高师物理相关专业学生“力学”基本概念掌握情况调查研究

高师物理相关专业学生“力学”基本概念掌握情况调查研究【摘要】通过调查问卷和访谈的形式，调查福建师范大学物理学专业各年级学生“力学”基本概念掌握情况，结果表明：高师相关专业学生对“力学”基本概念掌握情况不容乐观。并结合福建师范大学物理学“力学”课程安排、“力学”课程教学侧重点安排以及学生学习情况，为“力学”课程教学改革提供参考依据。【关键词】物理学专业;力学;基本概念;掌握情况“力学”是研究物质机械运动规律的科学，通常把“力学”粗分为运动学、动力学和静力学。［1］运动学描述的是物体的运动，不涉及引起运动和改变运动的原因；动力学研究物体的运动和物体间相互作用的内在关系；静力学则是研究物体在相互作用下的平衡问题。运动学、动力学、静力学构成“力学”系统中的基础知识，贯穿整个“力学”教学过程。随着“力学”知识地不断发展，“力学”知识领域也在不断地扩大，涉及范围从宏观物质系统到微观物质系统，“力学”在整个物理知识建构中不断得到完善和发展。由于机械运动是最简单、最平常、也是最基础的物质运动形式，所以也就决定了“力学”在整个物理学系统中占据重要的位置。中学物理教学中，“力学”的重要性便显现其中，高考考核的内容中，“力学”占据的比例比“热学”、“光学”等学科大得多。而力学不仅作为物理学科的重要分支，作为一门基础学科，同时也是一门技术科学，在生活、生产中也得到广泛的运用，例如体育运动方面：跳高、跳水、体操、铅球、标枪等；天体物理方面：天体的运行、一些星体的发现、人类的太空活动等；交通安全方面：汽车制动、安全距离、限速等。由于“力学”在各个领域的广泛运用，就要求我们必须对“力学”有较好的掌握。而“力学”是高师物理相关专业学生逐步学习物理相关知识的基础理论课程之一，对“力学”基本概念的有效掌握是学习其他物理相关专业学科的坚固基石，特别是作为物理师范专业的学生，对“力学”基本概念的掌握，是成为一名合格的未来物理教师所不必不可少的一项重要指标。因此“力学”基本概念的掌握对高师物理相关专业学生来说至关重要。通过文献阅读、测试卷调查、访谈的形式，针对福建师范大学物理学专业学生展开调查，从中获得福建师范大学物理学专业学生“力学”基本概念掌握情况的相关资料，并通过资料分析，了解学生“力学”基本概念掌握情况，以期为提出提高高师物理相关专业学生对“力学”基础概念掌握的教学方法及建议提供参考依据。本次调查内容主要以福建师范大学物理学专业“力学”课程为主干，再结合物理学专业“电动力学”专业课程及“理论力学”专业课程的学习情况进行分析。调查之前，在查阅近4年福建师范大学物理学专业力学相关教材，了解力学教材建设的概貌，整理和分析力学教材基本知识点的基础上，结合自身所学，制定出难意程度适中的测试卷。并根据学校教学特点，为进一步了解学生“力学”基本概念掌握情况，与任课老师进行交谈，以此保证将问卷与访谈相结合，从学生角度以及教师的角度，两方面来了解学生“力学”基本概念掌握情况。此次调查主要针对福建师范大学物理学专业学生，通过发放“力学”测试问卷，回收问卷进行分析，再结合学校任课教师的访谈结果，以此来了解福建师范大学物理学专业学生对“力学”基本概念的掌握情况。此次调查共发出测试问卷200份，07级、08级、09级、10级各50份，总共回收有效问卷07级39份，08级37份，09级36份，10级39份，问卷有效回收率均达72%以上，保障此次调查的有效性。（测试问卷见附录）调查内容包括教材选择、基本概念、“力学”测试问卷内容分析、“力学”测试问卷卷面结果及分析。福建师范大学物光学院物理学专业选用的是由赵凯华、罗蔚茵编写的新概念物理教程《力学》（第二版），教材作为基础物理学教材，更侧重概念更新，用现代的观点编写好传统的教学内容，对基本概念有更精确、形象的描述。“电动力学”课程教学用书是由郭硕鸿编著的《电动力学》第三版，“理论力学”课程教学用书是由管靖、刘文彪主编的《理论力学简单教程》。由于“力学”范围较广，高师物理相关专业“力学”基本内容主要由以下几部分组成，包括质点运动学、质点动力学、刚体力学、连续体力学、振动和波、万有引力以及相对论，这几部分形成力学的基础框架。质点运动学基本概念包括：质点、参考系、时间、空间、运动学基本物理量（速度、加速度、位矢）、相对运动等。质点动力学基本概念包括：动量、冲量、动量定理、动量守恒定律、牛顿运动学三定律、惯性力等。机械能守恒基本概念包括：势能、动能、功、保守力、保守系、机械能守恒定律、质心、质心系、两体碰撞等。刚体力学基本概念包括：角动量、力矩、角动量守恒、刚体的平动与转动、刚体定轴转动、转动惯量等。振动和波基本概念包括：简谐振动、阻尼振动、受迫振动、振动的合成、波动、多普勒效应等。连续体力学基本概念包括：应力、应变、胡克定律、帕斯卡原理、阿基米德原理、表面张力、连续性原理等。万有引力基本概念包括：开普勒定律、万有引力定律、开普勒运动等。相对论基本概念包括：爱因斯坦假设、时间的相对性、空间的相对性、洛伦兹变换等。根据福建师范大学物理学专业学生中学物理学习内容及大学“力学”相关专业学习内容制定出“力学”基本概念测试问卷。“力学”测试问卷内容分析测试问卷测试内容以“力学”基础概念为主，涵盖大学及中学力学基本要点（测试问卷见附录）。主要分布如下：表1、测试问卷内容分布质点运动学质点动力学机械能守恒刚体力学振动和波连续体力学万有引力相对论第1题第2、4题第3、5题第10题第6、10题第11题第7题第8题其中大学“力学”基本概念测试题包括第1、4、5、8、9题，中学“力学”基本概念测试题包括第2、3、6、7、10、11题，分别各占题目比例为45%，55%。“力学”测试问卷卷面结果及分析2.4.1测试问卷卷面总成绩66分，合格为39.6分以上，卷面结果及分析如下：表2、各年级“力学”测试问卷平均值及合格率年级2007级（39份）2008级（37份）2009级（36份）2010级（39份）总平均平均值（分）403341合格率（%）40 图1数据分析：总体上看，平均值为37.8分，合格率为36.3%。高师物理相关专业力学基本概念掌握情况并不乐观，平均值低、合格率也不高。从图1，我们可以看出，2010级学生测试卷得分情况比其他年级好。这是由于2010级学生刚学习了专业课程《力学》，同时刚经历过高考的他们，经过大量的力学习题训练，对力学的基础知识还历历在目，而相对其他年级的学生来说，高中的基础知识点，特别是基本概念，经历几年时间，已遗忘不少，对大一学习的《力学》课程更是只在期末考前做下冲刺而已，因此对2010级的学生来说，对“力学”基本概念的掌握情况相对其他三个年级的学生来说会更好。但从2010级《力学》课程的任课教师得到该年级期末卷面成绩为60.68分，成绩刚好及格，可见2010级学生对“力学”的掌握情况虽比其他年级的学生虽好，但掌握情况也不容乐观。从图1，我们还可以看到2007级学生的测试卷得分情况比2008级、2009级学生好。尽管《力学》课程是大一的专业课，但由于2007级学生，为迎接教师招考有部分学生对高中知识开始了新一轮的训练，并且部分学生参加了考研，而力学又是普物知识里面最基础的知识，也是必不可少的知识要点，所以对2007级的学生来说，他们重新经过自己较为系统的复习，问卷的平均值会相对其他两个年级的平均值高。从图1，我们还可以看到2008级学生的测试问卷平均值比2009级的学生高，为进一步说明问题，通过查询2008级及2009级学生的专业“力学”成绩对比（表3），2008级的学生在大学“力学”基础知识点上掌握更加牢固，而2009级的学生相对薄弱，并且2008级学生大三学年又进一步学习了《电动力学》、《理论力学》，对“力学”知识点的学习比2009级学生高。因此从测试卷中出现2008级的测试卷平均值以及合格率都比2009级的学生高。表3、2008级、2009级物理学专业“力学”成绩表年级平均成绩2008级2009级表4、测试问卷各题正确率题号正确率年级正确率年级2007级2008级2009级2010级各题平均正确率第1题43%47%41%50%45%第2题44%31%30%38%36%第3题46%41%39%52%45%第4题35%48%38%45%42%第5题33%49%35%43%40%第6题56%47%51%60%54%第7题47%37%36%42%40%第8题20%22%7%6%14%第9题44%44%43%53%46%第10题54%42%47%48%48%第11题32%25%30%35%31%数据分析：图2第1题2010级正确率最高，为50%，其次是2008级，为47%。这题是对质点运动学基本概念中“速度”、“加速度”的掌握认识情况的调查，不少学生选择D选项，这是由于对法向加速度的基本概念掌握不清，2010级学生刚学习完专业课程《力学》，2008级学生刚学习完专业课程《理论力学》，对切向加速度、法向加速度概念巩固比其他年级较好。图3第2题2007级正确率最高，为44%。这题是对牛顿第二定律的理解与掌握，在经历教学片断学习，中学物理教学概论学习的基础上，对定律的理解与掌握更加完善。不少学生是少选了C或D选项，一方面是学生考虑不全，另一方面也说明学生对定律的理解及掌握不够全面。图4第3题2010级正确率最高为52%。这题是对机械能守恒的掌握，是高中的基本知识点，2010级学生刚经历高考，对机械能守恒的基本概念掌握比其他三个年级好。图5图6第4、5题2008级正确率最高，分别为48%和49%。这两题是《理论力学》关于“惯性力”、“保守力”的基本概念的认识，这两部分是质点动力学以及机械能守恒中的基本概念，高中时没有接触这两个概念，在《理论力学》学习中，才真正去理解这两个基本概念，因此的2008级学生来说，掌握情况最好。图7第6题2010级正确率最高，为60%。这道题是关于振动和波中“纵波”这个基本概念之的掌握情况，同时考查对“机械波”性质的理解与掌握，属于高中知识点。在大学“力学”教学中涉及极少，因此，2010级学生掌握最好。图8第7题2007级学生掌握情况最好，因为在经历一轮学科教材复习后，对向心加速度、速度等基本概念有侧重学习与练习。图9第8题2008级正确率最高，为22%。这道题是关于“相对论”基本概念理解，对刚学过《电动力学》的2008级学生来说，更加熟悉。图10第9题2010级正确率最高，为53%。这道题是大一《力学》刚体的转动惯量的基本概念，对2010级来说，掌握情况最好。图11第10题2007级正确率最高，为54%。这道题是多普勒效应的理解，在大四“学科教材与分析”课上，对多普勒效应有重点涉及，学生在第一轮教师招考复习中有针对性的加强，因此得分最高。图12第11题2010级正确率最高，为35%。这道题是关于“压强”基本概念的理解，更多侧重中学知识的掌握。总体上看，第8题、第11题，正确率分别为14%、31%，正确率相对其他题目低。可见学生在连续体力学、相对论等相关基本概念掌握情况并不好。与任课教师访谈中得知：大一《力学》教学侧重点为质点动力学、质点运动学、刚体力学三方面的教学内容。而连续体力学、相对论方面知识较不侧重，导致学生对这些知识点的基本概念的掌握情况较为薄弱。第2题正确率也仅为36%，可见学生在基本定律的掌握上，相对其他基本概念薄弱。从各题的得分情况，可以发现不管是哪道题目，只要是在近期学习的课程中有相关涉及，学生便会在相关题目的得分情况上有所提高，学生自身缺乏深入研究、理解并掌握“力学”基本概念，往往只是记住考试要求涉及的内容，而不会多问一句为什么，做题时缺乏整体的思考与分析，往往凭印象选择。从中，我们可以看出大部分学生对“力学”基本概念的掌握只停留在临时记忆层面上，并不是真正地理解与掌握。2.4.3大学、中学基础概念正确率分析表5、大学、中学力学基本概念正确率范围大学（第1、4、5、8、9题）中学（第2、3、6、7、10、11题）正确率37%42%数据分析：中学力学基本概念掌握情况比大学力学基本概念掌握情况更好，正确率更高。由于学生对初高中力学知识已有所掌握，大学力学基本概念是在高中力学的基础上再深入分析，对质点动力学、质点运动学、机械能守恒方面有重复性，因此，在涉及已经学过的中学知识时，学生会重复记忆。因此，学生对中学力学基本概念掌握更好。大学“力学”教学中，对质点动力学，质点运动学等相关知识点更为侧重讲解，而对相对论、连续体力学等知识点则较少涉及，因此学生对大学“力学”新的基本概念的掌握不够（如相对论）。中学期间，对“力学基本”概念的掌握了解，经过多年的题海战术，逐渐地巩固与记忆，而大学的“力学”基本概念的掌握，学生只通过课堂的教学，课外并没有真正自己深入理解与巩固，因此对中学“力学”基本概念的掌握比大学“力学”基本概念掌握好。大学“力学”基本概念更抽象，更不易学生理解与掌握，范围也相对中学“力学”基本概念更广，涉及了除基础力学在外的其他力学分支，包括电动力学、理论力学、量子力学等。因此，学生掌握起来更为费劲，相对中学“力学”基本概念掌握情况较差。大学对“力学”基本概念的掌握，更多学生仅局限于一本教科书，一些课后习题，作业量的大幅减少，因此对大学“力学”新的基本概念掌握并不够扎实，（如相对论的基本概念）学生在大学学习“力学”过程中，由于中学“力学”基本概念掌握程度不同，对大学“力学”学习不少同学存在“炒冷饭”的重复感，在加上没有课业压力，教学管理相对中学放松得多，学生自觉性降低，对自身要求也降低，对大学“力学”基本概念的掌握，更多的学生仅利用期末考接近的几天，将考试要点临时记忆，没有真正地去理解与掌握，因此这也是大学“力学”基本概念掌握情况比中学“力学”基本概念掌握情况偏低的原因。调查启示与思考由于各方面原因，高师物理相关专业学生对“力学”基本概念的掌握情况更多局限于了解、记忆层面，许多学生对“力学”基本概念掌握仍较为薄弱，特别是对大学“力学”中相对论等较为抽象的基本概念的掌握。为此，为提高高师物理相关专业学生对“力学“基本概念的掌握，结合访谈结果及学生的测试问卷，提出以下几点建议。对“力学”教学的侧重点，进行合理分配，针对高中已学过的力学知识，采取适当补充的方式，对基本概念可以以填空、选择的方式，或让学生自主回答，帮助学生进一步掌握所学的基础理论知识。对连续体力学等“力学”基本概念，不应全部摒弃，应该选择重要的基本概念进行讲解，帮助学生建立相关基本知识点。重视基本概念、基础知识、基本内容的教与学，加强师生互动，更多地让学生参与课堂教学活动。［2］大学“力学”教学中，对中学相关“力学”基本概念的深化，应注意方法，防止学生对知识有重复感，觉得在炒“冷饭”。注重培养学生分析问题、解决问题的能力，增加相关基本概念的习题，帮助学生进一步巩固基本概念。强调物理思想，对“力学”中涉及理论力学教学，教师应该建立起理论力学和基础力学两者之间的区别和联系，将基础力学的基本概念教学与理论力学基本概念教学相结合［4］。教学过程中，借助于多媒体等工具，通过多种途径帮助学生建立力学基本概念。对教材的选择应较有针对性，课堂教学不仅局限于一本教材，更应结合更多的“力学”前沿概念，扩宽学生的知识面，对基本概念进行升华。加强初高中“力学”基本概念掌握，切实做到理解加应用。积极参与课堂活动，开拓思维，勇于提问与质疑，在讨论与交流中巩固对基本概念的理解。提高对自身的要求，不仅从课堂上获取相关的“力学”基本概念的知识，而且要丰富自己的阅读面，通过阅读各种教材来提升对基本概念的理解。作为物理学师范生，对“力学”基本概念的掌握，应该回归到中学“力学”基本概念，在学习大学“力学”基本概念过程中，与中学“力学”基本概念进行对比、补充，将大学知识扩展到中学的物理教学中。参考文献：［1］赵凯华,罗蔚茵．新概念物理教程力学（第二版）[M]．高等教育出版社,2004．［2］赖建华．《力学》教学中一个值得注意的问题——消除学生对教材的“重复感”[J]．萍乡高等专科学校（自然科学版）,1994年．［3］柴英,张冰．大学物理中力学部分教学浅论[J]．新疆教育学院学报,1996年．［4］王其申,程绪和,徐英勋,等．高师物理专业力学课程改革——普通物理力学和理论力学打通教学的实践与思考[J]．安庆师范学院学报(自然科学版),2006年5月．［5］王贺清．谈大一力学与中学力学的衔接问题[J]．冀东学刊,1994年第5期．［6］刘晓芬．中学物理力学的教学法讨论[J]．理论研讨,2010年10月．［7］熊万杰．电动力学教学的调查研究[J]．华南农业大学理学,2001年．［8］管靖,刘文彪．理论力学简明教程[M]．科学出版社,2008年．［9］郭硕鸿．电动力学[M]．高等教育出版社,2008年．AStudyoftheMasteryoftheBasicconceptsofmechanicsinPhysicsstudentsCollegeofPhysicsandOptoElectronic-InformationalTechnologyPhysicsAbstract;ThisstudythroughtheformofquestionnairesandinterviewstosurveythemasteryofthebasicconceptsofmechanicsinphysicsstudentsineachgradeofFujianNormalUniversity,Theresultsshowthat:Thesituationofgraspingthebasicconceptisnotoptimistic.Andcombinedwithphysicsmechanicscurriculum,FujianNormalUniversity,Mechanicalarrangementsforteachingandstudentlearningfocus.Forthereformofteachingmechanicsreference.Keywords:physics;mechanics;basicconcepts;masyery（附录）高师物理相关专业学生“力学”基本概念掌握情况调查研究——测试问卷您好！我是福建师范大学物光学院物理学专业的学生，为了解高师物理相关专业学生“力学”基本概念掌握情况，特做此调查问卷，并为提高学生“力学”基本概念掌握情况的教学提供有力的依据。希望借用您几分钟时间，回答以下几题。此问卷将作为教学研究用，绝不向外透露，真心感谢您的合作！专业：年级：性别：请从下列选项中选出正确的选项（不定向，答案可能一个或多个），每题6分，多选或选错不得分，少选得3分。下面4种说法，正确的是（）物体的加速度越大，速度就越大作直线运动的物体，加速度越来越小，速度也越来越小切向加速度为正时，质点运动加快法向加速度越大，质点运动的法向速度变化越快2、下列对牛顿第二定律表达式F=ma及其变形公式的理解，正确的是（）A、由F=ma可知，物体所受的合外力与物体的质量成正比，与物体的加速度成正比B、由m=F/a可知，物体的质量与其所受合外力成正比，与其运动加速度成反比C、由a=F/m可知，物体的加速度与其所受合外力成正比，与其质量成反比D、由m=F/a可知，物体的质量可以通过测量它的加速度和它受到的合外力而求得如右图所示，一轻弹簧一端固定于O点，另一端系一重物，将重物从与悬点O在同一水平面且弹簧保持原长的A点无初速度释放，让它自由摆下，不计空气阻力，则在重物由A点摆向最低点B的过程中（）A、弹簧与重物的总机械能守恒B、弹簧的弹性势能增加C、重物的机械能不变4、关于惯性力的说法正确的是（）A、惯性力是在形式上引入的“假想的”力B、惯性力是两物体间的相互作用力C