高校物理专业力学课程学情分析与教学设计

刘奕轩，司宗国，高 琨

(山东大学 物理学院，山东 济南 250100)

力学课程作为高校物理专业的入门课程，其课程内容与中学物理有较大重合. 不同之处主要是中学物理的力学规律局限于特殊条件(如：匀变速直线运动、恒力做功等)，而高校力学课程则是延伸至一般规律. 因此，高校力学课程的首要任务是引导学生从实际出发，将所学力学概念和规律应用到一般条件，尝试解决更多的实际问题[1]. 这一理念与高等教育所倡导的培养大学生创新意识、提高大学生创新能力的教学目标相契合. 那么，如何发挥力学教学的课程特点和优势，引导学生积极转换思维模式、强化创新意识，成为当前力学教学急待解决的问题[2]. 要解决这一问题，在教学过程中就应当引导学生“做自己的老师”，正如陶行知先生所言：“好的先生不是教书，不是教学生，乃是教学生学”. 具体来说，就是要激发学生的主体意识，通过基础与前沿的结合、理论与实践的结合，积极提出问题，并带着问题有目的性地学习(研究性学习). 为了更好地落实这一教学过程，本文拟开展教学研究，在深入调查当前高校力学课程存在的问题及学生对力学教学所提建议的基础上(学情分析)，探讨力学课程改革设计的必要性和初步方案.

1 学情分析

通过与其他高校力学授课教师的讨论及文献调研，本文把高校力学教学中存在的问题主要归纳为三个方面：1) 由于课程内容与中学物理有较大重合，学生自认为相关的力学概念和规律都已基本掌握，导致对力学课程产生轻漫的态度；2) 教学排课时间基本是新生入学学期，受军训和国庆假期等各种因素的影响，课时数不足，课程内容不能满足学生的需求；3) 教学过程中，学生存在着从中学延续下来的被动学习的习惯，同时，科研压力导致授课教师更多地采用灌输式教学，这与当前提倡的“以学生为中心”及“研究性学习”的教学模式显然不符. 基于不同问题，各高校的教师提出了一些行之有效的方案，比如：整合学科知识，进行系统教学[3]；采用同伴教学法，激发学生的好奇心[4]；调整教师评价标准和成绩考核方式引导师生积极主动参与教学[5]. 这些方案为本校的力学教学提供了有益参考，但考虑到实际情况，仍需对本校的力学教学进行针对性的调查和总结.

目前，本课程使用的主修教材是北京师范大学漆安慎和杜婵英老师编著的《力学》(第三版)，辅修教材是吉林大学张汉壮老师编著的《力学》(第三版). 课程学时受军训及假期影响一般为52～56学时，授课方式以PPT演示及讲述为主，以板书公式推导及习题分析为辅. 课程绪论一般为2学时，主要介绍物理学和力学的发展、力学在物理专业课程体系中的位置、大学力学和中学力学的联系和区别、力学的学习方法(包括微积分和矢量的使用). 课程内容主要包括：质点运动学、动量·牛顿运动定律·动量守恒定律、动能和势能、角动量、万有引力定律、刚体力学、振动和波动(波动仅包括简谐波及其相干叠加). 课程考核方式为平时成绩(作业、期中及考勤情况，占比20%)和期末成绩(占比80%).

为了深入了解本校物理专业学生对当前力学课程的认同度，首先精心编制了《山东大学物理班力学课程教学调查问卷》，调查内容包括：课程基本情况、课程内容、学习状态. 2021年3月，通过问卷星软件面向2017—2020级4个年级的学生进行了发放，历时12天，共收回答卷165份(除去申请免听的学生，有效答卷141份). 同时，针对问卷无法深入了解的问题，设计了访谈提纲，在每个年级中挑选代表进行了访谈调查. 最终，基于回收答卷和访谈记录的统计，对本校力学教学的现状和问题进行了学情分析.

1.1 课程基本情况

力学课程对于物理专业后续专业课程的学习至关重要，对此，89.37%的学生表示认同，而仍有10.63%的学生不认同. 对于当前课程内容的整体难度，75.89%的学生认为适中，1.42%的学生认为较大，而22.69%的学生认为较小. 对于当前课程的授课方式，40.43%的学生表示非常赞同，50.35%的学生表示比较赞同，而9.22%的学生表示不赞同. 对于当前课程的考核方式，53.19%的学生表示完全赞同，29.08%的学生表示可以适当提高平时成绩比例，17.73%的学生认为除了作业、期中和考勤之外，还可以加入更多元的平时考核方式，如：课堂抽测、课堂参与度等. 通过这些基本数据的对比，发现当前力学课程尽管能够满足大部分学生的需求，但仍存在较大的提升空间. 下面将针对课程内容、学习状态分别进行统计分析，为课程的改革设计提供方向.

1.2 课程内容

(1)

其中，N为有效答卷份数(N=141). 第6列给出了各章内容的平均综合得分，得分越高的内容对应其难度越大，反之越小. 可见，学生反映质点运动学和万有引力定律难度较小.

表1 与中学力学重合度较高的四章课程内容难度统计表

为了解学生对课程内容改革方向的期望，本研究设计了选择题(可选择1-2项)，选项包括：A 更详细的公式推导；B 更多的习题练习和讲解；C 更多相关现象的结合与分析；D 拓展教学内容至其他章节. 统计结果如图1所示，希望“更详细的公式推导”“更多的习题练习和讲解”“拓展教学内容至其他章节”的学生占比相似(均未超过50%)，而近60%的学生认为应该增加“更多相关现象的结合与分析”. 可见，学生更希望在教学内容中融入更多的实际问题，这恰与教学改革的初衷相吻合. 对于“拓展教学内容至其他章节”，本研究针对学生对相对论简介和流体力学的兴趣度进行了统计，发现学生对相对论简介的兴趣度更高. 另外，通过访谈，学生提议使用更多的辅助教材，比如：赵凯华老师的《新概念物理教程 力学》[6]、赵亚溥老师的《力学讲义》、杨维纮老师的《力学与理论力学》. 特别是，授课过程中，在引入相关概念和物理规律时，学生提议可以穿插相关物理学史的介绍，这有助于激发学生的学习兴趣和创新意识.

图1 课程内容改革方向的统计：A：更详细的公式推导；B：更多的习题练习和讲解；C：更多相关现象的结合与分析；D：拓展教学内容至其他章节

1.3 学习状态

为了解学生在以讲授为主的课堂上的学习状态，本研究进行了调查. 超过50%的学生反馈不能时刻跟随老师的思路，而对于存在的问题，这些学生中仅有13.48%会主动与老师交流，寻求解决，有35.46%选择和学生讨论，多达51.06%选择借助网课或其它资料. 这些数据首先反映出学生课前预习不够或效果不好. 此外，学生更倾向于通过独立学习解决问题. 这反映出学生具备自主学习的意识，但同时也应考虑建立更有效的师生交流渠道. 通过预习情况统计发现：高达64.54%的学生基本不预习，23.4%的学生通过主辅修教材预习，还有12.06%的学生通过网课预习. 特别是，结合预习情况分析学生的课堂学习状态，如图2所示，发现：在课堂上能时刻跟随老师思路的学生中(A)，有超过60%通过主辅修教材进行预习；而在课堂上有时跟不上老师思路的学生中(B)，有超过70%通过网络课程预习. 综合分析，需要提高学生课前预习的积极性，同时应该推荐与教学内容更匹配的优质网课资源或由授课教师建设网课资源.

A：能时刻跟随老师的思路 B：不能时刻跟随老师的思路图2 课堂学习状态与预习情况的交叉统计.

对于课后复习情况，仅有8.51%的学生能每次课后都复习，58.16%的学生偶尔复习，而33.33%的学生进入考试周后才会复习. 同时，结合作业完成情况的统计分析，发现：仅有56.03%的学生能独立完成作业，43.97%的学生无法独立完成作业. 由此可见，学生对于课堂上讲授的课程内容理解和消化不够，需要借助复习进一步巩固和拓展. 而如何提高学生复习的积极性或通过何种手段督促学生进行复习是需要考虑的问题.

通过学情分析，可以看到本校物理班力学课程教学还具有很大的提升空间，教学改革势在必行. 教学改革的核心是在进一步充实和整合教学内容的基础上，通过授课方式和考核评价的设计提高学生的学习积极性和课堂参与度，培养和强化学生“研究性学习”的学习习惯.

2 教学设计

2.1 课程内容

拟将课程内容按难度进行分级，包括I、II、III三个等级：I等级的课程内容是不同于中学课程的全新概念(角动量、刚体力学、振动和波动，等)，需要由授课教师在课堂上进行系统讲授；II等级的课程内容是与中学课程有一定重合度，但学生反映难度较大(表1中的动量·牛顿运动定律·动量守恒定律、动能和势能)，需要由授课教师课前提供优质网课资源供学生预习，然后教师对相关知识点进行串讲和应用举例；III等级的课程内容是与中学课程有较大重合度，且学生反映难度较小(表1中的质点运动学、万有引力定律)，需要学生课前通过网课资源进行自学，授课教师不必对知识点进行串讲，直接以问题为导向，通过列举和求解典型问题帮助学生加深理解.

通过课程内容分级，一方面针对不同难度的课程内容采用不同模式的教学方法，另一方面拟将II和III等级的课程内容进行不同程度的课时压缩，实现课程内容的拓展. 对于拓展的课程内容，通过问卷调查，近60%的学生希望“更多相关现象的结合与分析”，还可以穿插“相关物理学史的介绍”. 基于此，需要在教学过程中把更多的生活现象或应用与相关物理概念和规律相结合，让学生能更多地理论联系实际，或从实际问题出发主动寻求理论依据. 比如：南北半球水流漩涡或飓风的旋转方向为什么相反？说明什么？在具体应用中，有什么启示？在引入重要概念或规律时，还可以围绕它们的建立及发展，介绍相关的人物和趣事. 比如：针对牛顿运动定律的适用范围，可以围绕经典力学至量子力学和相对论力学发展过程中的核心问题、典型人物及相关贡献给学生做简要介绍. 一方面，让学生对经典力学的适用范围和框架有更深入的理解，另一方面，激发学生学习物理的兴趣，培养学生从问题出发的学习意识. 此外，根据调查问卷的结果和教学内容的系统性，拟将相对论简介中的狭义相对论部分充实到教学中.

2.2 授课方式

2.2.1 预习和前测

根据问卷调查和访谈结果，学生在课前预习环节存在较大问题. 基于此，一方面以班级为单位建立力学课程微信群，提前1～2天将课件上传；另一方面，拟通过MOOC或雨课堂等网课平台，推荐或自建教学视频，供学生预习使用[7]. 如此，可以有效解决多数学生因为盲目寻找网课资源预习而导致的课堂教学效果不好的问题.

同时，针对前文提到的不同等级的课程内容，可以在微信群或网课平台上预先设置不同难度的问题，让学生课前查找相关资料，尝试解决问题，并将问题的答案提交至相应的网络平台. 随后，根据学生的作答情况对授课内容做针对性调整，并通过课堂对这些问题进行详细地讲解. 这既可以通过问题引导学生预习，提高学生发现和解决问题的能力，又可以在课堂上实现以问题为导向的知识点讲解.

2.2.2 授课及答疑

前面，通过课程内容分级，拟针对不同级别的课程内容采用不同的授课方式：I等级的课程内容需要在课堂上进行系统讲授；II等级的课程内容需要对相关知识点进行串讲和应用举例；III等级的课程内容主要由学生自学，仅需授课教师以问题为导向帮助学生加深理解和熟练运用. 同时，为了提升学生在平时学习过程中的积极性和参与度，可以考虑引入翻转课堂. 对此，本研究征求了学生的意见，发现62.41%的学生支持“仅挑选小部分内容采用翻转课堂的授课方式”. 基于此，拟从II等级和III等级的课程内容中挑选知识点做成翻转课堂，通过学生课外查找资料、解决问题，课内以小组为单位进行讨论汇报的形式，提高学生的课堂参与度[8].

此外，为了督促学生对所学知识及时复习，拟划定固定的课外时间进行答疑讨论. 答疑期间，鼓励全体学生提问，针对较为浅显的问题，采用鼓励、引导的方式帮助学生挖掘更深层次的问题；针对有价值的问题，鼓励全体学生参与讨论(分组形式). 如此，使答疑不再是授课教师单方面输出的过程，而是全体师生交流讨论的过程. 这在提高学生复习积极性的基础上，无形中培养了学生提出问题和解决问题的能力.

2.3 考核评价

为了更加全面地考察学生的学习成果，及保障授课过程的有效进行，需要对原有的考核方式进行改革，核心是采用更加多元化的评价方式，重点提升学生平时表现在考核中的比重.

1) 针对学生的课堂前测环节，根据学生对预设问题解答的完成度分别评级(优秀、良好、合格、不合格)，以一定比例计入平时成绩；

2) 对于翻转课堂部分，授课教师和学生共同对各汇报小组进行评级(优秀、良好、合格、不合格)，根据情况设定比例，计入平时成绩；

3) 针对课后作业，根据完成度为学生进行评级(优秀、良好、合格、不合格)，以一定比例计入平时成绩；

4) 根据学生的建议，拟增加课堂小测和单元测验，这种形成性评价有助于学生及时了解自己的学习进度，从而做出调整，以测促学. 同时，课堂小测和单元测验的成绩以适当比例计入平时成绩；

5) 针对期末考试，增加开放性问题，考察学生提出问题和解决问题的能力. 同时，缩减期末考试在最终考核当中的分数比例，使考核评价更加全面.

3 总结

本文采用问卷调查结合访谈调查的方法，首先对本校物理班力学课程进行了学情分析，重点对存在的问题进行了总结，获得了学生对于课程教学改革的期望与建议. 然后，本文围绕“如何更好地落实以问题为导向的教学模式”这一核心问题，从教学内容、授课方式和考核评价3个方面进行了分析，并提出了初步方案. 通过课程改革设计，希望能让学生更好地认识到力学课程对于物理专业后续专业课程学习的重要性，积极转换思维模式、强化创新意识，养成以问题为导向的学习习惯，从而提升学生发现问题和解决问题的能力. 最终，在提升本校力学教学质量的同时，希望能对其他高校的力学教学提供一定参考.