主动学习教学模式的设计与实践——以物理课程稳恒磁场单元教学为例

游双华 曾永志

（福州大学物理与信息工程学院，福州 350108）

一、主动学习教学模式的改革思路

17世纪，捷克教育学家夸美钮的里程碑著作《大教学论》开启了现代学校教育的时代。从此，课堂教学的模式经久不衰，一直延续到了今天。显然，在以前，这样的传授模式肯定是具有最高的知识传输效率，我们大多数人都是课堂教学模式的直接受益者。

现在课堂教学模式依旧保持着传统的教学模式。尽管有一些小的改变，比如，板书被PPT取代，小班课堂，一些教师也尝试用讨论课的方式和学生进行交流。但是教师的中心地位这样的传统模式没有改变，在整个教学活动中，教师始终处在绝对核心的地位，学生始终处在被动接受的地位。不管什么课程，一旦教师中心地位确立，课堂教学的四个要素（教师、学生、教材、媒体）将形成一个稳定的结构[1]，信息的传输总是单向：从教师流向学生。教师是课堂的主宰，教师通过PPT、板书把教材中的知识灌输给了学生，至于学生的接受情况如何、碰到的具体困难，教师了解的手段就显得非常有限，只能通过作业和考试了解。

环顾当今的生活，科技几乎改变了我们所有的生活方式，比如，出行方式，马车已经永远被汽车、高铁、飞机取代，写信也成为历史，被Email、微信完全取而代之。可是，当我们回头回顾一下教学模式，课堂教学模式依旧是现在的主流。今天我们获取信息的方式已经出现了巨大的变化了，我们几乎可以在任何时间、任何地点以非常低廉的价格（甚至免费）获取到所有的信息，课堂的作用已经被大大的弱化了。

在传统的课堂教学模式中，主要知识的传输是由教师将学生集中在一起，在课堂上通过教师进行讲授来完成的，而把需要讨论的关键点、难点留在课后，由同学独自完成。现代技术的发展给我们提供了改变这种知识传授模式的有效工具，假如我们把主要知识传输过程留给学生在课后独自完成，而把知识体系中概念的关键点、难点留在课堂上，由一群可能有同样迷惑的学生一起讨论完成，那么本来集中在一起完成的学习，转而变成了分散，而本来独自完成的任务变成了集中。

构建新型的教学模式的关键在于，是否能激发起学生学习的主动性和创造性，是否能够使得学生成为真正意义上的主体，而不仅仅是信息的接受者，而教师不再是课堂的主宰，仅仅是课堂的组织者。

二、稳恒磁场单元教学改革的设计

我们以大学物理课程的“稳恒磁场”这单元为例，详细讨论如何通过教学模式的改革，使得学生真正成为教学活动中的主体，从而构造新型的教学模式。

美国教育学家布鲁姆把教育目标分为三大领域：认知领域、情感领域和动作技能领域，据此，我们对“稳恒磁场”课程进行了教学设计。认知领域：掌握稳恒电流产生磁场的计算方法，掌握有限长载流直导线磁场，圆形载流线圈磁场的计算方法，理解磁场有旋无源的特点，掌握无限长柱面、无限长螺线管产生的磁场的计算方法。情感领域：激发学生学习物理的兴趣，培养学生主动学习的方法。动作技能领域：反复比较与静电场的区别，从而掌握这两个极端场的描述方式，能够用这两种不同场的描述方式解决随空间和时间变化的物理量的问题。

1.课前准备阶段

首先，我们把稳恒磁场课程内容的知识点转化为问题，在教学材料的准备中，坚持“以问题为导向，以任务驱动学习”的教学方法，把课程内容拍摄成两段短视频。第一段为毕奥-萨伐定理，第二段为稳恒磁场的基本性质（包括稳恒磁场的通量和环流）。在学生观看短视频时，必须回答1-2个嵌入的交互性问题，这样的方式既能启发学生思考，又能检验学生自学的效果。以下是本次视频中嵌入的问题。

题1.在没有电流的空间区域里，如果磁感应线是平行直线，磁感应强度B的大小平行磁感应线和垂直它的方向上是否可能变化（）.

A.平行方向变化，垂直方向不变；B.平行方向不变，垂直方向不变；

C.平行方向变化，垂直方向变化；D.平行方向不变，垂直方向变化；

题2.判断题：是否存在球对称辐射状的磁场：

B=f（r）er。

第一段短视频内容：用1820年丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应，从而结束了人们认为电和磁是两种完全不同的物理现象，作为课程的引子吸引学生对电磁现象的兴趣，时间大约1分钟左右。继而提出问题：永久性磁铁的本质是什么？电流产生的磁效应如何计算？进而到安培的分子环流解释和毕奥-萨伐定理，其核心要点就是比较毕奥-萨伐定理和库仑定理的联系和区别，重点强调磁场是一种横向场的特点。接下去，用毕奥-萨伐定理求解载流直导线和圆电流轴线上的磁场。主要内容的讲解时间在12分钟左右。最后1分钟总结电流元产生磁场的计算方法，布置相应的作业。

第二段短视频主要讲解稳恒磁场的通量和环流。引子（时间3分钟）：库仑场是一种径向场，其通量和环流具有的形式，创建问题情景“稳恒磁场属于横向场，其通量和环流应该具有什么样的形式？”，从而引发学生的思考，从而进入该课程的主题，主题讲解（10分钟）围绕着两个主要内容：一是比较静电场和稳恒磁场的通量和环流；二是应用安培环路定理求解两道经典例题（无限长柱电流产生的磁场，无限长螺线管产生的磁场）。最后用1分钟总结稳恒电流的通量和环流情况，并布置相应的作业。

以下是本次课后的作业。

题1.如图1（a）所示的长导线中通有电流，求圆心O处的磁感应强度B。

题2.长直导线AA′与一半径为R电阻均匀分布的导体圆环相切于A点，另一长直导线沿半径方向与圆环相接于B点，如图1（b）。现有稳恒电流I从A点流入并从B点流出。试求：

O点的磁感应强度如何？

计算B沿图中闭合路径L的环路积分时，哪些电流可以当作套链的电流，套链电流多大？

题3.半径为R的无限长直圆筒上有一层均匀分布的面电流，电流都绕着轴线流动并与轴线方向成一角度α，即电流在筒面上沿螺旋线向前流动，如图1（c）。设面电流密度为i，求轴线上的磁感应强度。

2.课中学习阶段

课堂上阶段是实施自主学习的最重要一个阶段，我们主要以小组协作学习和讨论课的方式进行教学。我们将课程分为各45分钟的两个阶段。

第一阶段主要以巩固知识为目标，以小组协作的方式进行组织教学。我们又将这一阶段分成两个部分，首先，教师讲解两个短时视频中的主要知识点，时间控制在10分钟左右，讲解的重点，主要围绕着核心的概念、难点：毕奥-萨伐定理的应用和理解横向场的特点。接着，学生进行分组讨论（提前将3个人分成一组、选定组长），讨论题目以两段视频中布置的课后作业。利用这个环节激发学生兴趣，加深对概念的理解。讨论结束后，由组长提供一份同组成员共同认可的答案。组长在这个环节中必须取到关键的作用：组织讨论的进行，当有不同意见时，务必使得组员取得一致的意见。

图1 课后作业图

在讨论题的选择上，我们遵守了两个原则：理解概念、刻意练习。首先，在题目类型上，选择一些能对物理概念加深理解的题目，很多教科书中课后的思考题是惯常挑选题目的出处，我们还在美国的David P.Maloney等人专门为测试学生对电磁学基本概念理解而设计的CSEM（Concept Survey of Electricity and Magnetism）[2]挑选了一些题目。其次，心理学家将人的认知模式分成三个嵌套的同心圆：最内层称为“舒适区”，所有的知识和技能都是你熟悉的，你在这个领域感到非常的舒适；最外层称为“恐慌区”，这部分的知识和技能是你暂时无法掌握的，这两个区的中间领域就是“学习区”。能够进行有效学习的方法，就是尽量使得学生能够处在学习区进行“刻意学习”。

第二阶段（45分钟），由教师主持的课堂讨论，一共有两道题目，题目如下所示。

题1.如图2所示，两无穷大平行平面上都有均匀分布的面电流，面电流密度分别为i1和i2，两电流平行，求：

两面电流之间、之外的磁感应强度；

i1和i2之间不同夹角时，两面电流之间、之外的磁感应强度。（反平行、垂直、任意夹角）。

图2 讨论题第1题

题2.半径为a的球面上均匀分布着电荷，面密度为，当这球面以角速度绕它的直径旋转时，求转轴上球内和球外任一点（该点到球心的距离为x）的磁感强度B。

讨论的方式采用问题导向法，层层递进，以第2题为例，具体步骤如下。

首先，教师引导学生写出旋转电荷等效的电流强度，并根据圆电流在轴线上的磁场公式

其次，教师引导学生先关注两个特殊的点：圆心（r=0）；直径与球面的交点（r=R），通过求解发现两点磁场强度一样，再通过积分发现在整条直径上，磁场大小与位置无关；接着将球外磁场和球内磁场类比，可以轻松求出球外的磁场。在这个过程中，让学生自行计算两个比较简单的积分，即r=0和r=R，另外两个有一定难度的积分，教师引导学生一起完成。

再次，最后的5分钟，教师基于前面的学习情况，进行最后的总结，以帮助学生完善物理知识结构体系。

3.课后学习阶段

小组成员把经过讨论后得到的学习成果，写成一份报告，将学习成果分享在教学网络平台中，并在小组成员中进行互评，此外，我们还提供一些提高的题目供学有余力的同学进行进一步学习。提高部分的题目如下所示[3]。

题1.一条无穷长的导线载有电流I，这导线弯成一抛物线形状，焦点到顶点的距离为a，如图3（a）。求焦点的磁感强度B。

图3 提高题图

题2.有一个半径为R的“无限长”半圆柱面导体，沿轴方向的电流I在柱面均匀地流动，如图3（b）所示。试求：

半圆柱直径面（半圆柱直径和轴构成的平面）上磁通如何？

半圆柱面导体轴线上OO′上电磁感应强度。

三、实施主动学习教学模式的意义

与传统的课堂教学比较，新型教学模式具有重大的意义。

1.课堂具有不同的作用

以学生为主体，并不意味着以自学取代听教师上课，而是上课的节奏由学生自行掌握。那么课堂的作用又是什么？事实上，对很多学生而言，学习物理是一件比较困难的事情，要对一个物理概念真正理解透彻需要花费大量的精力。而且物理概念的理解是分层次的，比如：磁场在中学是由电流产生的一种场；在普通物理中，还需要学会不同电流分布产生磁场的计算方法；在电动力学中，把数学描述手段提高到用矢量分析的方法；在相对论中，我们发现到磁场仅仅只是电场的相对论效应，而电磁场具备的能量，使得人们第一次开始探讨质量的起源，再到希格斯提出真空对称性自发破缺的极值，使得场粒子成为“上帝粒子”，从而使得微观粒子具备有质量。因此，物理的学习，不仅仅只是课堂上听听，做一定的练习就可以得到解决的。

教师在课堂的作用对学习效果起到了关键的作用。在讨论课环节，教师把精心准备的材料发放给学生，在学生讨论期间，教师穿梭于不同讨论组，由此得到学生学习情况的即时反馈，从而在最后总结时，使整个知识体系得到完善。在教师引导的讨论环节，教师掌控着整个讨论的环节，知识的引入，关键点的讨论，教师都起到了关键的作用。

2.重新定义学生与教师的关系

教师方面：从原来的中心地位，变成了一个引导者和组织者。其作用主要体现在两个方面。课前，教师对课程的资源进行整合，设计出合适学生进行刻意练习的讨论题，并把课程的知识点转化为问题，使上课模式变成以问题为导向的学习方式。课中，教师是讨论的指导者和促进者，通过分组讨论和课堂讨论，教师随时随地为学生提供指导，帮助他们掌握课程的关键知识点。

学生方面：从原来信息的接受者转变为学习的主体。课堂上超过一半的时间由学生自行掌握，使得学生有了完整、深入的学习体验，激发学生学习的兴趣。在课堂上，讨论课的展开大大加强了同学之间的学术关联，思维方式、表达方式以及理解方式都成了同学之间交流的一部分，促进了同学之间的相互学习，从而达到共同提高的目的[4]。

四、结语

主动学习教学模式的实施，重新确定了教师和学生的关系，突出了教师的主导地位和学生的主体地位，培养了学生自主学生的能力。但是，并不是所有大学物理课程的内容都适合这种教学模式，对于知识内容过于繁杂、数学推导比较复杂的内容，显然比较适合传统的教授方法，尤其是板书的方式更加适合数学的推导，比如，磁介质、电磁波的产生这些单元就比较适合传统的讲授方式。因此教学改革决不是盲目求变化，要结合教学实际和学生学习能力做出最优选择。教学模式的选择对教学质量会起到至关重要的影响，任何教学方法和教学模式都是为提高教学质量和效果服务的，其最终目的就是引导学生进行有建设性的学习，不断提高学习和实践能力。