基于大学物理学课程的跨学科教学理论和方法

　　20世纪20年代“跨学科 ”(Interdisciplinary)一词在美国出现,经过一段时间的关注并于20世纪80年代作为研究通识教育(general education)而引入的新的综合方法得到全面的研究和发展.

　　我国是从20世纪80年代兴起“跨学科”研究,研究时间不长,成果有限.跨学科被界定为 “打破学科壁垒,将不同学科的理论或方法有机地融为一体[1].”目前,跨学科研究已经成为当前世界各国科学与教育发展的一个重要趋势.

　　由于我国大学起步较晚,大学跨学科研究仍存在着较多的问题:缺乏宏观上跨学科的有效管理体制、运行机制以及有效的跨学科研究平台;教师的跨学科意识不强,对跨学科片面理解为知识交叉等[2].

　　中国的教育系统庞大,如希望自上而下地在具有了一定的“跨学科”体制、制度、平台后再开展对应的“跨学科”尝试,还需要漫长的过程.

　　鉴于此,我们课程团队着眼于实际的教学课程,在重点研究了 “跨学科”的内涵基础上,脱离单纯的“跨”学科知识,创新性提出了基于大学物理学课程的跨学科教学理论和方法,并运用于实践,希望能推进“跨学科”教学的发展.

　　1、“跨学科”的内涵

　　1.1从“学科”到“跨学科”

　　人类采用科学分析与科学综合的方法使其能逐步去了解既统一又多样性的世界.

　　“学科”就是人类在认识世界的过程中采用科学分析的方法将世界分解成的亚体系,随着局部亚体系的深入,科学综合将已有的局部知识整合成更加完整的认识整体,而“跨学科”就是科学综合的尝试.

　　科学史证明,科学的分化与整合并不互相排斥,而是相互交织、互为补充、彼此转化的.分化是为了更深更广的整合,而更深更广的整合又使新的分化成为可能[3]
.

　　“跨学科”首先是一种科学综合.

　　1.2“跨学科”不是简单的交叉

　　“跨学科”被大多数研究者界定为打破“学科”壁垒,将不同学科的理论或方法有机地融为一体.

　　“跨学科”通过两门或者两门以上学科间的相互交叉融合来实现两学科、多学科、群学科、交叉学科等的交叉和融合.而在“跨”的这个科学综合行为中,尤其要注重学科特点的融合.“学科”根本上是一种特有的体系,它包含了学科知识、学科价值、学科方法论、学科语言、学科学术风格以及学科认同等基本要素.

　　所以,跨学科不能仅仅理解成学科知识的融合,还包含了学科所具有的特点的交叉和融合.在美国高等教育领域,跨学科被通俗地表述为“回答一个问题、解决一个问题或者选择一个话题的过程 …… ”.

　　用一个问题,一个话题,一个主题的的解决来实现“跨学科”的目的,贴近自然现实,跨越知识界限,实现全方面的融合.这样的融合反馈到具体的形式上可以是大的文理融合,可以是交叉学科研究中的学科融合,也可以是关联课程间的课程融合,乃至课程中知识、方法、语言等的融合.

　　笔者认为这是“跨学科”的本质[4].

　　2、大学物理学开展“跨学科”教学势在必行

　　2.1物理学是自然科学的重要基础学科

　　在科学发展的“分合运动”中,物理学作为自然科学的基础学科,一方面随着新现象的发现、新概念的产生及其向纵深方向的不断发展,在内部形成了众多的分支学科;另一方面,物理学的横向拓展使之渗透到自然科学领域,形成了众多的跨学科研究和交叉学科,如生物物理学、物理化学、量子化学、量子生物学、地球物理学等.

　　所以,物理学本身就是一个较开放的综合学科,适合开展与其他平行学科和后续学科的跨学科融合.

　　2.2传统大学物理学教学壁垒森严阻碍了课程目标的实现

　　教育部把大学物理课程定位为高等学校理工科各专业学生一门重要的公共必修基础课程.毋庸置疑,通过大学物理课程的学习,培养学生获取知识的能力、科学观察和思维的能力、分析问题和解决问题的能力以及求实创新等能力[5].

　　但是,传统的物理学学科壁垒森严,教学模式地位依然牢固,课程教学严重缺乏跨学科的沟通和联系,使得课程越来越远离时代.

　　教师苦教,学生厌学,加之课程改革学时一再缩减,教学成了以完成教学内容的体力活,严重背离了课程教学目标.

　　因此,从教学的根本出发,一方面有的放矢地革新教学内容,突破传统;另一方面在大学物理的教学中进行跨学科教学,与专业,与时代契合,才能提高教学质量,真正实现教学目标.

　　3 、大学物理课程教学中渗透“跨学科”教学理念

　　基于“跨学科”理论的分析,而不仅仅是片面的“跨”学科知识,针对大学物理课程教学中的不足,笔者从大学物理学本身的课程体系出发,结合我校院系特点作了以下相关方面的课程跨学科教学思考和实践.

　　3.1课程设置体现“跨学科”———分层、分类教学结合、必修选修相辅相成大学物理学是整个理工科的公共基础课,不同的专业由于其自身特点和研究对象的差异,一方面纵向以物理学知识为轴线,另一方面横向向专业切合的交叉学科辐射,以加强学科间的渗透、交融及综合[6].

　　我们在充分考察各专业方向的前提下,把后续专业课作为跨学科教学的主要依据,建立了公共大学物理课程4个层次、5个类别的教学体系,即112学时、96学时、80学时和40学时4个层次;光电类专业、材料类专业、生物类专业、机械类专业、化工类专业为5个类别.

　　一方面,突出专业特色,打破传统架构,学科融合突出应用,譬如光电类侧重于力学、电磁学、光学、近代等;材料类侧重于电磁学、光学、近代物理等;另一方面,加大了近现代物理知识在教学中的比重[7],因为近代物理理论是高新技术的基石,也能体现新方法新思想,并能培养一定的创新能力,与时代接轨,更能体现科学的综合,如:激光技术、等离子体、液晶、超导、全息、信息光学、电子显微镜、核磁共振等的应用.

　　由于课程的分层分类教学,学科融合的考虑,大学物理课程在有限学时内必然有不能充分阐述的部分.

　　为了给同学们提供更全面的物理学平台,我校开出了“物理思想与人文精神”“改变世界的物理学”“现代物理应用技术概论”层次特色鲜明的全校素质选修课,并配设了“大学物理演示实验”,在课程之余把基于文理交融、学科交融、高新技术交融赋予物理学的后续选修课程,为大学物理的跨学科教学提供了更加完善的补充.

　　3.2课程内容体现“跨学科”———中心课题设置,专业知识结合,构建跨学科资源库在课程分层分类教学的基础上,课程教学内容重点体现“跨学科”理念,这也是课程实现跨学科教学的重要环节.

　　我们的指导思想是保证物理基础知识讲解为前提,建立以体现跨学科特色的“中心题目”为载体的大学物理跨学科教学模式.

　　形成基于我校各个专业的,由物理课教师和专业课教师组成的“跨学科”教学小组;通过学科分析、专业课程分析,提取有价值的“中心题目”;编写出中心题目为主体,分别适用于我校电子、车辆、材料、生物等专业的大学物理补充教材;针对中心题目,以重点阐述物理知识点与中心题目需讲解相关专业问题的交叉或后续的关系,重点以定性与半定量讲解为主.

　　譬如,对于光电类,结合波动光学知识设定“光栅衍射与光谱分析及其应用”“基于衍射原理的无损检测应用”等中心题目;结合电磁学知识设定“无处不在的场”“基于场与物质作用的安全用电指导”“电磁波的传播特点”等中心题目.

　　对于机械类,结合力学知识设定“力矩在机械装置中的应用”“车辆运行中简单的力学原理”“建筑中的力学应用”等.

　　对于生物类,结合力学运动学知识,设定“加速度与人体生理反应”“太空漫步失重的人体反应与克服”;结合电磁学设定“人体心电图信号”,结合光学设定“基于电磁波特性的医学探测器”等等.

　　对材料类,结合弹性形变知识,设定“材料的应变和应力”;结合近代物理知识设定“超导体材料特性”“纳米材料特性”等的中心课题.

　　尤其在数学专业的的大学物理课程中,重点强调物理内涵、物理思想和物理方法,结合数学方法开展相应的数学建模,其成果作为教学课件再应用于教学实际.

　　“中心课题”的选取和讲解思路需要物理教师与相关专业教师共同交流,所以我们的工作才起步,希望能经过一段时间,形成有效的“中心题目”资源库,能有效地开展课堂的跨学科教学.

　　3.3课程教学方法体现“跨学科”———文理教学方法交融,多媒体辅助长期以来,理工科课程教学的特点是逻辑性很强,一环紧扣一环.

　　对于听课的学生来说如果错过了前面的知识,后面就可能听不懂了,理科课程的特点决定了教师课堂教学严谨度高,常常让学生会感到听觉疲劳.

　　而文科教学的特点是发散式的,围绕着一个中心,教师无不是旁征博引、浮想联翩,像一篇散文,但又形散神不散.

　　学生在听课时跟着教师欣赏华美语句的同时还若有所思,若有所悟.

　　目前,全球范围内“讨厌理科”的现象有日渐扩张的趋势,这与理科学习的特点不无关系.

　　一些理科教师上课时贪多求全,不能抓住典型问题深入分析,导致课堂教学效果不佳,忽视了学生理解理科教学内容的特点.

　　大学物理课程是理工科的基础课程,仍然具有理科教学的特点和不足,但是物理课程也有它自身的特点,基于物理思想、物理精神、物理方法的讲解可以借鉴文科教学方法.

　　鉴于此,笔者在大学物理的教学过程中逐步形成以物理学史的人文事迹和跨学科的中心题目为教学兴趣刺激点,在一个核心知识开始讲解时,用物理学史的人文事迹的发散式教学展开学习,引起学生学习的兴趣,在知识点逻辑讲解完后,再以跨学科的中心课题讲解跨学科应用案例.

　　这样循环往复,通过教学法的文理融合促进教学质量的提高.

　　譬如,经典力学动力学学习之前,引入亚里士多德、伽利略、牛顿等事迹与科学发现过程的人文讲解;动力学(质点及刚体)基础知识学习后,完成对中心课题“桥梁中的力学原理”“汽车的扭矩”等的跨学科定性讲解.

　　结合多媒体技术,我们也逐步构建起这样的配套知识库,当然,这样的累积需要不断地更新,结合当今实例,这样才能有新的兴趣刺激点.

　　3.4课程语言体现“跨学科”———强调基础,深挖内涵,融会贯通众所周知,以物理作为基础的分支学科很多,但是由于课程教学常常受到教材、教参以及传统教学惯性的影响,在物理课程教学的过程中,常常采取自己的课程语言来讲解相关知识,而与后续分支学科课程以及平行交叉学科课程的关联太小.

　　这里的课程语言,主要指某种知识含义在该课程当中的名称或称谓.

　　通过开始开展跨学科专题调研以及多年的教学实践,笔者发现在分支学科课程和平行学科课程中存在很多相同、相关和相容的知识点,而仅仅因为各自课程的语言不一致,而无端形成了壁垒,增加了重复知识,也阻碍了对知识的深入理解.

　　比如大学物理学中的“矢量”概论和高等数学中的“向量”概论,在讲解时应该一并提到,并重点阐述内涵;大学物理学中的微元“dm”等物理量与高等数学中的微分量“dx”等的一致内涵,乃至应用于各学科中的“连续不均匀”的问题;再比如大学物理学中的“力矩”概念与理论力学中的“力偶”“力偶矩”“扭矩”“转矩”等相关概念的理解和学习;大学物理学中的“弹性形变”与材料力学中的“应力”“应变”的学习;大学物理学中“波函数”“波的分解和合成”与信息光学中的“光信号”“光信号衍射和叠加”与数字信号处理中“电信号”“电信号的分解和合成”“滤波”等的相通之处,以及数学中“傅里叶变换”的基本原理及其在上述理论中应用的讲解;大学物理学中“光栅衍射”与生物物理学的“光谱分析技术”的关联性;大学物理中的相对论思想,光的波粒二相性与哲学中的一分为二等等.

　　我们通过组建团队,交叉学习,分工合作,逐步在交叉和后续学科课程中发觉相同相关知识,跨越课程语言描述的不同,深挖知识内涵,强调其本质含义,将知识融会贯通.

　　4、结语

　　实践表明,大学物理课程“跨学科”教学,能激发学生学习物理的兴趣,使学生体会到物理学在所学专业中的重要性,能将物理学的学习与所学专业的发展需要密切联系起来,增强了学习物理的主观能动性,有效地提高大学物理课程的教学质量.

　　“跨学科”教学是长期建设的课题,需要所有物理工作者和相关专业教师的通力合作,课程的交叉,教师的交流必将促进“跨学科”研究的大力发展,为进一步的“跨学科”平台的搭建打好坚实的基础.

　　参考文献：
　　[1] 秦国柱,冯用军.高等教育跨学科研究:中美比较的视角[J].江苏高教,2005(14):127-129.
　　[2] 左晓甜.美国研究型大学的跨学科战略及其启示[J].高等理科教育,2012(2):77-86.
　　[3] 王媛媛.封闭与开放:走向学科研究与跨学科研究的统一[J].高等教育研究,2010(5):47-49.