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大学物理课程与中学物理课程的衔接研究

时间:2020-08-06来源:毕业论文

物理学是一门基础自然科学,它所研究的是物质的基本结构、最普遍的相互作用、 最一般的运动规律以及所使用的实验手段和思维方法。在中国现阶段的教育中,以物理 学为基础的物理课程的核心地位不容动摇。高中物理课程是普通高中科学学习领域的一 门基础课程,大学物理课程是高等学校理工科各专业学生一门重要的必修基础课。 自2004年开始,我国进行了新一轮的基础教育课程改革,这次改革的力度之大是 空前的,在课程理念、课程目标、课程内容、课程实施方式上发生了根本的改革,是一 个全方位整体改革的系统工程。在新时期,新形势下,大学物理课程也发生了相应的变 革。物理课程改革顺应了世界科学教育和物理教育的发展趋势,为了使学生具有更高的 科学素质,以适应21世纪社会的需求,在大学物理课程和中学物理课程的设置和教学 内容等方面进行了调整和更新,现行的物理课程在内容上体现了时代性、基础性、选择 性,对于提高学生的科学素养起着重要的作用。课程改革的不断推进,使学生和物理教 师都面临着巨大的挑战和压力。 大学对大学新生来说是一个完全陌生的环境,在实际教学中,大学物理课程和中学 物理课程从培养目标到知识结构都有微妙的变化,他们必须处理好的第一件事情就是如 何适应大学的学习。本文以大学物理为例,从大学物理和中学物理的课程衔接的角度探 讨学生如何促进大学物理的学习。 本文采用的主要研究方法包括文献研究法、问卷调查法和文本分析法。论文主要包 括五个部分的内容:绪论、研究的理论基础、物理课程标准和大学物理课程基本要求的 比较分析、物理课程教学内容的衔接研究及建议。其中对物理课程教学内容的衔接研究 是本论文的核心内容。 本文通过综合大量文献资料,比较“大学物理课程基本要求”和“中学物理课程标 准”,对大学物理与中学物理的相关情况进行了比较分析,对大学物理课程和中学物理 课程的教学内容进行衔接研究,针对存在的问题提出了一些建议。 高中物理同一般工科大学物理的价值取向基本是一致的,大学物理涉及到力学、波 动、光学、热学、电磁学、近代物理的内容,是在高中物理基础上的进一步深化和提高。 区别是运用微积分和矢量分析解释物理概念和规律及应用,同时注重物理学的思想、理 论、方法和规律的应用。 本文旨在解决大学物理课程和高中物理课程的衔接问题,希望此次研究对学生和物 理教师有一定的借鉴意义和参考价值。


摘要 I

ABSTRACT  I I I

第一章绪论 1

1. 1课题研究的背景 1

1. 2课题研究的现状 2

1. 3课题研究的意义 4

1. 3. 1对高校物理教师的意义 4

1. 3. 2对大学低年级学生的意义 5

1.4课题研究的思路 5

1. 5课题研究的方法 6

1. 5. 1文献研究法 6

1. 5. 2问卷调查法 6

1. 5. 3文本分析法 6

第二章研究的理论基础 7

2. 1物理课程衔接 7

2. 2低年级大学生心理发展特点 7

2. 3有关“大学物理”情况的调查研究 11

2. 3. 1调查的对象及具体实施 11

2. 3.2调查统计结果与分析 11

第三章 对物理课程标准和大学物理课程基本要求的比较研究 19

3.1物理课程的培养目标 19

3. 1. 1中学物理课程的培养目标 19

3. 1. 2大学物理课程的培养目标 19

3. 1. 3物理课程培养目标的比较研究 20

3. 2物理课程的地位和作用 21

3. 2.1中学物理课程的地位和作用 21

3. 2. 2大学物理课程的地位和作用 21

3. 2.3物理课程地位和作用的比较研究 21

3. 3物理课程的教学内容要求 21

3. 3. 1中学课程的教学内容要求 22

3. 3.2大学物理课程教学内容要求 22

3. 3.3物理课程教学内容要求的比较研究 23

3. 4物理课程的教学过程要求 23

3. 4. 1中学物理课程的教学过程要求 23

3. 4. 2大学物理课程的教学过程要求 24

3. 4.3物理课程教学过程要求的比较研究 25


第四章 大学物理课程内容和中学物理课程内容的衔接研究 27

4. 1力学部分的衔接研究 27

4. 1. 1相同知识点的衔接研究 27

4. 1. 2新增知识点的衔接研究 29

4. 2振动和波部分的衔接研究 30

4. 2. 1相同知识点的衔接研究 30

4. 2.2新增知识点的衔接研究 32

4. 3热学部分的衔接研究 32

4. 3. 1热学部分内容要求的比较 32

4. 3.2相同知识点的衔接研究 34

4. 3. 3新增知识点的衔接研究 35

4. 4电磁学部分的衔接研究 35

4. 4. 1静电场部分的衔接研究 35

4. 4. 2恒定磁场部分的衔接研究 37

4. 4. 3电磁感应和电磁场部分的衔接研究 40

4. 5光学部分的衔接研究 44

4. 5. 1几何光学部分的衔接研究 44

4. 5. 2波动光学部分的衔接研究 47

4. 6近代物理部分的衔接研究 48

4. 6. 1狭义相对论力学基础 48

4. 6. 2量子物理基础 49

第五章大学物理课程和中学物理课程教学的衔接措施 53

结束语 57

参考文献 59

附录 61

致谢 63

攻读硕士期间发表的学术论文 65


第一章绪论

1.1课题研究的背景

进入21世纪,科学技术的发展日新月异,各种学科之间相互交叉、相互作用,要 培养适应科学技术高速发展并且具有独创性、前瞻性的科技人才,就需要在大学学习阶 段中加强基础理论的学习,特别是大学物理课程的学习。只有奠定了坚实的理论基础, 尤其是能对大学物理课程有全面的深层次的理解吸收的科技人才,才能在以后的科研发 展道路上走得更远更顺利。

大学物理课程,是面向高等学校的理工科类各专业新生开设的以物理学基础为主要 内容的一门重要的具有通识性必修性的基础课程。长期以来,基础教育与高等教育之间 存在着许多问题,在以高考为选拔人才的基础教育模式下,中学教育阶段关心的是如何 能够提高学生的大学升学率,而大学学校对中学的关注地方主要是如何招收到更多更好 的学习尖子生。由于大学与中学之间缺乏基本的沟通、交流和了解,使得这两者的关系 不能够协调一致,中学只关注尽多的输送高考成绩优秀的学生进入到大学,而大学就要 被动的接受高考成绩达到学校分数要求的学生来读书,导致了人为地造成了原本整体系 统的教育链条出现了裂痕⑴。而由教育部为中学制定了《全日制义务教育物理课程标准》 和《全日制普通高中物理课程标准》(以下简称“课程标准”),教育部高等学校物理 学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会为大学编制了《理工科类大 学物理课程教学基本要求》(以下简称“基本要求”),使得在物理课程的内容上也存 在了许多的不适合。

再有,学生从中学阶段进入到大学阶段,是他们人生中的一次重大转折。中学教育 和大学教育的教育对象是青少年的不同的成长阶段,各个教育阶段的培养目标是不同 的,而且教与学的方式以及教学内容也大不一样。对大学的新生来说,大学的学习和生 活环境很陌生,他们面临的第一件事情就是如何适应大学阶段的学习。学生进入大学以 后,无论是从思想上、生活上还是学习上都会产生一次升华,这将会给他们带来很多的 不适应,例如:灵活运用所学知识的能力差、自学自控和自治的能力不行、创新的意识 和实践的观念不强、独立解决和分析问题的能力不好,等等⑵。进入大学的都是中学学 习中的优良者,他们在中学阶段时已经形成了一套适合提高他们考试成绩的思维方式, 也适应了中学时的教学方法,总是习惯于用中学时学到的学习方法和理论概念来理解和 处理已经深化并且复杂了的大学物理的问题,对于新的概念和方法他们很难接受,如果 不能及时地做出相应的调整,就不能很好地快速地适应大学物理的学习;而且由于相对 其他的课程而言,大学物理课程的负担要更重,难度也就更大,因此,在大学物理课程 的学习方面大学新生所表现出来的不适应更为突出。

从系统论的角度看,物理的学习过程可看成是一个系统,由各教育阶段的物理学习 这些子系统构成。各子系统之间必须相互协调,相互配合,有机衔接,才能产生良好的 教学效果。物理课程大体上分为中学物理课程和大学物理课程,“大学与中学物理的衔 接问题”是高校物理教师及大学低年级学生进行大学物理课程学习时经常面对的问题。 只要大学物理教与学过程中涉及到中学物理内容,则必须面对“衔接”问题,因此,如 何帮助大学低年级的教师更好的教学、大学新生成功实现角色转换、解决好大学与中学 物理学习的衔接,成为大学低年级教师和大学新生在物理教与学中迫切需要解决的问 题。

1.2课题研究的现状

有关大学物理和中学物理的衔接这个问题在国内很早就引起了人们的高度重视。梁 昆淼早在1984年就提出:“大学物理课程和中学物理课程对学生的要求有很些是不同, 刚入学的一年级大学生还保留了不少中学生的特点,对大学物理课程的要求不能立即适 应。⑶”他认为中学中的学生习惯于用已知的物理量、运用一定的公式、得出一些未知 量,再这样循环,直到计算出最后的所需量这样的“链式推理”。但事物之间的联系在 大多数情况下是错综复杂的,已知数和未知数交织成网,让学生感觉无从下手。他提出 针对这个弱点,要求学生不要怕未知数,要冲破链式推理的束缚,“代数式地”思考问 题,把已知数和未知数的“网”如实地表示为“代数”方程。

在1999年8月,教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会在第五次扩大工 作会议中提出了许多关于深化物理教学改革需要研究的问题,其中三大前瞻性问题之一 就是“中学物理与大学本科物理教学衔接问题”。教育部高等学校物理基础课程教学指 导分委员会2010年教改项目的七大立项内容之一就是“大学物理课程与中学物理课程 衔接研究”。

在有关物理教学内容的衔接研究方面,邓明成认为⑷麦大学物理内容结构体系与中 学理科物理类同,教学内容有诸多重复,都是以基本规律和基本计算方法为主线的,难 以激发学生学习的热情和兴趣,同时对物理学的基本思想、基本精神、基本研究方法不 够重视,也得不到教学主管部门的重视,所以应重新整合并提高起点;而蔡领则持相反 的意见,认为卩 大学物理与中学物理虽然内容结构体系类同,但它们之间的教学内容 存在台阶或是空白,应补充相应的内容并适当的降低起点;罗仁俊认为化 不能仅仅因 为大学物理教材中复现了中学物理课程中的内容或者在文字的表象上与中学时学习物 理的知识截然不同就简单断言物理的“知识重复”或有“知识空白”,他认为大学物理 和中学物理中的知识是“DNA”形式的螺旋式结构,大学物理课程中的部分基础知识, 是在中学物理知识的基础上往深处和广处发展的,如果把大学时学习的规律和公式做特 殊化处理如恒定条件下或理想状态下等,就可以得出与中学物理中的基本规律或计算公 式一样的表达形式。而这也代表了大部分的物理教育工作者的观点。

在有关物理方法和思想的衔接研究方面,贾君茹等人提出巴 大学物理研究的问题 已经离开了 “理想状态”而贴近了 “真实世界”,中学时形成的处理恒定状态下的物理 问题的思维方式已经不能处理所有的物理问题,此时急需建立一套适应解决动态的物理 量和物理关系如变速运动、变力做功等的思想方法,而高等数学中的积分、连续、极限、 导数、微分方程等基本概念正好可以解决物理中的“变量”问题,所以物理原理和高等 数学方法二者相互联系,有机结合,便成为学生从中学物理到大学物理学习顺利转变的 关键所在。

在有关物理学习方法的衔接研究方面,伍春燕等⑻认为:中学由于数学上的限制, 只能将物理中描述运动状态或运动规律的有关物理变量问题做些条件上的限制和化简, 无法将问题展开和进行深入的探讨,而大学物理通常在学习微积分后才开设,站在一个 更高的台阶上,更全面的去理解过去接触过的物理概念,具有更普遍的意义和更广泛的 适用性,所以在中学时采取的题海战术式学习方法在大学的物理学习上行不通,在大学 物理的学习中更注重的是物理概念的理解和物理问题的分析,采用的是理解分析学习 法;在中学时往往一个星期只学一个概念或一个公式,学生在课堂上就能消化理解,而 在大学中,考虑到大学生应该具有一定的自学能力且大学知识非常繁多而复杂,在课堂 上老师不能面面俱到,只是将问题的重点提出来,不可能在课堂上消化全部的内容,所 以课后一定要自学和复习,通过自学,独立思考,提出问题,才能真正的学到知识,采 用的是自学和课后复习的学习方法。

在有关物理过渡教学的研究方面,韦翠兰认为:大学新生在之前已经有了学习五年 物理的经验和积累,这会影响大学物理的教学:“第一,五年的物理学习使学生有了一 定的物理知识基础,有了了解才能继续该学科的深入学习,这是对大学物理教学的有利 影响;第二,中学时五年的物理学习使得学生已经习惯于中学的教学方法和学习方法, 由于习惯形成了固定的思维方法,让学生在大学物理的学习方面带来坏的影响。⑼”所 以她建议采取过渡教学的措施有:①做好学习大学物理前的思想教育,俗话说得好:“好 的开端是成功的一半”;②分析教材教法,指出中学物理知识的局限性或特殊性,从而 能够非常自然地引入大学物理课题;③重视培养学生的自学能力,古人云“授人以鱼, 不如授之以渔”,就是这个意思;④各种教学手段灵活的运用,激发学生学习大学物理 的兴趣,兴趣是每个人的最好的老师;⑤建立良好的师生关系,老师在生活上要关心学 生,尊重和信任学生,平等对待每一位学生,给予学生恰当的鼓励消除学生因基础不好 而厌学物理的心理,增强学生的自信心。

还有关于部分物料课程内容的衔接的研究,如力学、电磁学等;有关于物理学知识 体系的衔接研究,各种知识点的比较;还有从教育的系统性衔接等等。

本文在以上文献的基础上,对物理课程的要求进行详细的分析,对高中物理知识和 大学物理知识的衔接进行详尽的论述。

1.3课题研究的意义

1.3.1对高校物理教师的意义

第一,有利于高校物理教师掌握知识体系的加深起点。大学物理涵盖的内容广泛, 包括力学、振动和波、热学、电磁学、光学、近代物理等物理的内容,与中学物理相比, 大学物理研究的是更一般的规律、更深层次上的理论、更真实的物理现象。所以高校物 理教师对物理学知识体系和物理基本理论有更深入的理解,学识和思想层次更高,如何 让大学低年级学生无障碍、顺利地进行高层次的物理学习就成了需要解决的问题,这就 需要掌握物理知识体系的加深起点,从而有助于提高学生的专业知识和科学素养,更有 助于完成高质量的物理教学。比如,高中物理新教材中的加速度、磁感应强度、安培力 等知识,这就需要教师了解高中物理中学习的一些知识,从而做到无重复、无跳跃的讲 解。

第二,让教师充分认识到衔接的必要性。让教师充分认识到衔接的必要性,以便尽 早采取措施帮助入校新生迅速适应大学物理学习;尽快尽好的找到衔接方法,使大学物 理教学与中学物理教学这两个子系统相互协调、有机衔接,产生良好教学效果。

1.3.2对大学低年级学生的意义

与高中物理学习相比,在大学物理学习基本的物理概念和基本的物理规律的过程中 就会发现在知识程度上都有所加深,对学生的思维能力要求更高。所以,要想深入的学 习理解物理知识,锻炼物理思维就显得尤其重要,中学物理和大学物理的学习从整体上 来看是一个系统的学习过程,顺利完成此次的学习过程,有助于培养学生整体的思维能 力;并且因为大学物理问题与现实中的真实的物理现象在广度和深度上比高中时更进一 步,所以大学物理问题的研究方法更有助于扩展学生的发散性思维、逻辑性思维和抽象 性思维。

而任何的思维发展都不是凭空产生的,它们都需要一定的基础,在本论文指的就是 中学所学的物理基础,只有找到中学物理和大学物理的衔接点,才能进一步的深化学习。 比如力学里运动学中的速度、瞬时速度、加速度等,用不同于高中时候的角度去研究问 题、简化问题,让人的思维更开阔,想象的空间更大,对事物的理解也更深刻。这样, 学生自己学会如何去想、如何去建立事物之间的联系,思维就会固化,就会创新、就会 发展。因此,学生的思维不仅对学生的物理学习至关重要,对其他任何新事物的接收都 具有十分有利的作用。

1.4课题研究的思路

基于中学的新课程改革和高校的“理工科类大学物理课程教学基本要求”的提出, 首先确定了我的研究方向:大学物理课程与中学物理课程的衔接研究。然后进行资料的 搜集和整理,进而通过理论学习和文献阅读,对大学物理课程和中学物理课程的衔接研 究进行理论分析,同时结合对“新课程标准”和“基本要求”的对比分析,对大学物理 与高中物理课程内容的进行衔接研究,从而为大、中学物理课程衔接提出好的建议。

1.5课题研究的方法

1.5.1文献研究法

本文通过文献研究法了解国内外关于物理课程衔接问题的研究理论、方法以及有关 研究的最新进展,从而使衔接问题研究存在的现实基础清晰起来,掌握有关研究的最新 动态。

1.5.2问卷调查法

本文还通过问卷调查法对大学低年级学生关于大学物理课程学习的情况进行了调 查,以此了解当前大学、中学物理课程衔接中出现的问题并对发现存在的问题进行分析 以其能够提出解决该问题的方案。

1.5. 3文本分析法

对中学物理和大学物理的种种知识点进行分析比较,希望能给众多研究者们提供一 些借鉴的东西。


第二章研究的理论基础

2.1物理课程衔接

“汉语词典”中对“衔接”的定义是“事物相连接”,有彼此相连且接连不断的 意思。用在课程中,可以引申为各类级别的物理课程是彼此相互独立的,但在各类级别 的物理课程之间必定存在着系统性和连续性。在本文中物理课程指的是物理学科、学程 和教材。从宏观层面上讲,物理课程衔接按照教育的各个不同的阶段进行分类主要可分 为两个部分:初中物理(科学)与高中物理的衔接,高中物理与大学物理(包括专科学 校和本科学校)的衔接。

系统论认为,任何复杂事物都可以看作是一个系统,它是由若干个不同的要素之间 相互联系,相互作用而组成的体系。课程也不例外。

每个人的一生都是一个终身发展的过程,“活到老学到老”,人的生存就是这样一 个无止境的学习的过程。进入21世纪,科技飞速发展,知识的更新速度非常快,学生 应付未来的社会不能完全只靠过去所存的知识。中学学习作为大学学习的基础,大学学 习作为中学学习的延伸,大学与中学不能只是两个彼此分离的阶段,大学与中学的衔接 工作必须得到重视,否则学生的终身系统性学习将会出现断点,这会给学生的终身性学 习和连贯性发展造成障碍。

学生在大学时所处的社会环境比之在中学中面对的社会环境有很大的不同并且更 为复杂。一般的大学新生在中学时不管是老师还是同学对他或她对大学生活都有梦幻般 的憧憬,进入大学生活后才发现与想象中的生活并不相同,但在他们的心理上没有预见 到这种不同,而对这种不同带来的种种影响都没有心理准备,一切只能自我调适。这对 没有经历什么太大风浪的大学新生来说,顺利完成人生的第一个大的转折,不是一件容 易的事情。基于这一特点,希望此次物理课程衔接研究得出的相关方法,能够帮助大学 新生,使他们的大学新生活能迅速的开展,对他们的适应能力有所提高。实际上,学生 的适应能力的增强,会有利于学生社会角色转变的适应。

2.2低年级大学生心理发展特点

来自于全国各地、四面八方的不同学校和地方的大学新生,带着“胜利者”的喜悦、 “理想化”的愿望和“盲目乐观”的心态来到一个陌生环境,大部分的学生在新奇之后 都会感到不适应。考大学这个目标实现之后的学生,一般都忙着庆祝、忙着接受亲朋好 友家长邻居的赞赏,很少时间能够静下心来想想以后想成为什么样的人、订立什么样的 人生目标。开学以后,有好多同学都找不到高中时的精气神,也没有什么学习的目标和 动力,再加上很少有老师和家长督促和啰嗦,完全是靠学生们自己的自觉能力,是对学 生学习能力的一种艰难的考验。在这样一个特殊的时期,学生们往往会由于这种考验而 出现许多心理矛盾和冲突。

一、 目标上的失落与确立交织

由于在现行阶梯教育的体制中,大学与中学形成相对独立的体系,呈现出很大程度 思维封闭状态,大学与中学之间信息闭锁,造成大多数中学生对大学盲目崇拜和不切实 际的幻想。在他们心目中,大学就是一座碧辉煌的“理想天堂”、“生活乐园”,大学 生活一定会充满诗情画意。

学生进入大学校园后,发现理想的大学生活与现实的大学出现了极大的反差,生活 规律单调又刻板,“一个书包两只碗,宿舍一一教室一一食堂一一图书馆”,无限循环; 教室并不那么窗明几净;希望人们对自己的理解和友谊,却偏偏碰到师长、同学、老乡 等诸多人际关系上数不清的烦恼;意欲在大学里轰轰烈烈,大显身手,却往往遭遇到意 想不到的挫折;……于是,理想与现实天平发生倾斜,目标失落感陡增,而新的奋 斗目标没有树立起来,这种情况下就会感到茫然。

“上大学”这个直接浅近的目标完成了,大学新生们开始寻找新的目标作为自己 的学习动力。大学阶段,正是学生主动探索人生志向、生命价值,形成正确人生观的关 键时期。因此,确立人生的目的和学习的目标,是一年级大学生发展的重要内容之一。

二、 思想上自豪感与自卑感的交织

一般情况下,能够考入大学的学生,在中学时代都是“优秀”的,特别在高考竞争 胜利之后,受到老师的表扬、父母的夸奖、亲朋好友的庆贺、未考入大学的同学羡慕, 在一片赞扬声中,自信心和自豪感油然而生。

进入大学后,学生所面对的环境不同了,觉得好像一切都完全发生了变化。许多学 生发现自己进入了一个“人才云集”的集体中,昔日的高材生走在一起,一些人发现自 己原来在中学的优势已经不存在了,学习的压力增大;以前是老师的宠儿、同学们的羡 慕对象,现在再也不是老师和同学们关注的“中心” 了,产生了深深的失落感。等到发 现考试成绩非常不理想时,自尊心和自信心似乎一下子降到了零点,再回忆起以往,自 豪感和自卑感交织,思想压力大,就会产生焦虑的情绪障碍。

三、 理论上的困惑和选择交织

大学生求知欲旺盛,好胜心强,向往真理,思想灵活,勇于创新。他们在思考人生 和社会时遇到一系列矛盾和问题,希望从理论上找出明快的解释,但实际上很难办到门裂

一是改革开放以来,国外各种文化和理论蜂拥而至,能否接收不同甚至相对立的文 化信息,能否在比较中进行选择,是一个人发展创造能力,形成理论观点的条件之一, 而大学新生在中学时形成的旧的知识观改变了且还没有形成新的知识观,对新理论的认 识只停留在支离破碎的阶段;

二是从一年级大学生主体来看,由于特殊的心理、社会特征,思维容易产生自身的 弱点,主要有一下三点:(1)感情左右。学生在知识经验不丰富或不完善的情况下,往往 借助于情感,作为思考的依据,有时甚至为情感所左右;⑵思维的片面性和简单化。一 年级大学生无论直接经验还是间接经验都比较单薄,对于复杂事物的认识还停留在表面 或感知阶段,因此还不能全面地、发展地、辩证地看问题,容易得出简单、片面的结论; ⑶盲目的求异性。大学生都喜欢“标新立异”、“与众不同”,这种思维倾向可能促进 创造性发展,但如果形成盲目性,失去正确性,则可能轻信错误思潮,陷入思维的困境。

以上种种原因,造成一部分学生理论困惑,想要在困惑中做出正确选择,确立正确 的理论观点是十分重要的。

四、 生活上独立性与依赖性的矛盾

一方面大学新生的思想活跃,成人感与日俱增,表现自我的欲望强烈,想要独立的 意识开始增强;进入大学后,他们对未来的生活充满着希望,对未来有无限的期盼,他 们希望自己能够成为具有独立性的“大人”,安排自己在大学期间的生活上和学习上的 各种事情,能够随心所欲的表达自己的意见并能够让家长同意自己的安排、采取他们自 己的建议,他们有了强烈的独立自由、民主参与的意识。

另一方面,长期以来,许多父母承包子女的日常生活、中学学校的老师承担学生的 学习任务的安排,只为了让他们能够日的升入大学,而这种在生活上和学习上的无微不 至的照顾和关怀,使得很多学生养成了依赖的习惯。在大学生活的人际交往中,部分学 生由于缺乏勇气、方法不当、个性缺陷等原因在与人交往中感到紧张和恐惧;而有些学 生由于攀比、猜忌等心理考虑自己多,尊重别人少,傲气、娇气、霸气等心理优越较强, 在交往中与同学一直磕磕碰碰;还有些学生由于缺乏自信心、自尊心受创和彷徨无助等 心理,丧失了交往的热情3。在生活上,由于第一次远离父母,尽管可能在心理上有了 一些要独立生活的准备,但是面对所有都需要自己来安排的现实生活,就会感到没有那 种独立生活的能力,在生活上会很不适应。在学习上,大学的学习方式和老师的教学方 法和中学时的有很大的不同。在遇到困难或者是受挫折的时候,尤其会非常想念父母和 家庭。

五、学习上轻松感与被动感的交织

考入大学后,脱离了高考的备战状态,获得了比较自由和开放的环境,学生们以前 在老师和家长的管教下,现在只是在大学老师的指导下自学占多,就想“歇一歇,喘口 气”;特别是那些只把上大学看作毕业拿文凭,觉得“铁饭碗”已经到手了的学生,学 习的驱动力已经消失了;还有的学生由于高考前的紧张学习和极大压力,身体和精神上 都有很大的消耗,对学习产生了厌恶心理,等等。

不管怎样,进校后的大学新生,学习是重中之重,但在学习任务、内容和方法上发 生巨大变化的情况下,因这种不适应而产生的心理困惑也是相当明显的:①中学生学的 是文化科学基础知识,是为高考做准备的;大学中学习的是专业知识,目的是为了培养 新世纪的高科技的、专门的人才。②中学时安排的课程本身内容就少、内容的表达比较 具体而且直观,比较能被学生接受;大学每学期都会安排好几门新课程,每一门的课程 内容的容量都很大,而且老师的讲解进度非常快,课程本身的难度也很大,而且比较抽 象、复杂难懂。③中学老师几乎天天都在辅导、日日相随左右,学生的依赖习惯就被养 成了;在大学中,学生主体能动作用是占学习中的主体地位的,对待大学中的课程要求 具有较强的自学自主能力,自己学会怎样提出问题、分析问题和解决问题,能够把学习 过的理论知识应用于实践过程,锻炼学生自己的独立计划和工作能力。在这种富有探索 性、研究性的大学教学过程中,不仅需要调动学生的学习积极性和主动性,而且更重要 的是培养和发挥学生的主动能造性,然而这种变化了的学习生活对于刚刚进入校园的大 学新生往往会有不适应的感觉产生,他们不懂得究竟该怎么样的运筹和支配自己平时的 自由时间。血

再加上学习不得其法,心理产生惰性,学习动力减弱,内容程度又深,学习会越来 越吃力,不懂的知识就会越来越多,作业不会做,考试成绩很糟,这样,一些人会在挫 折面前不知所措,忆昔日“光荣历史”,看现在的“悲惨情景”,焦虑不安,苦恼、压 抑、徘徊,学习压力倍感增加,就会越加没了自信。

2.3有关“大学物理”情况的调查研究

2.3.1调查的对象及具体实施

一、 调查的对象

为了普遍了解大学物理与中学物理的有关情况,选取的是非物理专业的大学一年级 学生作为研究对象进行了问卷调查。考虑到大一新生刚离开高中不久,对高中物理的情 况记忆犹新,同时也正处在大学物理学习的适应期,对中学物理和大学物理的情况以及 它们之间存在的差异有很深刻的体会,因此,以他们作为调查对象同时了解中学与大学 物理的情况是可行的。

二、 调查的具体实施

针对学生在大学生活的状态;物理学习过程中的学习态度、学习方法;对教学方式 的适应性;这段时间有何收获等的方面的有关情况进行了调查。笔者参考相关资料制定 7 “有关“大学物理”情况调查表”(详见附录),由于现实中一些条件限制,选取河南 大学数学院和物理院2011级的大学低年级学生进行了问采取不记名的方式进行的问卷 调查,在没有顾虑的情况下让学生照实填写,具有一定的真实性,问卷当场发放并进行 回收,实际发放问卷共120份,实际回收的问卷是114份,计算的问卷的回收率为95%, 其中有效问卷114份,问卷有效率为95%。

2.3.2调查统计结果与分析

问卷中的第1题考查的是大学生上大学的动因,其中有29. 8%的学生选择了 “找到 好工作”、有24. 6%的学生是为了 “扩大视野”,只有1.8%的学生只是为了交朋友而选 择考大学的,具体的分布如下图2-1。


A

B

c I

1

A

34

0. 298

2

B

2

0. 018

3

C

28

0. 246

4

D

15

0. 132

5

E

8

0. 070

6

F

8

0. 070

7

G

12

0. 105

8

H

7

0. 061

9

总数

114|

1 J

(a)

 

 

图2-1 (b) “您上大学的主要原因是”

第2、3、4题,主要是针对大学生的大学生活的,其中举得大学生活状态“简单乏 味”的占32. 3%了,大学的时间有43.9%的人认为应该“学习”,大学的生活目标大部 分人都选择了 “丰富知识,拓宽见识”、“提高社交能力,建立自己的关系网”。具体 的调查结果分析如下图2-2o

大学整体生活状态

A

28

0.220

B

17

0.134

C

24

0,139

D

17

0.134 J

E

41

0.323

 

 

 

总数

127

r 000


 

 

大学时间支配

A

50

0.439

B

7

0.061

C

25

0,219

D

27

0.237

E

5

0

 

 

 

总数

114

1

 


 

A |

B

1 c 1

1

 

大学生活目标

2

A

38

0. 333

3

B

40

0. 351

4

C

27

0. 237

5

D

1

0. 009

6

E

6

0. 053

7

F

2

0. 018

 

 

 

 

8

总数

114

1.000

 

 

图2-2 (f)调查结果分析图

问卷中第5〜7题,研究的是大学生对大学物理课程的有关想法。调查发现,大部 分学生都认为开设物理课程是有用的,认为“物理学的概念、思想和研究方法具有普遍 性”、“对培养动手能力和逻辑思维能力有帮助”;在学习物理课程是的做法有:“上 课时专心听讲”、平时“自己看教材及相关书籍”、对于作业“基本上能完成,但较困 难”;在学习中遇到的主要困难有:“专业课、英语等压力过大,无暇顾及”、“课听 得懂,作业难做”、“数学知识运用到物理上感到困难”、“难于把握物理学思想及其 方法” o具体如下图2-3.

5.您对本专业开设该课程的看法6.您学习该课程的做法

匚您学习

该课程遇扌

引的

困难

选项

数量

比值

选项

数量

比值

选项

薮量

 

二值

A

43

0. 274

A

32

0. 274

A

38

0. 224

B

28

0.178

B

39

0. 333

B

38

0. 224

C

42

0. 268

C

20

0.171

C

15

0. 088

D

19

0.121

D

5

0. 043

D

39

0. 229

E

17

0.108

E

8

0. 068

E

36

0. 212

F

8

0. 051

F

13

0.111

F

4

0. 024

 

 

 

G

48

0. 410

 

 

 

 

总数

157

1.000

总数

117

1.000

总数

170

1.000

(a)

 

 

图2-3 (b)第5「题 问卷结果分析图

问卷中第8〜10题,研究的在大学物理教学过程中的有关问题。在课程教学过程中, 学生希望表达自己意见的机会“偶尔有”〉“经常有”〉“无所谓”〉“不必有”;学生 认为“大学中师生关系”为“比较疏远”〉“一般化”〉“很疏远”〉“比较好相处”〉“很 融洽”;学生们普遍认为“启发式讲授”、“教师指导做课题”的教学方式比较适合他 们的大学物理学习。详见下图2-4.

8

9

10

选项

数量

比值

选项

数量

比值

选项

数量

比值

A

34

0. 298

A

5

0. 044

A

54

0. 474

B

53

0. 465

B

15

0.132

B

23

0. 202

C

20

0.175

C

31

0. 272

C

17

0.149

D

4

0. 035

D

41

0. 360

D

17

0.149

E

3

0. 026

E

16

0.140

E

3

0. 026

 

 

 

F

6

0. 053

 

 

 

总数

114

1.000

总数

114

1.000

总数

114

1.000

(a)

 

旷10忖卷结果分布图

 

图2-4 (b)第旷10题问卷结果分析图

第11、12题,在大学物理的学习方法和方式上,与中学阶段养成的学习习惯与方 法相比,学习习惯上有47. 4%的学生认为“有一定作用”;在学习方式上,有50. 9% 学生认为“非常不同”,具体结果如下图2-5.

 

A

B

C

D

E

F

1

11

12

2

选项

数量

比值

选项

数量

比值

3

A

10

0. 088

A

58

0. 509

4

B

54

0. 474

B

27

0. 237

5

C

25

0. 219

C

9

0. 079

6

D

18

0. 158

D

13

0. 114

7

E

5

0. 044

E

4

0. 035

8

F

2

0. 018

F

3

0. 026

9

总数

114

1. 000

总数

114

1. 000

(a)

 

lb 12题问卷结果分析

-^-12 +11

 

图2-5 (b)第11、12题问卷结果分析图

问卷中的第13、14和15题,是在大学新生在大学中生活一段时间后的一些得失分 析,其中对大学学习方面感到“比较满意”的占了 28. 9%“不太满意”的占了 43. 9%; 觉得自己在各方面“有明显进步”的占了 25.4%“没什么进步”的占了 26. 3%;对目 前大学学习生活的感想中“课程内容太多”“各种活动太多”占的比重较大。具体结果 如下图2-6.

13

14

15

选项

数量

比值

选项

数量

比值

选项

数量

比值

A

4

0. 035

A

29

0. 254

A

48

0. 421

B

33

0. 289

B

23

0. 202

B

14

0.123

C

12

0.105

C

14

0.123

C

10

0. 088

D

50

0. 439

D

30

0. 263

D

31

0. 272

E

10

0. 088

E

18

0.158

E

5

0. 044

F

5

0. 044

 

 

 

F

6

0. 053

总数 114 1.000 总数 114 1.000 总数 114 1.000

(a)

 

问卷分析

 

图2-6 (b)第11、12 问卷结果分析图


第三章对物理课程标准和大学物理课程基本要求的比较研究

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式以及相互作用的自然科学,作为自然 科学的重要分支,物理学在人类对自然界的认识过程中和社会物质文明的进步过程中起 了重要的推动作用。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域,应用于生产技术的许多 部门,是其他自然科学和工程技术的基础。以物理学基础知识为主的课程,是中学的基 础课程和高等学校理工科专业学生一门重要的通识性必修基础课。

2004年开始试行并逐步实施的新的“课程标准”肮⑷到目前为止已在中学各年级全 面展开;大学里的“基本要求”「囚在理工科类的物理课程上的影响也在逐渐扩大。

3.1物理课程的培养目标

从一定意义上说,目标与目的是同一的,有什么样的目的,就确定什么样的目标。 它们的区别就在于,目标是目的的具体体现,目标是根据目的来确定的。无论怎样,教 育都是以人为主体的,物理教育的根本目的,也是物理教育的总目标,就是为学生终身 发展、应对现代化社会和未来发展的挑战奠定基础。

3.1.1中学物理课程的培养目标

由教育部颁发的“课程标准”中指出:旨在提高学生的科学素养,满足全体学生的 终生发展需求。

高中物理课程有助于学生:①继续学习基本的物理知识和技能;②体验科学探究过 程,了解科学研究方法;③增强创新意识和实践能力,发展探索自然、理解自然的兴趣 和兴趣与热情;④认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响;⑤为终生 发展,形成科学世界观和科学价值观打下基础「⑷。

3.1.2大学物理课程的培养目标

以物理学基础为内容的大学物理课程,是以培养学生的知识、能力、素质协调发展 为目标的。

能力培养的目标:⑴培养独立获取知识的能力。使学生逐渐掌握科学有效的学习方 法,能够单独的阅读相当于“大学物理”水平的物理类其它编写的非专业要求的教材、 教材相应的参考书和从其他途径获取的物理类前言科技研究的文献并能够加以理解吸 收,就这样不断地扩展自己的知识面,培养独立思考和吸收知识的能力;读取资料后, 在有规律的时间安排计划下,能够写出脉络清晰、详略得当的读书笔记和小结。⑵培养 科学的观察和思维的能力。通过观察物理现象、分析存在的物理问题、综合运用物理学 的基本理论和基本观点、演绎模拟运用实验方法得出实验现象、归纳总结得出的实验数 据、运用科学抽象和类比联想的思想方法得出问题的结论、利用唯物辩证的方法正确分 析研究和计算所得出的结论并判断研究结果是否具有合理性,这样对学生的科学观察的 能力和思维分析判断的能力的培养起了非常重要的作用。⑶培养学生分析问题和解决问 题的能力。要想建立相应实际复杂问题的基本物理模型,就要能够根据物理问题的基本 特征、基础性质以及具体的实际情况,抓住主要关键,把复杂问题的进行合理的简化, 窜成一条主脉络,然后用准确精简的物理语言和高等数学的基本方法对问题进行描述, 最后运用所学的物理理论知识和所需的一些物理研究方法对问题进行具体的分析、合理 的研究然后解决问题

素质培养的目标:⑴求实精神一一教师通过大学物理课程的教学,注重培养学生献 身科学的精神和追求真理的勇气,树立当代学生对现代科学的辩证唯物主义观、世界观、 自然观和宇宙观,使同学们具有科学的成败观和探索科学疑难问题的信心和勇气;培养 学生严谨求实的科学态度和刻苦钻研的科学品格。⑵创新意识一一通过对物理学所包含 的科学研究方法、物理学家的不同的成长经历以及物理学史等的学习,激发学生的独立 思考、探索精神、求知热情、实践精神和创新欲望,使学生具有善于思考,敢于向旧的 观念挑战的精神,引导学生树立正确的科学的世界观。⑶科学美感一一引导学生认识物 理学所具有的独特的和谐统一、明快简洁、奇异相对、均衡对称等美学的特征,对科学 的内在规律让学生学会用美学的观点去欣赏和发掘,利用学生的科学审美观,升华学生 情操,逐步增强认识和掌握自然科学规律的自主能力。

3.1.3物理课程培养目标的比较研究

中学物理和大学物理的目标上有许多类似之处,其中较为不同的是:“课程标准” 把基础物理知识与技能学习、自主探究的过程训练和方法体验、情感与价值观的培养有 机地结合起来;而“基本要求”则强调在系统掌握物理知识和方法的同时,还要注重培 养学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的探索精神和创新意识,努力实现学生的 知识、能力、素质三方面的协调发展。显然,大学物理课程目标是在高中物理课程目标 的基础上加以提高。

3.2物理课程的地位和作用

高中物理课程是普通高中科学学习领域的一门基础课程;一般的理工科专业真正的 物理课程只有一门,那就是“大学物理”,并且是作为必修的科学基础课而开设的,而且 对于某些高校的文史专业,大学物理也作为一门选修课供学生自由选择。

3.2.1中学物理课程的地位和作用

中学物理是一门基础课程,研究的是物质的基本结构、最普遍的相互作用,最一般 的运动规律以及所使用的实验手段和思维方法。它要求中学生了解物理学是科学和技术 发展的主要支柱,同时物理教育是科学教育的重要组成部分。从中学生的发展来看,物 理课程教育的目的强调对学生科学素质的培养,促进学生有意识地学习科学,理解科学。

3.2.2大学物理课程的地位和作用

大学物理课程所传授的基本方法、基本概念和基本理论是构成学生科学素养的重要 组成部分,对于高等学校理工科类各专业的学生,它是一门重要的通识性的必修的基础 课程,它对于科学工作者和工程技术人员是必备的,具有其他课程不能替代的重要作用。 大学物理课程在为学生系统地打好必要的物理基础的同时,更注意培养学生树立科学的 世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的探索精神和创新意识等方面, 努力实现学生知识、能力、素质的协调发展。「⑻

3.2.3物理课程地位和作用的比较研究

高中物理是高中生的一门基础课程,特别是对于希望更近一步的高中理科生而言是 必须努力学好的一门课程,它有利于培养学生的逻辑思维能力,能促进学生有意识的学 习、理解科学,对培养学生的科学素养有很重要的作用;大学物理是高等学校理工科类 专业的学生的一门必修基础课程,它不仅为学生系统地打好必要的物理基础,为进一步 的学习奠定基石,更注重培养学生分析问题、解决问题的能力,而它所所教授的基本概 念、基本理论和基本方法更是构成学生科学素养的重要组成部分。

3.3物理课程的教学内容要求

大学物理和中学物理在教学内容的结构上大致相同,都包括力学、热学、电磁学、 光学和原子物理五大部分,然而大学物理所包含的内容大部分是中学物理内容的深入、 提高和拓展,所使用的数学工具更为复杂,物理知识内容更为抽象^。

3.3.1中学课程的教学內容要求

普通高中教育是属于教育系统中的基础教育,注重的是全体学生的共同基础,在高 中物理的教学中采取模块式教学,针对学生不同的兴趣、未来发展潜能和今后所选职业 的需求,筛选出适合学生学习的物理课程模块,以满足学生的不同学习需求,促进学生 自主地、富有个性地学习,体现出高中物理课程的选择性屈。女口:在共同必修模块物理 1和物理2的学习中,学生通过对物体运动规律、相互作用、能量、抛体运动与圆周运 动、经典力学的成就与局限性等核心内容及相关实验的深入学习,进一步体会物理学的 特点和研究方法,体会物理学在生活和生产中的应用以及对社会发展的影响,了解自己 的兴趣和发展潜能,为后续课程的选择和学习做准备。

3.3.2大学物理课程教学內容要求

大学物理课程的教学内容分为A、B两类。其中:A为核心内容,共74条;B为扩 展内容,共51条,如下表3-l[15]o

表3-1大学物理课程教学内容基本要求

教学内容

要求

力学

A 7条,建议学时数\14学时;B 5

振动和波

A 9条,建议学时数>14学时;氏4

热学

A 10条,建议学时数\14学时;B 4

电磁学

A 20条,建议学时数A40学时;B 8

光学

A 14条,建议学时数\18学时;B 9

狭义相对论力学基础

A 4条,建议学时数\6学时;B 3

量子物理基础

A 10条,建议学时数A20学时;氏4

分子与固体

B 5

核物理与粒子物理

B 6

天体物理与宇宙学

B 3

现代科学与高新技术的物理基础专题

(自选专题)

3.3.3物理课程教学内容要求的比较研究

在课程的教学内容上,都要求体现内容的时代性、基础性和选择性,相对而言,大 学物理课程的教学内容比之高中物理课程的教学内容有深度和广度的提升和拓展,而且 更能保证知识结构的系统性、完整性和全面性。

3.4物理课程的教学过程要求

在物理课程的教学过程中,应以课程的培养目标为目标,激发学生的学习兴趣,努 力营造一个有利于培养学生科学素养和创新意识的教学环境。

3.4.1中学物理课程的教学过程要求

高中物理课程的教学过程以课程目标的“知识与技能”、“过程与方法”、“情感 态度与价值观”三个维度来设计和构思教学内容和教学活动的,在教学中,这三个维度 不是相互孤立的,它们都融于同一个教学过程中。

中学中的科学探究实验:① 老师创设一些有关探究的物理问题的情境或任务,让 学生在观察和体验后,有所发现,有所联想,再运用科学思维,自己提炼出应探究的科 学问题;②根据提出的问题,联系现实的条件,从原理、器材、信息处理方法、操作程 序等不同方面构思计划,查询相关资料,收集信息,处理信息,在相互交流中完善整个 探究计划;③在指导学生收集信息和分析、处理信息时,教师不要预先设定表格,让学 生“照方抓药”,要注意培养学生客观的思维品质,不要只把注意力集中在与探究假设 相符的物理事实上,同样需要观察和收集那些与预期结果相矛盾的信息,在通过一定的 科学探究之后,应该让学生学会依照物理事实运用逻辑判断来确立物理量之间的因果关 系,树立把物理事实作为证据的观念,形成根据证据、逻辑和现有知识进行科学解释的 思维方法;④在科学的评估方面,采用公开讨论、评议等有效方法,注重学生的表达能 力,像是交流内容的组织,包括课题的提出、计划的框架、信息的收集和数据的整理、 基本论点及其解释、存在的问题和新发现等,应学会根据课题的特点有所侧重,还有陈 述的形式,包括文字、表格、图像、公式、插图等,让学生根据内容选择恰当的形式当 众进行交流,培养学生的交流、表达能力和逻辑思维能力。

在课程评价上强调更新观念,促进学生发展。高中物理课程应体现评价的内在激励 功能和诊断功能,不强调评价的甄别与选拔的功能;关注过程性评价,不以考试的结果

作为唯一的评价依据;注意学生的个体差异,倡导客观记录学生学习过程中的具体事实, 不过分强调评价的标准化;老师要转变在学生学习评价中的裁判员的角色,要成为学生 的促进者、合作者,帮助学生认识自我、建立自信,促进学生在原有水平上发展;把学 生在活动、实验、制作、探究等方面的表现纳入评价范围,提倡评价的多主体;学生也 要参与学习过程的评价,进行自我批评和学生之间的互评;通过评价还应促进教师的提 高以及教学实践的改进,等。

3.4.2大学物理课程的教学过程要求

在大学物理课程的教学过程中,应该:①以培养学生的知识、能力、素质的协调发 展为目标,贯彻以学生为主体、教师为主导的理念;②遵循学生的认知规律,注重理论 知识与实际现象之间的联系,激发学生的学习兴趣,引导学生自主学习,鼓励其个性化 的发展;③加强有关教学方法的研究和改革,努力营造一个有利于学生科学素养的培养 和创新意识的形成的教学环境。^

在教学方法上,多采用启发式、讨论式等行之有效的教学方法,加强师生之间的交 流,引导学生学会独立思考,多多进行科学思维的训练。利用习题课、讨论课,培养学 生提出问题、分析问题和解决问题的能力;鼓励通过专题讲座形式、网络资料、探索实 践活动、研究课题等多种方式进行探究式的学习,因材施教,激发学生潜能,充分调动 学生的学习的积极性和主动性。

在教学手段上,教学手段应该是服务于教学目的的。积极创造条件,有效利用多媒 体技术,充分发挥计算机辅助教学和网络教学等现代化教育技术的优势,扩大教学信息 量,提高课堂教学效率和质量「⑼。

有关演示实验的方面,充分利用演示实验帮助学生学会观察物理现象,锻炼发散性 思维,增加感性知识,提升学习的趣味。大学物理课程的主要内容都应该包括实物演示 实验多媒体仿真演示实验,其中实物演示实验可以采用多种形式进行。

习题与考核的目的是为了引导学生的学习、检查教学的效果的重要环节,也是体现 物理课程的要求是否规范的重要标志。习题的选取应注重物理课程内容的基本概念的应 用,强调教学内容的基本训练,贴近实际应用,激发学生的学习兴趣^。考核要避免倾 向于应试教育的形式,要积极探索以素质教育为核心的课程考核模式。

3.4.3物理课程教学过程要求的比较研究

大学物理课程和高中物理课程的教学过程要求有很多相似的地方:都以培养学生的 科学素养为教学目标;遵循学生的认知规律,以各种各样的教学方法和教学手段来激发 学生的学习兴趣,提高学生的自主学习意识,培养学生分析和解决问题的能力,保证教 学的优质和高效;都以素质教育为核心的考核模式,训练学生平时的时间意识,提高学 生的“时间紧迫感”。

最主要的不同之处就是:课堂教学中的教学内容多寡非常的有分别,结果就是高中 时的自主学习一般是由老师为主导的,而大学更多的是学生自习,如课前预习和课后复 习。


26

 


第四章 大学物理课程内容和中学物理课程内容的衔接研究

以上对“课程标准”和“基本要求”进行了分析,下面就中学物理课程内容与大学 物理课程内容(主要是A类内容)进行比较和分析。

4.1力学部分的衔接研究

高中物理课程内容的重中之重,也是大学物理课程内容的重点,而且是大学物理的 首章,所以力学部分的衔接研究很重要。

4.1.1相同知识点的衔接研究

大学物理中力学部分的知识点在中学物理中相同的主要有以下几个:质点运动的描 述、牛顿运动定律及其应用、质点和指点系的动量定理和动量守恒定律、势能、机械能 守恒定律、保守力的功等皿。针对大学物理和中学物理中共同涉及的知识点,下面以两 个具体例子来分析其知识是如何衔接的。

一、运动的描述

高中物理泅中用的速度来表达运动,如图4-1.

 

 

 

 

 

图4-1运动的描述

得出速度的表达式是:

Ax

大学物理教材沏对瞬时速度的导入是这样设计的,如图4-2:

 

瞬时速度在高中时还是一个很模糊的量,定义为:当式(4-1)中的趋近于无

Ax

穷小时,就可以认为「表示的是物体在时刻/的瞬时速度。而学生学习了高等数学中

的求导之后,瞬时速度即可求出,“它等于位矢对时间的变化率或一阶导数”,即:

Ar dr

v = lim =——

A20 At dt

其方向是沿轨迹在质点所在处的切线方向并指向质点的前进方向,其大小:


这样就在原有高中知识的基础上,应用高等数学的知识解决了瞬时速度的求解问 题。

二、质点的动量定理

高中教材中动量定理:“物体所受合外力的冲量等于物体动量的变化量。”它的表 达式为:

Ft = mu' — mu = p -p 4-3)


 


中微分的知识直接导出了动量定理的微分形式:


Fdt = d(mt?) = dp (4-4)

4-4)中的F表示质点受到的合外力,上式表明质点的动量定理的微分形式,

“作用在质点上的合力的元冲量等于动量的微分”,若质点在时刻厶的速度和动量用 ―和刃表示,在时刻的速度和动量用”2和血表示’用符号I表示冲量,得出动量 定理的积分形式旳:

t2 mu2 p2

f = J""' = J = J dp = p2 — px 4-5

« mux Pi

式(4-5)表示质点的动量定理的积分形式,“作用在质点上的合力在一段时间内 的冲量等于在此时间内动量的增量”。

4.1.2新增知识点的衔接研究

大学物理力学部分知识点中新引入的知识点主要有以下几个:变力作用下的质点运 动学基本问题、质心运动定理、刚体定轴转动定律、刚体的角动量守恒定律和刚体的进 动等。该部分虽是建立在中学物理基础之上和中学物理密不可分的知识,但却是中学物 理中没有讲过的新知识,那么,大学教材应该如何设计才能顺利导入这些新知识呢,下 面以一个典型例子来分析大学物理教材对该部分知识的设计。

刚体力学中的知识点

“基本要求”中建议,通过把力学的研究对象抽象理想模型,如质点、刚体等,逐 步使学生学会建立模型的科学研究方法。刚体的角动量守恒定律、刚体转动中的功和能、 刚体定轴转动定律和转动惯量都属于刚体力学的知识。刚体力学这部分内容在中学物理 中没有被讲述过,怎样设计大学教材才不会影响学生进一步学习呢?刚体虽是一种特殊 的质点系,但是,它同样遵从一定的力学规律,部分刚体力学实际上是质点运动学和动 力学的基本概念和原理在刚体上的应用,再加上应用数学中的求极限、微分、积分等知 识,就可以很顺利地对该部分内容进行讲解了。

例如,应用类比法理解刚体的转动惯量是刚体转动惯性的量度。由刚体定轴转动的 转动定律可知,外力矩的作用产生刚体转动的角加速度并改变刚体的运动状态,同样大 小的外力矩作用下,刚体的转动惯量越大,其获得的角加速度越小,刚体转动状态改变 越慢;反之,刚体转动惯量越小,其获得的角加速度越大,刚体转动状态改变越快。如 果将该知识和牛顿第二定律中质点的质量类比的话,就比较容易理解。由牛顿第二定律 可知外力的作用使质点产生加速度并改变质点的运动状态,外力一定的情况下,质点的 质量越大,产生的加速度越小,质点运动状态改变的越慢;反之,质点的质量越小,产 生的加速度越大,质点运动状态改变的越快,质点的质量就是质点惯性的量度。经过这 样的类比,学生对刚体的转动惯量是刚体转动惯性的量度的理解就会比较深刻。

4.2振动和波部分的衔接研究

相同的知识点主要有:简谐振动的频率、波长、相位等概念,运动学方程,几种常 见的简谐振动,外力作用下的几种简谐振动,机械波的基本特征,波的衍射和干涉, 以及惠更斯原理,多普勒效应;

新增的知识点主要有:简谐振动的速度和加速度,简谐振动的能量,简谐振动的合 成,平面简谐波的运动学描述,波的能量和波的强度。

4.2.1相同知识点的衔接研究

关于波的干涉,所设计的情景模式是相同的,如图4-3。在高中物理教材中,得出 的结论如下图4-4,用语言描述为:“频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强, 某些区域的振动减弱,这种现象叫波的干涉。図”为什么会有这样的结果并没有详细的 解释,而在大学物理教材中解释了这一结论。

 

图4-3波的干涉图例

 

Lt f

 

 

图4-4波的干涉结果

两个波源S1和S2,它们在同一均匀媒质中所发出的相干波在空间某点p相遇,如 4-5,

 

 

图4-5波的干涉的模型

两波在该点引起振动的表式即振动方程分别为:

2兀丫

=Ax cos( cot q)\ )

2兀y

y2 = A2 cos( cot+ cp 2 )

A

式中4&为两列波在P点引起振动的振幅,01和02为两个波源的初相位,并且 (P\—(p2是恒定的,斤和厂2为P点到两个波源的距离。P点的振动为两个同方向,同频率 振动的合成,仍是简谐振动,振动方程为

7 =歹1+歹2 =/cOS0 + 0) (4-6)

式(4-6)中,其合振幅A为

A = ^jA^ +&2 +24& cosA© (4-7)

式(4-7)中A©为两个分振动在〃点的相位差,

2兀厂

A ^7 = ^COt +P2 _ + 0] _

A

在固定的点,则A©取值恒定,/值也不变。当A©取值2Att时,合振动是加强的;

取值2^ + 1>时,合振动是减弱的,取以上两种情况外的点,合振动的强度介于两者之

间。正符合高中物理时学到的结论。

4.2.2新增知识点的衔接研究

选的是本部分的开头的知识,简谐振动的速度和加速度,其它的部分只要合理运用 数学思想,就能过理解。

简谐振动的振动方程跟学过的一样,为

x = A cos(0f + 0)

对式4-8)运用数学的微分方法,得物体的速度:


在对(4-9)式速度求导的物体的加速度:

= -Aa)2 cos(创 + %) = -cd2x

多运用大学中的物理学思想,有利于转变在中学生形成的不利于大学物理学习的思 维方式,使学生尽快的适应大学学习。

4.3热学部分的衔接研究

热学部分在中学时的理论知识部分较多,很少涉及到计算,一般只是要求“了解、 知道”。在大学物理课程中,热学占很重要的部分,理论知识很多,还涉及了计算问题。

4.3.1热学部分內容要求的比较

热学部分在“基本要求”中的内容有14条,在“课程标准”中的选修1-2、选修 2-2和选修3-3中都有涉及到。

在选修1-2中,其中有两个二级主题:热现象与规律,热与生活。在“热现象与规 律”中的内容标准为:①了解分子动理论的基本观点,列举有关实验证据,用分子动理 论和统计观点认识温度、气体压强和内能;②了解热力学第一定律,知道能量守恒是自 然界普遍遵从的基本规律;③通过自然界中热传导的方向性等事例,初步了解热力学第 二定律,初步了解爛是描述系统无序程度的物理量;④能运用热力学第一、第二定律解 释自然界中能量的转化、转移以及方向性问题。在“热与生活”中的内容标准为:①举 例说明人们利用内能的不同方式;②认识热机的能量转化与守恒问题,通过能量守恒以 及能量转化和转移的方向性,认识提高热机效率的重要性;③了解家用电器制冷设备的 基本原理,尝试根据技术参数和家庭需要合理选购家用电器。「⑷

在选修2-2中,其中有一个二级主题是:热与热机。其内容标准如图4-6:

C1) 了解內燃机.气轮机.喷气发动机的工作原理。了解内燃机主要技术参数 的意义口

(2) 亦道热机的效率及主要影响因素。通过实例,分析能量在热机工作时的流 向。知道提高热机数率的方法和途径。

(3) 知道电冰箱和空调机的组成和主要结构,了解其致冷原理。

(4) 知道热机对坏境的影响。了解减小热机对坏境影响的方法。

(5) 通过热机的发展体会科学技术对于经济.社会进歩的意义。关注新型热机 的发展趋势。

图4-6新课标中选修(2-2)中热学部分要求

在新课标中的选修3-3中,其中有一个二级主题是:热力学定律与能量守恒。其内 容标准如图4-7:

1) 通过有关史实,了解热力学第」定律和能量守恒定律的发现过邕体会科 学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。

(2) 认识热力学第-定衛理解能量守恒定舉用能量守恒观点解释自然现熱 体会能量守恒定律是最基本.最昔遍的自然规律之」

(3) 通过自然界中宏观过程的方向性,了解热力学第二定律。初歩了解癇是反 映系统无序程度的物理量。

图4-7新课标中选修(3-3)中热学部分要求

高中物理课程内容标准的要求有所重复,但选修的教材内容29'30'34:侧重不相同,与 大学物理课程内容m比较后得出的结论是:

相同的知识点:热力学第一定律、循环过程、热力学第二定律、热机效率、爛、温 度和温标、理想气体的物态方程。

新增的知识点:平衡态、态参量、热力学第零定律,准静态过程、热量和内能,卡 诺循环、致冷系数,爛增加原理、玻尔兹曼爛关系式,理想气体的压强和温度、统 计规律,麦克斯韦速率分布律、三种统计速率,理想气体的内能、能量按自由度均 分定理,气体分子的平均碰撞频率和平均自由程。

4.3.2相同知识点的衔接研究

热力学第一定律

热力学第一定律是阐述与热现象有关的宏观过程中的能量关系,是在热运动与机械 运动相互转化的研究中提出来的。

在新课标高中物理选修1-2中,表示,改变物体内能的途径有两个:外界与物体进 行热交换或外界对物体做功。用数学表达式表示:

AE = Q + PT (4-10)

式(4-10)中皿表示内能的增量E2-E、, 0等于物体吸收的热量,0表示外界对 物体做功。得出热力学第一定律:“物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与外界 对物体所做的功的总和。”

在《大学物理》(上册)中提到:在不同物体之间转移以及各种运动形式之间转化的 能量总数量是守恒的。热力学第一定律实际上就是“能量转化和守恒定律”:“自然居 一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,能够从一种形式转化为另一种形式,从 一个物体传递给另一个物体,在转化和传递中能量的数量不变。可”

设系统从状态&经历一个热力学过程达到状态b,在该过程中,系统从外界吸热0 系统对外界做功炉,系统内能增量为^ = Eb-Ea,则有

AE^Eb-Ea^Q-W (4-11)

对于始末两态相差无限小的过程,式(4-11)可写出微分形式:

dE = dQ — dFK (4-i2)

根据dW=pdV,式(4-12)可改为:

d£ = d0-pdK

这是热力学的基本方程,具有非常重要的地位。

4.3.3新增知识点的衔接研究

在高中新课标物理选修2-2中,介绍了热机和热机效率,还有简单介绍了制冷剂的 基本原理。这样延伸下去,就会有一个制冷效率的概念,在大学物理的课程将要提到。

制冷机从低温热源吸取热量,并把热量放给高温热源⑶」。为实现这一点,外界必须 对制冷机做功。2为制冷机从低温热源吸收的热量,A为外界对他做的功,Q为它放 给高温热源热量的值。于是当制冷机完成一个循环后有/二0]-02。通常把

厂二 02 02

/ Q - 02

称为制冷机的制冷系数。

4.4电磁学部分的衔接研究

电磁学部分无论是在中学物理课程还是在大学物理课程内容中都占有很重的比重, 从大学物理教学内容基本要求上的A类部分内容条数和学时的所需方面都很明确的表示 了这一点。

4.4.1静电场部分的衔接研究

高中物理课程标准的静电场知识在选修3T模块中,包括静电场知识、电路和磁场 知识・

大学物理静电场知识的内容要求:

① 真空中的静电场。在真空中的静电场中,基本内容要求有:电场强度、库仑定 律、电场强度的叠加原理及其应用;电势、电势叠加原理;静电场中的高斯定理;静电 场的环路定理;电场强度和电势的关系。

② 静电场中的导体和电介质。在静电场中的导体和电介质中,基本的内容要求有: 有电介质存在时的电场,导体的静电平衡,电容器,电介质的极化及其描述。

一、大学物理和中学物理在真空中的静电场部分的衔接研究

电势能和电势方面的衔接

在中学物理的教材中,讨论电势能是,用如下方法。如图4-8,

 

 

图4-8中学物理研究匀强电场的电势差

匀强电场中沿电场线相距为厶的两点间的电势差:

Uab =^ = EL (4-13)

q

 

 

由静电场是保守力场,很容易引出在静电场中如果移动电荷的路径为一闭合路径 时,静电场的环路定理表达式为:

类比重力势能的建立,弓I出在任意静电场中电荷的电势能肥:

 

电势能跟静电场和试探电荷都有关,是系统的电势能,跟试探电荷%的大小成正比, 而比值%却与%无关。表征了静电场中给定点电场的性质,引出电势昭这一物理量:

W

U严亠=£・d/
a J。

q o

根据电场强度的叠加原理得出真空中静电场的电势

(4-15)

根据式(4-14)和式(4-15)得出

up = rE-di = r E^di. + r 卩・d + …+「乞・d爲

Jp Jp Jp Jp

+〃 +・.・+〃 = y z;.

pl p2 pn / 丿 pi

z = l

然后根据电势的定义式,可得真空中静电场中任意两点的电势差。即

 

4.4.2恒定磁场部分的衔接研究

高中物理课程标准的磁场知识在选修模块选修3T中,其中一个二级主题是磁场。 新课标在磁场部分的内容标准:「

列举磁现象在生活、生产中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及 其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展。

• 了解磁场,会用磁感线来描述磁场,知道磁通量和磁感应强度。

•会判断通电线圈和通电直导线周围的磁场的方向。

•通过实验,会判断安培力的方向并且计算安培力的大小(在匀强磁场中)。

•通过实验,会计算洛仑兹力的大小并判断洛仑兹力的方向。

在大学物理课程内容要求中有关恒定磁场的要求:

① 真空中的恒定磁场

在真空中的恒定磁场中,内容要求有:恒定电流、电流密度和电动势;磁感应强度: 毕奥一萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理;恒定磁场的高斯定理和安培环路定理;洛伦 兹力;安培定律。

② 恒定磁场中的磁介质

在恒定磁场中的磁介质中,内容要求有:物质的磁性、顺磁质、抗磁质、铁磁质; 有磁介质存在时的磁场。

恒定磁场部分“物理课程标准”和“基本要求”的比较:都涉及了例如磁场、磁感 应强度、磁通量、安培力、洛伦兹力等磁场方面的基本概念以及都要求会计算力的大小, 只是要求要掌握的程度不同、计算方法不同;大学物理课程要求有而中学物理没有的主 要是毕奥一萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理,恒定磁场的高斯定理和安培环路定理, 物质的磁性。

恒定磁场部分高中物理教材和大学物理教材的比较:在高中物理教材3的第二章中 的电源、电流、电动势和电路在大学物理教材他中第14章前两节中均有涉及,其中基 本概念只是略微提过,研究方法和内容完全是更深层次;大学物理教材中第14章后四 节的内容都是在高中物理教材的第三章磁场中的内容的基础上进行了更深入的描述,其 中就包含新知识:毕奥一萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理,恒定磁场的高斯定理和安 培环路定理等;而大学物理教材的第15章的内容只是在高中物理教材中提到了一个概 念:磁性。

真空中的恒定磁场部分的衔接及深入

这一部分在中学和大学联系最主要的是磁感应强度这一块。

在中学是用理想条件下的探究实验得出的结论:三块相同的条形磁铁并列的放在桌 上,认为它们中间的磁场是均匀的,将一根直导线的水平悬挂在磁铁的两级间,导线的 方向与磁场的方向垂直。如图4-10.

 

 

图4-10磁感应强度

保持磁场不变,改变电流强度和导线在磁场中的长度其中的任一条件,观察导线的 受力情况。经过多次试验,得出安培力公式F=BIL,式中的B与电流和导线长度无关, 但在不同的情况时B的值是不同的。而B正是能够表征磁场强弱的物理量——磁感应强

B= ,安培力是洛伦兹力的宏观变现,带电量g的粒子在均匀磁场中与磁场方向

F

垂直以速度卩运动,得出B= qv o方向由左手定则判定。

在高等物理里,磁场对外的重要表现是磁场对引入场中的运动的试探电荷的作用。 实验发现如果电荷在一点沿着与磁场方向垂直的方向运动时所受磁力最多化,而送个 Fm

力正比于运动试探电荷的电荷量g,也正比于电荷运动的速度v,但比值炉 却在这点 具有确定的量值,而与运动试探电荷的qv值得大小无关。这样可引入磁感应强度(矢 Fm

量B),大小可定义为炉o改点磁场的方向就是磁感应强度的方向。在接下来的任 一点电场强度的求解方面上就仿照静电场的方法引入了毕奥-萨伐尔定律:

d g = o Id 1 X r

4 7i r 3

在关于洛伦兹力的数学表达式上,当带电粒子运动方向与磁场方向平行时受力为0; 如图4-11.

 B

F = 0

图4T1带电粒子平行于磁场运动

当带电粒子运动方向与磁场方向垂直时它所受的磁场力最强尸〃,Fm = qvB ;

如图4-12.

¥丄E F = F祖色

图4T2带电粒子垂直于磁场运动

一般情况下带电粒子运动方向与磁场方向夹角为0,此时F = qvBsin3 ,根据右 手定则确定洛伦兹力的矢量表达式为:

F = qvxB (正电荷)

负电荷的方向正好相反。

4.4.3电磁感应和电磁场部分的衔接研究

“课程标准”中电磁感应和电磁场部分的内容标准「⑷分布情况如下表4-1所示:

表4-1新课标中电磁感应和电磁场部分的内容分布

选修模块

二级主题

教材章节

内容标准

选修2-1

电路与电

电磁感应现象

感应电动势

(6)通过实验认识感应电动势的产生条 件以及影响感应电动势大小的因素。会 判断直导线在磁场中运动时感应电流的 方向。列举电磁感应现象在技术中的应 用实例。

选修3-1

电路

闭合电路的欧姆定律

(4)知道电源的电动势和内阻,理解闭

合电路的欧姆定律。

选修3-2

电磁感应

楞次定律

法拉第电磁感应定律

自感和互感

(1)收集资料,了解电磁感应现象的发 现过程,体会人类探索自然规律的科学 态度和科学精神。

(3)通过探究,理解楞次定律。理解法 拉第电磁感应定律。

“基2

K要求”中的关于电磁感应和电磁场的内容情况如图4-13[15]


1

法拉第电磁感应定律

A

丄重点讲述麦克斯韦关 zr逗希 由托京洁玫FtrW

2

动生电动势和感生电动势.涡旄电场

A

3

自感和互感

A

4

电场和磁场的能量

A

5

位移电流_全电流环路定律

A

」[丙KE电助和1止积电打lb 的基本假设以及法拉第 电磁感应定律,帮助学 生題立起统一电磁场的 槪念「并强调麦克斯韦 方程组的物理思想,以 及让学生认识电磁场的 相对性S物质性S统1 性口

&应当把列为E类有关 电路的内容作为核业内 容“类)处理口

6

麦克斯韦方程组的祝分形式

A

7

电磁波的产生及基本性质

A

8

麦克斯韦方程组的徽分形式

B

9

边界条件

B

10

趟导体的电磁性质

B

11

直流电:闭合电路和一段含源电路的欧姆定律s基尔霍夫定律s

电流的功和功率

B

12

交流电:简单交流电路的解法(矢量图解法和复数解法\交

流电的功率.三相交流电

B

13

暂蛊过程.谐振电路

B

图4-13基本要求中电磁感应和电磁场部分的内容

“课程标准”和“基本要求”对比,相同的知识点有:电磁感应现象、楞次定律、 法拉第电磁感应定律、动生电动势(高中时的名词是“感应电动势”)自感和互感、欧 姆定律。大学新增知识点:感生电动势、涡旋电场;电场和磁场的能量;位移电流、全 电流环路定律;麦克斯韦方程组的积分形式;电磁波的产生及基本性质等。

分别从相同知识点和新增知识点中各选一个进行衔接研究。

一、动生电动势

高中教材选修3-2中,法拉第电磁感应定律的内容是“电路中感应电动势的大小, 跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。悶”

如果时刻心穿过闭合电路的磁通量为01 ,时刻乙穿过闭合电路的磁通量为0,贝U 时间内,磁通量的变化量为人0=02一01,那么法拉第电磁感应定律用数学表达 式可以表示为:

E = AA

A t

如果再考虑到电动势的“方向”,那么大学物理教材中的定义就是:“当穿过回路 的B通量血发生变化,回路中产生的感应电动势§与B通量对时间的变化率dt 负值成正比。”就得到法拉第电磁感应定律的完整表示形式,即:

 

如右图4T4,

<7

 

 

 

1 jhC SMC

A F

%

r i

■ 1

r i

* ■ W *

■ "1

■ V

■ d

■ W

“卓 f

 

I

 

qfl

 

图4-14动生电动势

长为I的导线MN在磁感应强度为B的磁场中以速度v向右做匀速直线运动,并且/, 卩和B三者相互垂直。闭合回路所包围面积S的磁通量增量为:

d(()m B  dS B -Idx B -Ivdt

根据通过法拉第电磁感应定律,导线MN上产生的动生电动势为:

si = -^=-Blv

dt

从微观上看,当MN以y向右运动时,MN上的自由电子被带着以同一速度向右运动, 因而每个自由电子都受到洛仑兹力『的作用,即f=~evxB

如果把『看成是非静电场的作用,则这个非静电场的强度应为:

Ek = = V x B

-e

根据电动势的定义,MN中产生的动生电动势就是这种非静电力场作用的结果。因此

& = I E K X dl = [ (v xB) • dl

Jb Jb (4—17)

这就是动生电动势的一般表达式。它表明,动生电动势是由洛仑兹力引起的。也就 是说,洛伦滋力是产生动生电动势的非静电力。式中E的方向就是的矢积方向, 即,E>0的方向,E为由b指向心反之,gVO时,E则为由&指向b。

因为y丄b而且单位正电荷受力的方向就的方向,并与刃方向一致,于是 有:

& = [(vxB)dl= [ vBdl = BLv

这是从微观上分析动生电动势产生的原因所得的结果,显然它与高终归是计算通过 回路磁通量变化的感应电动势的结构是一致的。因此,式(4-17)是计算动生电动势的 普遍式。

二、感生电动势

一个闭合回路固定在变化的磁场中,则穿过闭合回路的磁通量就要发生变化,根据 法拉第电磁感应定律,闭合回路中要出现感应电动势,即是感生电动势。

例如,一长直螺线管,截面积为S,单位长度的线圈匝数为刃。如图4-15.

 

11

 

 

 

4-15通电的螺线管

螺线管外套一个闭合线圈连一个检流计,当线圈通以电流/时,螺线管内的磁感应 强度为B =卩间,因此通过线圈的磁通量为:

/m = \BdS = ES = pIS

若电流发生变化,则线圈中产生的感生电动势大小为:

 

5 =警=“0

at at

与高中时相比,解决问题的方法明显发生了改变,要在高中物理知识的基础上,以 变化的眼光看问题。

4.5光学部分的衔接研究

4.5.1几何光学部分的衔接研究

“基本要求”和“新课程标准”中对几何光学部分的基本要求做一比较,分析大

学物理中几何光学部分知识点的分布特点,结果见下表4-2o

表4-2大学物理中几何光学部分知识点分类

大学物理与中学物理共同涉及知识点

大学物理中新增知识点

几何光学基本定律

斯涅耳定律

折射率

视深度

光在平面上的反射和折射

光在球面上的反射和折射

全反射

 

薄透镜

薄透镜的横向放大率

薄透镜成像公式

薄透镜的光焦度与焦距

薄透镜的作图法

 

光学仪器

 

、相同知识点的衔接研究

通过对比,大学物理中几何光学部分的知识点在中学物理中已涉及过的主要有以下 几个:几何光学基本定律、折射率、光在平面上的反射和折射、全反射、薄透镜及其成 像公式和作图法、光学仪器。

a. 几何光学基本定律包括:光的直线传播定律,光的反射定律(镜面反射和漫反射), 光路可逆性,光的折射定律。前三个定律一带而过,做衔接的铺垫。

b. 折射率:在折射定律中将中学的折射率细分了①相对折射率池二%=虫(第二种

sin r v2

介质相对于第一种介质的折射率)②绝对折射率〃 (相对于真空的折射率)。然

V

后斯涅耳定律是折射定律的另一种常用形式,由相对折射率和绝对折射率两个公式 推导而来: 1 sinz = n2 sinr。

c. 光在平面上的反射和折射:大学物理教材上点了一下实像和虚像,由同心光束在折 射时被破坏导出一种现象叫像散,从而接入新知识“视深度”,视深度是入射光线 交主光轴的点离界面距离P与折射光线反向延长线交主光轴的点离界面距离p,得

P = P— °

©

d. 全反射、薄透镜,薄透镜的作图法和光学仪器部分:除了基本的定义和条件外,又 介绍了一些全反射的用途和薄透镜的一些内容的其它叫法,其它只做了解用。

二、新增知识点的衔接研究

大学物理几何光学部分知识点中新引入的知识点主要有以下几个:斯涅耳定律、视 深度、光在球面上的反射和折射、薄透镜的横向放大率、薄透镜的光焦度与焦距。下面 以一个典型例子来分析大学物理教材对该部分知识的设计.

光在球面上的反射成像他

如右图,从光源S发出光线SA到半径曲率中心为C、顶点为0的球面反光镜AOB 上,反射光线交主轴于S O

 

 

则光线SAS’的光程为人曲二加+刃;根据余弦定理,可得其中:

I = yl (-r)2 +(r- p)2 + 2(-r)(r - p) cos (p

I = J(t)2 +(” _汙 +2(t)Q? _F)C0S(7r_0)

光程A^'是角度©的函数,根据费马定理,物象间的光程应取极值或常量。故对 其求导并令其倒数为零:

d\ \ 1

——=n一[2r(r - p) sin(p] + n r [~2r{p -r)sin ^?] = 0 d(p 21 21

化简得:


 


在近轴条件下,0很小,可认为COS0Q1,此时

1 u J[(-)+ (尸-=-P

[-J[(-丫)-p - 丫)『=-P

带入式(4-18):


 


此时〃即是焦点,焦距

可得近轴区域的球面反射成像公式:

1 =—

P P f

式(4-19)是一个普通适用的物像公式。

就像这样的推导方法一样,先由中学的知识开端,加进大学物理的内容,使定律从 理想状态的使用条件推广到普通适用的公式。

4.5.2波动光学部分的衔接研究

波动光学的内容在普通高中物理课程标准中是比较少的,只是在选修2-3中有这么 一条:通过实验认识光的干涉、衍射、偏振现象以及在生活、生产中的应用。例子是用 偏振片观察玻璃面反射光、天空散射光的偏振现象。在选修3-4中是:观察光的干涉、 衍射和偏振现象。知道产生干涉、衍射现象的条件。用双缝干涉实验测定光的波长。例 子是观察光的薄膜干涉现象。

而波动光学在大学物理是很重要的组成部分,内容多要求也高。如表4-3[15].

表4-3大学物理波动光学部分的内容和要求

序号

类别

说明和建议

1

光源、光的相干性

A

1. 重点讲述光的干涉和衍射,使学生 掌握判断波的基本特征。

2. 分波阵面干涉主要介绍杨氏双缝干 涉,劳埃德镜干涉可突出相位突变 的实验验证。

3. 分振幅干涉的教学重点是等厚干涉 及其应用。

4. 通过干涉和衍射的学习,以及一些 光学器件在现代工程技术中的应 用,使学生理解光栅光谱的特征以 及光谱分析的意义,了解光学精密 测量的基本方法。

5. 光学也是演示手段较为丰富的一部 分,可充分运用多媒体手段展示干 涉和衍射现象的规律及其变化、单 缝衍射对光栅衍射的调制作用及缺 级现象、偏振光的获得等内容,帮 助学生加深对光学基本理论的理 解。

2

光程、光程差的概念

A

3

分波阵面干涉

A

4

分振幅干涉

A

5

迈克耳孙干涉仪

B

6

光的空间相干性和时间相干性

B

7

惠更斯-菲涅耳原理

A

8

夫琅禾费单缝衍射

A

9

光栅衍射

A

10

光学仪器的分辨本领

A

11

晶体的X射线衍射

B

12

全息照相

B

13

光的偏振性、马吕斯定律

A

14

布儒斯特定律

A

15

光的双折射现象

B

16

偏振光干涉和人工双折射

B

17

旋光现象

B

在中学时,对波动光学部分学生初步了解了什么是干涉、什么是衍射、什么是偏振, 发生干涉、衍射的条件是什么等等,涉及到的公式非常少;但中学物理无论是教材中尤 其是光的干涉和衍射部分较多的插图还是课堂上的演示实验、生产实际、生活经验等, 这些都能使学生在初期更好的接受知识和深刻的印象。

大学物理波动光学部分的内容多,它不仅给出了相关波动光学的概念,还要求学生 掌握很多波动光学的原理和公式,并且有很多的具体计算,很重视利用图形来阐释概念 等。例如,在光的干涉这一章,不仅要求学生要掌握光的相干条件、光程和光程差、等 倾干涉、等厚干涉等概念,还要掌握杨氏双缝干涉和等厚干涉的原理、计算及其应用, 同时还介绍了迈克耳孙干涉仪的原理和应用等。在光的衍射这一章中的夫琅禾费单缝衍 射和光栅衍射,在光的偏振中的马吕斯定律和布儒斯特定律等也都有大量的计算。在讨 论自然光、线偏振光和部分偏振光等概念时,都伴有图形加以说明等。

中学物理教材中的插图较多,一般还会在课堂上进行探究实验,使得波动光学在中 学时学生的印象中内容直观又形象生动,而大学的物理因为波动光学光学部分的内容繁 杂、抽象而且深奥,所以中学时学习的基础正好与大学中的内容相辅相成,为波动光学 部分的衔接提供有效的帮助。

4.6近代物理部分的衔接研究

“基本要求”中A类内容有狭义相对论力学基础和量子物理基础,其它如分子与 固体、核物理与粒子物理、天体物理与宇宙学属于B类内容,在本文中不做详细论述了; “高中物理课程标准”中与此相关的内容有选修3-4二级主题中的(四)相对论,选修 3-5二级主题中的(二)原子结构、(三)原子核、(四)波粒二象性。高中物理教材与近 代物理相关的内容主要体现在选修3-4和3-5,而大学物理教材与近代物理相关的内容 主要体现在第8章、第21、22、23、24和第25章。

4.6.1狭义相对论力学基础

20世纪初建立起来的相对论是近代物理学的伟大成就之一。该理论主要是关于时空 的理论,它使人们对时间、空间的认识有了巨大的飞跃,树立了新的相对时空观。相对 论分为狭义相对论和广义相对论,通常把限于惯性参考系的理论称为狭义相对论。

一、“课程标准”和“基本要求”的异同点

共同点:狭义相对论的实验基础、基本原理、时空观和质能关系式。这些在“新课 标”中都是选修内容,在“要求”中除实验基础为扩展内容外,其它都是核心内容。

不同点:洛伦兹坐标变换和速度变换、能量和动量的关系和电磁场的相对性。

二、高中物理教材和大学物理教材的异同点

高中物理教材选修3-4中的第十五章(相对论)泅的开头中指出牛顿物理学在人类活 动的“正常”范围内是非常准确的,所谓正常“范围”指的是:速度远小于光速,尺寸 远大于分子但又不比银河系大很多倍,引力也不比地球引力大很多倍。超出此范围,牛 顿物理学的结论就与观测结果不一致了,为解决这些问题,爱因斯坦等人提出了相对论。 该章的前三节分别讲述相对论的诞生、时间和空间的相对性以及狭义相对论的一些结 论,涉及到的知识点有狭义相对论的实验基础,基本原理,同时的相对性、长度的相对 性、时间间隔的相对性以及速度叠加原理和质能关系。

而大学物理教材第8章(狭义相对论力学基础)m的引言部分主要描述相对论的建立 时间、涉及物理学的领域、相对论的作用,接下来分为六节介绍本章的内容,分别是: 迈克耳孙-莫雷实验、狭义相对论的基本原理、洛伦兹变换、狭义相对论的时空观、狭 义相对论的动力学基础以及动量和能量的关系。

从以上分析可以看出,大学物理教材与高中物理教材存在一定程度的重复,如都涉 及到狭义相对论的基本原理,同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性以及质 能关系。但是更主要的是两者之间的差异:如在引言部分,高中物理教材与大学物理教 材有所不同;对于狭义相对论的实验基础,高中物理对迈克耳孙-莫雷实验讲解的比较 笼统、简单,而大学物理教材则讲解的细致,这也符合不同培养阶段的特点和要求;大 学物理教材中有洛伦兹变换以及能量和动量的关系,高中物理教材中则只有速度叠加规 律。

4.6.2量子物理基础

大学物理教材的第21章(物质的本性)和第22章(量子物理基础)都是关于量子物理 的,而与此相关的内容出现在高中物理教材的选修3-5中的第十七章(波粒二象性)和第 十八章(原子结构)中。

一、“课程标准”和“基本要求”的异同点

从二者的对比来看,高中物理和大学物理只有少量的重复,如光电效应、康普顿效 应和不确定关系等,而且这些重复的内容在高中物理中只是要求了解,而大学物理中是 核心内容;“基本要求”中有薛定铐方程、一维无限深势阱、一维谐振子、一维势垒、 电子自旋、泡利原理、交换对称性和激光等,这些内容在“课程标准”中却没有提及; “课程标准”中的“通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构”,在“基本要求” 中也没有提及。

二、高中物理教材和大学物理教材的异同点

高中物理教材选修3-5中的第十七章⑶]从电子是否具有波动性来引出本章的内容, 接着从黑体与黑体辐射来引导出第1节的内容——由普朗克提出来的能量量子化。第2 3、4和5节的内容分别是:光的粒子性、粒子的波动性、概率波和不确定性关系。光的 粒子性主要是通过光电效应实验得出来的,然后用爱因斯坦光量子理论对光电效应进行 理论解释,使学生认识光的量子性和光子的概念。康普顿效应及其理论解释,加深了学 生对光的粒子性本质的认识,进而提出光的波粒二象性。玻恩指出光波是一种概率波, 加深了学生对光的波粒二象性的感性认识。由光的波粒二象性推广到诸如电子、质子等 实物粒子的波粒二象性,引出德布罗意关于物质波的理论解释和实验探索,证明微观粒 子的确具有波动性。光的单缝衍射实验说明微观粒子位置的不确定量和动量的不确定 量,从而引出了不确定性关系。

高中物理教材选修3-5中的第十八章⑶」从夜晚城市璀璨的灯光多是来源于通电后的 气体着手,指出为了解其中的奥秘,需要从原子的结构入手。该章内容分为四节,分别 是第1节电子的发现、第2节原子的核式结构模型、第3节氢原子光谱和第4节玻尔的 原子模型。教材从物质结构的探索着手,以人类探索原子结构的历史为线索,介绍了有 关的经典实验(电子的发现、。粒子散射实验)和原子结构模型(汤姆孙原子模型、卢瑟 福原子模型和玻尔原子模型)的演变。通过了解氢原子的能级结构,建立了基态、激发 态等概念,对氢原子光谱的解释,引出作为一种半经典的量子论的玻尔理论的正确性与 局限性。

大学物理教材第21章函:物质的本性分为6节,分别是热辐射与黑体、黑体的经 典辐射定律、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式、光电效应、康普顿散射和物质的本 性。

大学物理教材第22章他:量子物理基础分为5节,分别是玻尔的氢原子理论(第1 节)、原子中的电子(第2节)、激光(第3节)、薛定铐方程(第4节)以及薛定铐方程的 应用举例(第5节),其中第1节至第3节是扩展内容。

对比大学物理教材和中学物理教材,可以看出黑体与黑体辐射在高中物理教材中讲 述的比较少,其目的是为了引出能量量子化的概念。而在大学物理教材中有详细的讲解, 不但有黑体的定义,还有黑体的经典辐射定律和黑体辐射公式。对于光电效应,高中物 理教材和大学物理教材几乎一致;对于康普顿散射,大学物理教材和高中物理教材仅在 描述现象方面有部分重复,大学物理增加了高中教材没有的对康普顿散射的理论解释以 及光电效应与康普顿散射的关系对比。在物质的本性这节,大学物理与高中物理中的粒 子的波动性几乎一致,其它的内容是在此知识点的基础上进行扩展。


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第五章 大学物理课程和中学物理课程教学的衔接措施

一、激发学生的学习兴趣

根据前文中的大学新生的心理发展特点,可以了解到他们普遍的存在“松口气”的 惰性思想、没“高考”的目标茫然感、对新的环境的不适应等,而大学物理课程在大多 数的高等院校是安排在一年级下半学期,而这时间学生的学习任务是最重最繁忙的,使 得非物理类理工科专业的学生对大学物理课程投入的精力有限,进而影响了该课程的学 习。我们知道,兴趣是学习最好的老师,只要能够提高学生学习物理的兴趣,他们自然 而然就会去关注、学习物理。

1. 让学生了解物理的广泛应用价值。课程的实用性对大多数学生来说是他们愿意 主动投入学习的主要因素之一。这需要教师多点留意日常生活中与物理息息相关的现 象,多收集物理学上的新成就、新发现、新的应用前景等,并与大学物理中相应的理论 结合起来进行讲授,激发他们的学习兴趣,使他们感受到所肩负的社会发展的使命感。

2. 让学生感受物理之美。爱美之心,人皆有之。让学生感受到物理学之美的简洁 和谐、对称统一,使得学生对物理产生探索的兴趣。物理学大多数的理论都很简洁优美, 如动量守恒定律,只是简单的一句描述:“当系统所受合外力为零时,系统的总动量将 保持不变。”却是大到天体之间的相互作用,中到生活中随处可见的物体之间的相互作 用,小到电子、微观粒子等之间的相互作用都必须遵守的定律,是物理学中最普遍、最 基本的定律之一;物理学的对称之美,更是无处不在,在现实生活中的物体上的对称元 素、物理学中的运动规律、物理定律等都可窥见。物理之美激发了无数的学者去学习和 研究它。

3. 让学生认识到物理对提高科学素养的重要作用。通过对物理的教学中,不但要 让学生拥有掌握知识的技能和解决问题的思想,还对提高学生个人的科学素养起到极其 重要的作用。物理的学习过程中对学生的思想带来下面几点的影响:接受科学思维方式 和科学的学习方法;对事物有比较深刻的认识,比较容易把握住问题的本质;培养实事 求是的科学态度,怀疑与批判、探索与创新的精神;培养勤思考爱动脑探究习惯,在学 术上有追根究底的精神;树立正确的世界观、人生观和价值观;促进艺术修养的提高; 培养健康意识、环保意识与热爱自然、保护生态的行为习惯崗。

4.教学中介绍一些物理学的趣闻以活跃气氛。物理学的发展已经有了很长的历史, 也有许多的物理学者的成长经历,在教学过程中适当穿插一些平时收集的与本节内容有 关的名人趣事和物理学史,可以达到活跃课堂气氛的作用,能够舒缓学生紧绷的学习压 力,调动学生的学习热情。

二、 灵活运用各种教学手段

在学生刚入学的时候,他们习惯了中学物理教学时的“慢节奏”、少内容、被动式 学习,他们对同一个知识点,反复练习、做题,以期望达到从量变到质变的过程冋。要 一下子扭转这种惯性的学习方式不太容易的,所以老师应该根据学生们的课堂表现适当 的调整整个教学进度。因为给了一个缓冲的过程,所以学生会对大学物理的学习有一个 循序渐进的过程,不会刚开始就产生一种不可能学会的错觉。这样不管是对学生还是老 师都起到了好的作用,会有一个好的教学效果和学习效率。

教学手段的多样化在教学的过程中会让课堂对学生具有十分大吸引力。学生们喜欢 的是丰富多彩的课堂,希望不同的内容采取不同的教学方式进行展现,当然教师的个人 风格也是很重要的。第一在教学方法不在于“新”与“老”的选择,得法的就是适合的; 第二要充分运用现代媒体技术,激发大学学生对大学物理的学习热情,提高课堂教学效 率。利用多媒体教学来克服大学物理教学上没有课堂演示实验的缺点,是大学物理在学 生的眼中不那么的抽象、深奥、难懂,提高课堂质量。⑼

利用课堂前的十几分钟关心学生在生活上和学习生可有遇到什么事情或困难,与学 生进行沟通交流,尊重、平等对待每一位学生。在课堂上,要鼓励学生大胆的提出问题, 并感情真挚、教态和蔼的去面对学生的每次发难,使师生间的关系充满和谐、有爱和相 互尊重,尽量多的给予学生鼓励,消除学生因为困难而产生的厌学心理,增强学生的自 尊心和自信心。

三、 鼓励学生自学,克服负迁移

在中学阶段,学生们的学习模式是以教师为中心,教科书为主要对象,死记硬背为 手段,配以大量物理习题,经过模仿、重复达到熟练的过程从而获取知识。在这多年的 学习过程中,学生在心理上形成一种认知定势,具体表现为:①对高中物理教材中的基 本概念、基本规律有初步认识,但对这些知识的逻辑结构体系认识不清,理不成线;② 主要依赖老师的讲授,不太会自学,不善于提问题,主动扩展知识面,物理的概念和定 律只靠死记硬背;③中学时的“题海战术”造就学生思考问题只靠模仿其它的,认为学 好物理就应该多做题,重复到熟练,而不是理性的分析所学的物理知识,而且中学生解 题习惯于链式思维即是从已知量经过物理公式得出未知量,不习惯于根据物理概念和规 律进行分析和写成文字式的代数方程求解。悶

大学物理内容多、程度深,不可能在课堂上解决所有问题,就需要学生课下去查取 资料,锻炼自己的收集资料和解决问题的能力。大学物理主要研究的是“变量”,如果 还按照中学时的学习方法是行不通的,它需要理性的分析各个物理量之间的关系,“矢 量”贯穿整个大学物理课程,运用高等数学中的“积分”和“微分”等工具,结合物理 学的思想,进行大学物理的学习,克服中学时定性思维。

四、精心选择习题,尽快完成学习转变

物理教学的有机组成部分之一就是习题,它是引导学生学习、检查教学效果、保证 教学质量的重要环节,也是体现课程要求规范的重要标志,做适当的习题对于学生追求 物理本质、探索物理思想将起到很好的加强作用。通过选择合适的习题,可以让学生尽 快完成学习转变,要注意运用以下几个点:閔

① 了解物理公式适用范围的不同,学会利用微积分的思想解题,例如在中学物理 已经接触过的匀加速运动、动量守恒、圆周运动、电磁感应等内容,所涉及的公式一般 都是恒定或者均匀的条件下才能成立的,而大学物理问题的条件一般都是变化的、非均 匀的,而大学物理的公式则更普遍、适用范围更广,而中学物理的公式在变化的、非均 匀的条件下将不再适用,必须利用微积分的思想用最基本的物理模型和原理来解决问 题。

② 了解研究问题的空间性不同,掌握矢量的运算规则和书写方法,在中学物理中 所研究的问题一般是一维的,正负号来表示物理量的方向,由物理量通常用代数值表示, 而在大学阶段研究的问题一般扩展到三维或三维以上阶段,矢量的运算和书写就变得很 重要。

③ 通过习题掌握大学物理公式,定量解决中学物理定性分析的内容;由于中学物 理内容的局限,很多物理现象都是进行定性分析,而大学物理则可以定量计算,通过习 题可以帮助学生熟练掌握大学物理公式的应用,加深对物理现象的理解,体会到大学物 理是中学物理的深入、提高和拓展。选择合适的习题可以使学生顺利的从中学物理的学 习过渡到大学物理的学习,也可减少学生厌学心理产生的几率。


56

 


结束语

大、中学课程的衔接问题很早就被人们认识,并引起了广大教育学者的高度重视, 但是关于这方面的研究特别是大、中学物理课程衔接的研究并不是很多。近年来,随着 中学新课程改革的逢勃发展,大学物理课程的改革也取得了公众的认可,越来越多的人 意识到衔接的方面存在了问题。因此,为了促进老师的教学和学生的学习,进行衔接方 面的研究是具有紧迫性和必要性。

课程的衔接问题的研究是一项系统工程,鉴于本人的精力、经验和水平有限,本文 仅以大学物理这一点为例,对如何促进大学生学习从课程衔接角度进行了粗略地探讨, 还有许多问题有待进一步研究。

解决大学物理课程设置、教学内容、教学的方法、评价的体系等各个方面的衔接, 是一个长期的、系统的过程,需要广大物理教育学者和工作者的共同努力,需要广大的 一线教师的积极参与、扩大研究和创造性地工作,需要大学和中学学校之间的相互沟通、 交流和了解,只有这样才能够把大学物理与中学物理的教与学有效的衔接起来,更好的 促进教师的教和学生的学。

大学物理课程与中学物理课程的衔接研究,是笔者对此问题的第一次尝试,必然避 免不了出现一些问题,可能提出了一些不成熟或肤浅的观点,在此期待各位专家批评指 正!


58

 


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