是通过教学教会学生如何将学过的知识整合起来，而这对于科学研究者和工程技术人员也是十分重要的。例如我们在投石机设计这个案例里，把刚体转动和材料的力学性质综合起来，学生既要使用微积分，也要使用数值计算来处理模型。
4. 在案例教学中，结合演示实验和模型设计，还可以培养学生的观察能力和实际动手能力，对激发学生的学习兴趣能起到积极的作用。对于理工科学生，观察能力、动手能力和思辨能力同样重要。重视细节，对于成功的科学工作者和工程技术人员十分重要。在实际操作中，学生需要应对可能没有预计到的情形，而解决这些问题也是对学生综合科研素养的提升。近年来，国内外教学领域通过乐器制作，仪器制作等案例，在教授知识的同时，培养学生的动手能力，取得了较好的效果。

二、案例教学实施过程中需要注意的问题

面向研究的教学和基于研究的教学并没有严格的界限划分，教师和学生在案例教学中起到的作用可以根据具体情况作适当的调整。当然，良好的教学效果是和教师良好的科研素养、丰富的科研教学经历无法分开的。但要提高教学效果，教师还应重视以下一些问题：
1. 加强师生之间的沟通和互动，形成良好的反馈机制。尽管大体上学生的知识背景是相同的，但是学生和学生之间的个体差异在所难免。由于案例教学，涉及不
同方面知识的整合和多种研究工具的使用，不同专业的学生可能遇到的问题不尽相同。因材施教，根据课堂讨论的情况和学生的反馈及时调整授课方法和内容，是教师在教学过程中需要重视的问题。在小班教学中，教师和学生之间能够建立更为紧密的联系，对形成良好的反馈机制可以起到正面的作用。
2. 利用多种教学手段和形式为教学环节服务。近年来随着教育技术的发展，现代化教学手段对高校教育的发展起到了积极推动的作用。在教学过程中，通过引入有关案例的背景视频，可以加深学生对案例的理解，激发学生的学习兴趣。对于双语教学或全英文教学的教学班，教师还可以引导学生阅读和有关案例有关的英文文献材料，提高学生对英文文献的研读能力。
3. 重视国内外教学科研的成果，对教学效果的提高能起到事半功倍的作用。不管是基于研究的教学还是面向研究的教学，在国外开展已有多年，在国内也有许多成功的例子。借鉴这些教学成果对提高青年教师的教学水平可以起到重要的作用。例如有国外研究表明，演示实验只有和课堂教学紧密结合才能够收到较好的教学效果，学生对有关知识点的掌握比单纯的演示实验有较大的提高。与科学研究一样，教学改革也应当是建立在实证精神的基础上的，演示实验进课堂这一良好传统，不应轻易放弃。
4. 研究性教学的形式可以多种多样，不必拘泥于某种特定的形式。不同的学校，不同的专业对于学生的研究能力的关注点不尽相同，学生的能力和知识背景也有所区别，教师在实施研究性教学的过程当中，应当根据学生的实际情况制订教学计划。对于低年级的学生，应该有一个循序渐进的过程，不必对学生提出较高的要求。可以在讲授知识前，先用一个和内容有关的问题来激发学生思考，增进对科学研究过程的了解，对于低年级学生的学习兴趣的培养也能起到一定的作用。在最终考核上，可以适当增加平时成绩的比重激励学生的学习热情。
深化本科教学的教学改革是一项长期的工作，这要求教师重视教学经验的积累，注意学生的反馈意见以及自身科研素养和批判精神的训练。相信本着实证主义的精神，在严谨求实，开拓创新的学风激励下，研究性教学的教学改革一定能取得更好的效果。
[责任编辑：文和平]