学者笔谈]董占海：揭开物理的深奥外衣
[发布时间]: 2012年12月20日
■ 在备课时把每节课作为一个专题研究来准备——对知识前后两端分别延长，中间加厚。前端延长是指回溯知识的过去；后端延长是对知识拓展和展望；中间加厚是指加深知识的实际应用。
■ 为了激发学生学习大学物理的兴趣，尽量展现作为科学之王的物理学的神、奇和美；尽量让物理多维化、立体化。
■ 为了让物理刻骨铭心，力求课堂教学生动、形象、有趣。
■ 努力撕破罩在物理身上深奥的外衣，使物理变得晶莹剔透、浅显易懂。
■ 努力使教学重心从“教”为中心向“学”为中心、向“教学效果”为中心转移。
在高校从教三十多年，回想起自己走过的教学路，经历了不同的教学阶段，教学重心逐步从“教”为中心向“学”为中心、向“教学效果”为中心转移。
我是77级的，那时匮大师、乏图书、缺教师，因此初出茅庐的我在1982年走上了高等教育之路。
那个时期的老师，认真和负责是他们的天性。一些德高望重的老师能够口若悬河、脱稿教学。他们的讲课风格深深地影响了我，我也非常认真地备课，阅读能找到的所有参考资料，仔细推导每一个公式，分析每个概念的内涵和外延，准备很多例题。如果能借到好的思考题集或习题集，对我而言则可谓如获至宝，将自己认为好的题目抄下来，用作上课的例题。当一门课讲三到五个轮次后，可达到驾轻就熟的程度，我也逐步成为同行和学生心目中的好老师。
但上了几年课后发现自己专业知识积淀不足，日益感受到自己的专业知识水平是约束教学水平进一步提升的瓶颈之一。随后相继攻读了硕士和博士学位，使得自己能够站在知识的更高平台上俯瞰大学教学，为教学水平再上一个层次做好准备。
我有幸从2001年开始担任上海交通大学面上的大学物理课的教学，受众面基本覆盖全校。大部分学生修习本课程主要是为后续课程的学习奠定基础。面对这些社会未来的栋梁之材，我们应该在他们的身上投入更多的心思，帮助他们打好坚实的基础。在教学上我开始思考、开始研究。
视备课为专题研究
在备课时把每节课作为一个专题研究来准备——对知识前后两端分别延长，中间加厚。前端延长是指回溯知识的过去；后端延长是对知识拓展和展望；中间加厚是指加深知识的实际应用。
前段延长要求对知识深入挖掘和全面整合。一个物理规律或现象的发现和发展史很长，如果像流水账一样清点史实，课堂时间不允许，与教学目的也不符；而大部分教材对这个环节叙述欠翔实。为了掌握第一手资料，我查阅了大量文献，“博观”历史长河而后“约取”；取“源头”，取“曲折弯道”，取“急流瀑布”。例如，在讲能量守恒时，从鸟类学家迈尔谈起，要谈酿酒师焦耳，要谈不可能动的“永动机”，要谈中国古代的饮水鸟，要谈暗能量的发现；在讲熵的概念时，从克劳休斯谈起，要谈玻尔兹曼，要谈香农；在讲电源时，从青蛙腿谈起，要谈伏特，要谈核电池等。使得学生在对知识的接受中聆悉大师伟人的研究方法，在纵观科学的发展中得到心灵的震撼。
后端延长要求时刻追踪科学前沿。大学物理知识几乎涵盖了物理学科的全部研究领域，而且各个领域的前沿又是动态变化的，一个人不可能精通所有的研究领域和研究方向。如何解决个人研究领域的专一性与所授课内容的宽泛性之间的矛盾？——只有不断学习，“厚积”才能“薄发”。尽量挤时间听各种学术报告，参加各种“Seminar”、“Colloquium”。研读与最新科技发现相关的重要文献资料，浏览“Nature”、“Science”。不但关注自己熟悉的领域，也关注不熟悉的领域。
中间加厚要求不断积累与大学物理相关的知识和应用例子。物理无处不在，学生也认识这一点。调查表明，95%以上的学生认为大学物理对学习、生活和工作有用。为了展示大学物理的“学而有用”，我在授课时不仅将物理与生物、化学等基础学科联系起来，还将物理与各种应用科学联系起来，甚至与哲学、艺术、社会等人文学科联系起来，与实际生活联系起来。在课堂讲小提琴中的声波、电吉他中的电磁感应、立体电影中的光偏振、台球和乒乓球中的刚体运动，在课堂上讲导弹发射中的物理，讲闪电、潮汐、极光等自然现象中的物理，讲哈利波特、泰坦尼克号中的物理。使得物理就在生活中、就在现实中。
让物理多维化、立体化
为了激发学生学习大学物理的兴趣，尽量展现作为科学之王的物理学的神、奇和美；尽量让物理多维化、立体化。
为什么可逆风行舟？为什么陀螺不到？为什么眼镜镜片多一层膜反而增大了透光率？为什么突然收缩的橡皮筋会变冷？宇宙有多大？上帝是在掷色子？当用物理解释了这些问题，学生能不感到物理的奇妙吗？
如果说五彩斑斓的蝴蝶翅膀是物理所赋予，如果说梦幻般的极光是物理在背后操纵，如果说令人遐想的彩虹是由物理架设，如果说碧水蓝天是物理绘制，谁能说物理不美？当牛顿把苹果受到地球的力与地球受到太阳的力统一起来，当爱因斯坦把时、空、物质和引力统一起来，当麦克斯韦把光和电统一起来，当德布罗意等人将粒子和波动统一起来，谁能说物理不美？如果物理不再是一个个抽象的名词、一串串莫名其妙的推理、一行行繁杂的公式，谁能说物理不美？
如果将陀螺的进动与地球岁差联系起来，则可以从物理中学到历法知识；如果将共振与鱼洗联系起来，则可以从物理中了解中国古代的文明；如果将熵与绿色能源利用联系起来，则可以由物理培养环保意识；如果将开普勒定律与布鲁诺、伽利略联系起来，则可以由物理培养科学精神。使物理多维化、立体化，使学生不但从物理中看到是天文、地理，还可以得到精神与情感的熏陶，真正使教育达到“知识、能力、素质”综合培养的效果。
力求课堂教学生动、形象、有趣
为了加深印象，我把粒子的交换作用与姚明与麦迪之间的传球联系起来，把高斯定理与麻袋中的刺猬联系起来，把隧道效应与“哈里波特”中的“九又四分之三站台”联系起来，把波粒二象性与希腊神话中的客迈拉联系起来……。
当与学生一块儿将一根长绳抖动出五、六个波峰时，能不加深驻波的印象吗？当与学生用最少的Yes-or-No型问题猜出扑克牌的花色点数时，能不加深信息熵的印象吗？当与学生一块将两、三块聚乙烯醇薄膜玩得忽明忽暗时，能不加深光偏振的印象吗？
我在电子教案中制作、收集了近二千幅图片和漫画，四百多个动画，一百多部音视频短片。当将一个抽象概念用一张恰如其分的图片来表达、一个有趣的动画来展示、一部短影片来显现、一幅漫画或一段笑话来寓示，能不加深学生对物理的印象吗？
关于多媒体教学应该多说几句话：最早因没有多媒体教学设备，我的课堂教学是黑板加粉笔。随着多媒体设备的出现，有一段时间是以PPT为主、黑板为辅的教学。然而当我发现有90%以上的学生喜欢老师板书时，毅然放弃以PPT为主的教学，改为以板书为主。事实上有人作过研究，对偏理科课程的教学，板书与“PPT”相比有很多优势：有利于吸引学生的注意力、激发学习兴趣；有利于展示教师思路；有利于学生掌握重点和难点；还有利于学生记忆知识、提高知识的保留率（Retention Rate）。这也是我采用板书为主教学的另一个原因。
揭开物理的深奥外衣
调查表明，大约有65%的学生认为大学物理深奥难学。为了去掉大学物理的这一坏名声，我花大力气钻研教材教法。教材教法是指具体知识的传授方法，与所传授的内容有关，与教师对所传授的知识的理解有关。合理的教材教法可使学生有效、轻松地学习。我在大学物理的多年教学过程中，通过不断的探索研究，对大学物理的重点、难点总结形成了一系列的教材教法，并将部分教材教法总结成文，发表在教学刊物上。例如，我用筷子穿面包圈的方法来介绍磁化电流与磁化强度的关系，使一个教学难点变得容易了；用等效小磁针的方法介绍磁约束现象，将整个磁约束过程变得透明了；用圆弧长度计算的方法推导单缝衍射光强分布公式，将一个复杂的内容简单化了；用透视原理讲解长度佯谬，将相对论深奥的外衣撕破了……。
将教学重心转向“教学效果”
教与学、教学效果是个学术话题，涉及到教学方法的研究和教学效果的评价等问题。
教学方法是为实现教学目标教师和学生在教学过程中采用的一系列行为方式的总和，包括以教师为中心的教法、以学生为中心的教法，有布鲁纳（J. Bruner）发现法、戈登（J. J. Gordon）创造法、和同伴（Peer Instruction）学习法等。教学方法容易与教材教法混淆，教材教法是教学方法的实例。古今中外的教育专家均认识到教学方法的重要性，美国学者Boyer在1990年提出的教学学术（Scholarship of Teaching）概念将教学方法的重要性上升到了学术高度[2]。朱熹也强度过教学方法的重要性：“事必有法，然后可成，师舍是则无以教，弟子舍是则无以学”。
教学效果是指学生在“知识，能力和素质”三方面达到的一种综合状态。各种考试虽然能检验学生对知识的掌握程度，但对能力的考察不足；能力不但包括创新能力，还包括认知能力、判断能力、模仿能力、沟通能力等；素质是指责任、坚持、适应、自信等人文、精神层面的内容。“知识、能力、素质”三者是相互交叉、层叠、相辅相成的关系。粗略地说，素质在最上层，能力在中层，知识在最基层。
教学效果的评价是一个很复杂的问题。因为教学效果是滞后的，无法对教学效果进行直接评价，但可以评价教学过程。有很多评价教学过程的指标，例如在2011年Lemos等人将大学教学划分为课程、教师和学生三个层面的评价[3]。其中对学生层面评价的重要指标是学生对课程的参与程度（The Degree of Students‘ Involvement and Participation in Learning），包括学生对课程的兴趣（Interest）、对教学过程的参与（Engagement）、和学习的主动性（Active Participation）三个维度。
不管是以教师为中心的教学、还是以学生为中心的教学，最终要以“效果”为目标。如果老师付出了真心、爱心、责任心，如果学生争先恐后地选大学物理课，如果学生在课堂上聚精会神地听课，如果学生在课堂上互动积极，如果课堂有笑声，如果课堂有掌声，教学效果如何？
学者小传
董占海，上海交通大学物理系教授，理学博士。国家精品课程“大学物理”主讲教师之一，国家优秀教学团队、国家工科教学基地的主要成员之一。
所担任的大学物理课程深受学生欢迎，曾获得“美国硅谷校友会优秀教学奖”，上海交通大学“最受学生欢迎的教师”奖，上海交通大学“最受学生欢迎的教师”提名奖多次。所担任的大学物理课广受同行好评，吸引多名校内外教师前来学习观摩。参编大学物理教材、大学物理网络教材、发表的电子教案等多部。曾经主讲过“力学”，“热学”，“电磁学”，“统计物理”，“量子力学”，“固体物理”，“表面物理”等多门课程。
研究领域主要涉及两个方向：凝聚态物理，主要从事三角晶格反铁磁强关联电子系统的热、磁、光电导等物理特性的理论研究；在最近十年，全身心投入“地海面物体及其环境的光学特性的建模研究”，包括物体红外光学特性建模研究、物体尾迹红外光学特性建模研究、典型地面海面背景红外光学特性建模研究。参加重要研究项目十多项。
来源 ：上海交通大学新闻网
原文： http://news.sjtu.edu.cn/info/1002/132403.htm