物理概念脚手架渗透电动力学教学实践的研究

［摘 要］在“双一流”建设背景下，传统的教学策略和模式已经不利于高校理工科学生综合创新能力的培养与提升。搭建物理概念脚手架是一种潜在的替代方法，为了探究其在培养学生解决综合实践问题能力中的作用，文章提出了具体的实施策略，即以电动力学课程为依托，尝试在教学中运用物理概念脚手架解决一些典型的综合实践问题，将单一传统教学模式发展为集教学、实践、研究于一体的创新教学模式，进而培养和提升本科生的创新创业能力。

［关键词］物理概念脚手架；电动力学； 教学改革；实施策略

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2025）01-0083-06

深化高等学校创新创业教育改革，是国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的迫切需要，是推进高等教育综合改革、促进高校毕业生更高质量创业就业的重要举措[1]。在新形势下，高等教育应适应时代要求，更好地培养高素质新型人才。而作为高等教育的中心任务——“教学”的主要模式更需要向如何有利于激发学生创新思维、提高学生创新能力和培养学生创新意识的新教学模式转变。

作为“双一流”建设高校，太原理工大学的物理类专业包括应用物理学和光信息科学与工程两个本科专业。电动力学是物理类专业的核心基础课之一，工科中的电子工程、通信等专业开设的是电磁场理论课程。从大学素质教育的作用和课程的结构特色来看，电动力学课程属于理工科专业中较能体现综合素质教育特色的课程之一。做好本课程的教学改革，对于培养应用类人才的创新创业能力具有重要意义。

目前，部分理工科专业学生对电动力学有较大的畏学、怕学情绪，究其原因主要是电动力学的核心理论——麦克斯韦方程组中的许多概念较为抽象、难以理解，大量物理公式的推导涉及矢量场微分运算，在一定程度上对学生的物理和数学基础提出了较高要求。虽然电动力学解决的问题比较接近实际，但是学生要想真正理解和解决这些问题，需要一个较长的过程。

当前，研究者主要致力于寻找一种新型高效的教学策略或模式来替代传统教学策略或模式，进而全面提高学生解决综合实践问题的能力。搭建物理概念脚手架是传统教学策略的一种潜在替代方法，原因如下：一是可以帮助学生形成解决问题的有效思路和方法；二是可以帮助学生正确理解和运用解决问题所需的关键知识。因此，物理概念脚手架的搭建备受国内外研究者的广泛关注和重视。

一、搭建物理概念脚手架

搭建物理概念脚手架是指将解决综合实践问题所需的物理知识和方法进行提炼，加工设计成几个结构递进或平行的简单概念性问题，交由学生先行解答，为其之后解决综合实践问题搭桥铺路[2- 3]。研究表明[4-5]，专家在解决综合实践问题时，往往会采取搭建物理概念脚手架的策略，即先定性地寻找基本概念和原理，然后详细阐述，最后利用数理方程、实验以及数值计算与模拟等方法进行定量分析并找到答案；与之相反，学生会从套用数理方程和算例开始，而非寻找并充分地理解其深层结构（基本概念和原理）。从学生的角度来看，在解决各种类型综合实践问题的实践中，传统的章末练习是帮助他们学习和理解章节内容最为常用的方法。但是，因为章末练习仅覆盖一个章节的内容，所以局限性比较大。这种做法的结果是，即使学生做了大量的章末练习，也仍然无法形成一种行之有效的解决问题的方法[6]。

截至目前，国内外研究人员已经探索了各种方法，激励学生立足基本概念和原理，以解决物理综合实践问题。例如，拉金（Larkin）[3]使用“程序小册子、个人测试和补救指导”来引导学生在解决直流电路问题时要专注于物理概念和原理。赖夫（Reif）等[7]设计了一个题为“个人学习援助”的计算机程序，以促进学生形成重要的认知技能，包括以原理为导向的决策。迪弗雷纳（Dufresne）等[8-9]创建了一种基于计算机的“分层分析工具”，以帮助学生认识深层的概念和原理。莱纳德（Leonard）等[10]通过实施“策略写作”，阐明涉及物理问题的基本概念。卡尼姆（Kanim）[11]则采用“桥接练习”来帮助学生理解概念，非公式化解决电学问题。辛格（Singh）[12]的一项研究表明，当回答某一个定性问题时，可以与前面的类似量化问题作比较，使学生可以辨别它们之间的潜在联系，从而使问题得以解决。许湘苗等[13-14]分别通过大学物理和电动力学中的具体实例，初步讨论了在解决物理综合问题时搭建物理概念脚手架的一些技巧。许童钰[15]探讨了物理综合题的特点及分类。以上研究表明，通过“目标培训”可以培养学生解决问题的能力。

为进一步引导学生在套用公式和运用算例之前，能够自觉地运用相关的基本概念和运用原理，课题组将每个综合实践问题转化成一个序列，其中有至少两个概念问题（多项选择题）。这些概念问题与随后需要解决的综合实践问题主要是作为“引导脚手架”，以激发学生对基本概念和原理的思考。

二、实施策略

如何提高本科生的培养质量，是当今高校亟须解决的一个重要问题。课题组结合自身在长期的电动力学教学实践中获得的经验，针对上述问题进行了系统全面深入的剖析和思考，并就物理概念脚手架策略在电动力学课程教学中的实践提出了如下要求：严格依照课程大纲，借助物理概念脚手架这一辅助手段，合理编排和讲授教学内容，并科学地开展教学活动；以科研促进教学，以教学反哺科研，最终实现教学目标，即培养学生的科研兴趣，提高学生解决问题的综合能力。这符合国家实施素质教育、质量工程的要求，是培养大学生创新创业能力的重要支撑，也是本课程考核的重要组成部分。

本研究的主要目的是探讨在电动力学教学中，应用物理概念脚手架策略对学生解决问题能力的形成产生的直接和持续性影响。主要内容包括：一是研究接受和未接受物理概念脚手架指导的学生处理综合实践问题的效果；对比分析并评估引入概念脚手架带来的直接影响。二是研究在为学生提供直接提示的条件下，即明确告知学生解决问题所需的基本概念和原理时，学生解决综合实践问题的情况；揭示采用直接提示和概念脚手架两种策略产生的教学效果差异。三是研究在解决综合实践问题时，学生反复应用物理概念脚手架解决问题的效果；阐明物理概念脚手架在被“移除”后，是否仍然对学生解决问题产生持续性的影响。

课题组采取一对一访谈、书面测试、数值模拟、实验以及科研探索等方式进行研究，具体实施方案包括以下几个方面。

（一）小范围调查物理概念脚手架的直接影响

课题组在物理类专业部分本科生中开展研究，挑选12名本科生，将他们随机分为两组，即“脚手架组”和“普通组”，每组6人。针对“脚手架组”学生，课题组设计A、B、C三个问题。其中，问题A和B属于概念性问题，并设置多项选择题；问题C是基于问题A和B设置的综合实践问题，具有一定的开放性和探索性。

课题组要求“脚手架组”学生，先回答问题A和B，然后解答问题C。在解答问题C之前，教师会提醒学生注意概念性问题A和B与综合实践问题C之间可能存在的内部联系。与之相反，课题组不会为“普通组”学生提出任何概念性问题，而是要求他们直接解决综合实践问题C。

在此过程中，两组学生都可以查阅课本、课堂笔记等资料，且每名学生都有足够的时间完成任务。这里需要指出的是，在综合实践问题考查前期，课题组只要求学生提出解题思路，学生完善解决方案后，再将其提交给教师。最后，至少两名研究人员独立审核学生的解决方案，达成共识的方案可直接通过，少数有分歧的方案则由研究人员后续讨论决定。

（二）大范围调查物理概念脚手架的直接影响

经过小范围调查后，课题组在所有物理类专业本科生中开展研究。这部分的研究目标主要有两个：一是在大样本中调查物理概念脚手架带来的直接影响。二是在研究中增加“提示组”，并把“提示组”的结果与“脚手架组”的结果相比较。

课题组将学生随机分为三组，即“脚手架组”“普通组”“提示组”。引导“脚手架组”学生在规定时间内，通过个人或合作的方式，回答概念性问题A和B。具体为“脚手架组”学生在回答问题A和B时，必须用学过的物理概念和原理，且问题A和B涉及的计算方法，不能和随后要解决的综合实践问题C的解法类似或者一样，以此避免“模仿套用”带来的问题。在回答完问题A和B后，要求学生在规定时间内独立解答综合实践问题C。在准备解答问题C之前，教师会提示概念性问题A和B与综合实践问题C之间可能存在联系，但不明确是否一定存在联系或联系的具体内容。“普通组”学生不用回答概念性问题A和B，但需要与“脚手架组”学生在相同的时间内，解决综合实践问题C。“提示组”学生也不用回答任何概念性问题，只需要与“脚手架组”学生在相同时间内解决综合实践问题，但是他们在开始前会收到一个直接提示。

在此过程中，这三组学生都可以查阅课本、课堂笔记等资料。学生解决方案的评估标准具体为：一是基本概念。学生是否考虑过相关的基本概念和原理。任何形式的回应，包括文字、符号或图表，只要包含与基本概念和原理相关的一般表达或方程式，都将被视为达标。二是概念延伸。学生是否能够有意义地延伸基本概念，正确地解答问题。

在综合实践问题考查前期，课题组只要求学生提出解题思路，学生完善解决方案后，再将其提交给教师。最后，多名研究人员独立审核学生的解决方案，达成共识的方案可直接通过，少数有分歧的方案则由研究人员后续讨论决定。

（三）大范围调查物理概念脚手架的持续性影响

前面两项研究主要调查具有引导性的物理概念脚手架对学生解决综合实践问题的直接影响。当前这部分研究旨在调查：第一，物理概念脚手架在被“移除”后，是否仍然存在持续影响；第二，反复解决综合实践问题，是否有助于提升学生解决综合实践问题的能力。后者实质上是评估物理概念脚手架对学生知识迁移能力的影响，这是他们日后进行深入学习的基础。

课题组将这些学生随机分为三组，即“脚手架组”“普通组”“对照组”，并要求他们在前1/3学期时间内，反复解决综合实践问题。在此期间，“脚手架组”学生在解决综合实践问题之前，可使用物理概念脚手架策略；要求“普通组”学生直接解决综合实践问题，不能使用物理概念脚手架策略；要求“对照组”学生解决一对教科书式的概念性问题，这一对概念性问题需与“脚手架组”和“普通组”学生解决的综合实践问题同属相同的主题。

需要强调的是，“脚手架组”和“普通组”学生仅在训练期间解决综合实践问题，在余下的2/3学期时间内，只需要做传统的章末练习题。课题组布置的综合实践问题数量是章末练习题数量的两倍。课题组只强化综合实践训练，而不是完全取代传统的章末练习。

在结束综合实践训练后的一周内，所有学生都被要求再次进行综合实践题目的考核，需要直接解决问题，不会得到任何提示，也不能使用物理概念脚手架策略。最后，由至少两名研究人员收集并独立地分析、评估学生的解决方案。研究人员主要从以下三个方面着手：一是识别。学生是否能够正确识别综合实践问题的物理图像。二是考虑。学生是否考虑并使用了正确的基本概念和原理。三是扩展。学生是否对正确的基本概念进行了有意义的延伸。

这里仍然需要指出，在综合实践问题考查前期，课题组只要求学生提出解题思路，学生完善解决方案后，再将其提交给教师。最后，研究人员独立审核学生的解决方案，达成共识的方案可直接通过，少数有分歧的方案则由研究人员后续讨论决定。

三、综合实践问题案例

本研究中涉及的概念性和综合实践问题，是课题组根据电动力学课程的教学内容及其特点、难点设置的。课题组主要参考了国内外几本电动力学教材[16-21]，虽然每本教材的论述角度各有不同，但基本内容大同小异，主要包括：电磁场的性质、分布及其计算，电磁场的辐射与传播规律，狭义相对论及高速带电粒子电磁场的辐射特性，电磁场与物质的相互作用。其特点与难点分别体现在：一是主要涉及静电场、稳恒磁场以及时变电磁场（包括似稳场和迅变场）的性质，难点在于如何利用麦克斯韦方程组及其边值关系、边界条件，给出不同电磁问题的定解。二是如何计算不同迅变电磁场的推迟势、处理各种不同类型的天线辐射问题以及求解电磁波在不同类型波导管中的传播特性和规律等。三是要理解爱因斯坦的狭义相对论，能够利用狭义相对论的有关知识，正确求解高速带电粒子的电磁场辐射等问题。四是内容涉及一些较为深刻的物理思想以及各种相互作用机理，这为培养学生的创新性思维提供了良好的素材，在教学实践中可以积极引导学生结合物理概念脚手架策略，提出并讨论一些相关的综合实践问题的解决方案。