初探“卓越計劃”下的大學物理教學

李文勝 張 琴 黃海銘

（湖北汽車工業(yè)學院理學系，湖北 十堰 442002）

2010年6月啟動的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要》的重大改革項目.此計劃對培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導作用.為順利實施“卓越計劃”，作為工科院校主要基礎(chǔ)課程的大學物理理應(yīng)有所作為.因此，如何根據(jù)“卓越計劃”的宗旨，依照高質(zhì)量工程技術(shù)人才的內(nèi)涵和學院各自的特點開展大學物理教學，是我們所面臨的一個嶄新的任務(wù).

1 教學中注重對學生人文素質(zhì)的培養(yǎng)

20 世紀初的學術(shù)巨匠，是一批學貫中西的人；21 世紀的大師，將出自那些文理兼通的人［1］.顯然，高質(zhì)量工程技術(shù)人才首先應(yīng)有較高的人文素養(yǎng).因此作為大學基礎(chǔ)課程的大學物理，在注重培養(yǎng)學生科學素質(zhì)的同時也應(yīng)該兼顧對學生人文素質(zhì)的培養(yǎng).然而，人文素質(zhì)的內(nèi)涵十分豐富，它包含行為規(guī)范和道德情操兩個層次，在大學物理教學中不可能也不必顧及上述兩個層次的各個方面，以免喧賓奪主，牽強附會.而要依據(jù)大學物理教學的內(nèi)容和特點，因勢利導把對學生人文素質(zhì)的培養(yǎng)滲透到整個教學中，做到潤物無聲，取得實效.為此，我們作了以下嘗試.

1.1 不失時機對學生進行優(yōu)秀傳統(tǒng)文化熏陶

我國優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化豐富厚重，是對學生進行人文素質(zhì)教育的絕好的素材.在大學物理教學中，不忘對學生進行優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的熏陶，是筆者在“卓越計劃”試點班開展物理教學的有益嘗試.如在上緒論課時，除講述有關(guān)內(nèi)容外，還和學生一起討論《論語》中的“凡事豫則立，不豫則廢.言前定，則不跲；事前定，則不困；行前定，則不疚；道前定，則不窮.”的現(xiàn)實意義，告誡學生要盡早樹立明確的學習目的，作好學業(yè)規(guī)劃；在講授動量定理時，除講授基本理論外，還強調(diào)積累的作用，并結(jié)合荀子《勸學篇》中的“騏驥一躍，不能十步；駑馬十駕，功在不舍.鍥而舍之，朽木不折；鍥而不舍，金石可鏤.”的有關(guān)內(nèi)容.告知學生在學習上要善于“積跬步以成千里”，較好地完成自己的學業(yè).在講授熱力學第二定律和熵增原理時，把熵增原理和我國道教學說的創(chuàng)始人老子的“治人、事天，莫若嗇.”［2］的“嗇”思想結(jié)合起來，告訴學生為人處世的基本準則.既使學生切實認識到了我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化強大的生命力，也讓他們深刻體會到了自然科學中所包含的深厚的人文底蘊；在講授混沌中的“蝴蝶效應(yīng)”時，除給學生介紹混沌和“蝴蝶效應(yīng)”的有關(guān)知識外，還著重強調(diào)“蝴蝶效應(yīng)”對我們?nèi)松砷L的指導意義，幫助學生從中吸取知識以外的精神營養(yǎng)，告訴學生在日常的生活中要從大處著眼，小處著手，規(guī)范自己的行為舉止，注意修身養(yǎng)性，防微杜漸，“不以善小而不為，不以惡小而為之”，以指導他們逐步成為一個高尚的人；當學生學習遇到困難時，我們就給他們講《中庸》中：“人一能之，己百之；人十能之，己千之.果能此道矣，雖愚必明，雖柔必強.”的道理，以幫助其找到克服困難的勇氣和方法.通過以上嘗試，取得了較好的效果，正如“卓越計劃”試點班的同學所說，上這樣的物理課，不僅學到了相應(yīng)的物理知識，還使我們看到了我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的強大生命力及其對我們健康成長的滋養(yǎng)作用.

1.2 利用物理學史培養(yǎng)學生良好的意志品德

從某種意義上講，意志品德是人文素質(zhì)的重要內(nèi)涵之一，因此良好的意志品德是高質(zhì)量人才不可或缺的重要因素.況且現(xiàn)代社會競爭越來越激烈，學生畢業(yè)后的就業(yè)壓力也有增無減，他們所承受的壓力也越來越大，這對他們的意志品德是一個不小的考驗.而現(xiàn)在的大學生絕大多數(shù)都是從學校到學校，大都沒有經(jīng)受過什么磨礪，有些學生的意志還相當脆弱，從某種意義上講這也是他們?nèi)宋乃刭|(zhì)方面的缺憾.而物理學上的古圣先哲們，為了物理學的發(fā)展而百折不撓，孜孜追求的大量史實，正是在大學物理教學中對學生進行意志品德培養(yǎng)的良好素材.

居里夫人為研究物質(zhì)的放射性，歷時4年，艱苦卓絕，先后試驗5670余次，熬干瀝青8噸多，最終得到氯化鐳0.12g［3］，其堅韌不拔的意志可歌可泣；愛因斯坦從提出“追光佯謬”到完成狹義相對論的十余年間，殫精竭慮，終成開創(chuàng)物理學新紀元的長篇論文《論動體的電動力學》［4］，其鍥而不舍的精神可敬可嘆；邁克耳孫等物理學先哲們?yōu)閷で笠蕴?，先后實?9年（從1881—1930年），足跡遍及歐美大地，雖無果而終［5］，但其愚公移山的精神依然可圈可點.這樣的事例還有很多.在大學物理教學中，根據(jù)教學內(nèi)容適時加入這樣的物理學史，既可以讓學生們看到有關(guān)理論創(chuàng)立的曲折歷程和物理學前輩們?yōu)閯?chuàng)立這些理論所付出的艱苦努力，更可以對學生的意志品德起到很好的潛移默化的教育作用.

2 在大學物理教學中引入數(shù)值計算

隨著時代的發(fā)展，計算機越來越普及，利用計算機處理實際工程問題是高質(zhì)量工程技術(shù)人才的基本素質(zhì).為了奠定學生利用計算機處理實際問題能力的基礎(chǔ)，筆者在大學物理教學中適當引入數(shù)值計算，取得了良好的效果.

2.1 利用數(shù)值計算整合教學內(nèi)容

在大學物理教材中，有些內(nèi)容大綱要求不高，但棄之不妥，講之又得不償失.而利用數(shù)值計算的方法講授，可以收到事半功倍的效果.如機械振動中的阻尼振動、受迫振動和共振等內(nèi)容，在實際教學中筆者是這樣處理的.先引導學生對“單擺”模型在最一般的情況（存在阻力和周期性外力）下進行受力分析，從而建立其微分方程并寫出其解的迭代形式.最后利用C語言編程求解，把分別代表阻尼大小、周期性外力特征的參數(shù)取不同的值，程序運行后即可得到對應(yīng)的簡諧振動、小阻尼、過阻尼、臨界阻尼、受迫振動、共振等情況.圖1為阻尼振動的3種情況.

圖1 阻尼振動的3種情況

2.2 利用數(shù)值計算模擬有關(guān)物理現(xiàn)象

教學內(nèi)容中有些物理現(xiàn)象如平拋、斜拋運動、機械振動中的兩垂直振動的疊加、光學中的圓偏振光等都是動態(tài)的，如果用傳統(tǒng)的粉筆加黑板講授，往往事倍功半，而利用數(shù)值計算，并進行計算機模擬，則可以收到良好的效果.具體方法是對所討論的問題先建立相應(yīng)的模型，并用C語言編程，讓學生選擇不同的參數(shù)，看參數(shù)對輸出結(jié)果的影響.

圖2 “百發(fā)百中”問題

如在講解斜拋運動時就選擇了所謂“百發(fā)百中”的問題，如圖2所示.程序在課堂上運行前，讓學生選擇參數(shù)V0，s，h，θ，并驗證當V0＞滿足時，便可“百發(fā)百中”.在講解兩不同頻率的諧振動垂直疊加而成的李薩如圖形時，也是讓學生選擇兩個諧振動的頻率，從而根據(jù)輸出結(jié)果，驗證兩頻率ωx、ωy和兩切點數(shù)Nx、Ny（Nx、Ny分別為水平和垂直方向切線的切點數(shù)）之間的所滿足的關(guān)系.并通過選擇兩諧振動之間的初相位差，可以畫出教材中所給出的李薩如圖形.通過這樣的講授方法，生動有趣，特別是學生的參與，活躍了課堂氣氛，增強了師生間的互動，加深了學生對有關(guān)內(nèi)容的理解.

2.3 利用數(shù)值計算講授有關(guān)物理概念

有些物理概念比較抽象，學生理解存在困難，而利用數(shù)值計算，可以使抽象的概念形象化.如在講授振動中的“拍”時，就利用C程序，按“拍”形成的條件：兩個振動方向相同，頻率較大，但頻率差較小的諧振動的疊加進行模擬，從而形象地表示出振幅隨時間呈周期性變化的所謂“拍”現(xiàn)象.在講授駐波中的“波腹”、“波節(jié)”時，就模擬兩個頻率相同、振幅相同、傳播方向相反的諧波的疊加，如圖3所示.圖3給出的是駐波某時刻的靜態(tài)圖，真正課堂上的輸出結(jié)果是一隨時間變化的圖像.在變化過程中，教室的所有學生都可以清楚地看到，在圖像的變化過程中，有些點（“波節(jié)”）始終不動，而有些點（“波腹”）其振幅有最大值.這種生動形像的圖形給講授有關(guān)概念帶來了極大的方便.

圖3 駐波的形成及“波節(jié)”“波腹”

2.4 利用數(shù)值解解決一些比較復(fù)雜的計算

教學中有些方程無法求其解析解，有些函數(shù)計算不易，如講授混沌時遇到的非線性方程，講授光柵單縫、衍射時的超越方程等，而利用數(shù)值計算不難解決這類問題.如對于非線性方程先推導出其數(shù)值解的形式，然后編程求解.圖4給出了兩個初始條件稍有差別的非線性方程解的結(jié)果.利用此圖可以很方便地講解混沌中的特 有 現(xiàn) 象 “蝴 蝶 效應(yīng)”——非 線 性 方 程 的解對初始條件的敏感性.

圖4 非線性方程的輸出結(jié)果

把數(shù)值計算引入大學物理教學，整合了有關(guān)教學內(nèi)容，提高了教學效率.特別是數(shù)值計算的引入，打破了解析解在教材中的一統(tǒng)天下，給低年級學生展示了一種全新的計算方法.這對他們利用計算機處理實際問題的興趣和能力的培養(yǎng)，具有不可低估的作用.

3 在大學物理教學中注重理論聯(lián)系實際

為激發(fā)學生的學習興趣，我們在大學物理教學中，注意把前沿科學成果引入課堂，理論聯(lián)系實際.如在講授自然界的4種相互作用時，我們就介紹了2004年諾貝爾物理獎的“漸近自由”理論；在講授摩擦力時講解了摩擦焊接；如在講授剛體轉(zhuǎn)動時，結(jié)合角動量定律，講解打擊中心和網(wǎng)球運動中要注意的問題及“網(wǎng)球肘”的成因；講授熱力學時介紹空氣能熱水器的原理；在講授電磁感應(yīng)時，介紹電磁爐原理；在講授光的干涉時，介紹了用干涉條紋變化監(jiān)測大壩、橋梁安全的方法及原理；在講授光柵衍射時就介紹了相控陣雷達的原理及其特點；在講授黑體輻射時，介紹了紅外探測及隱身…….這些舉措既開闊了學生的視野，又使學生看到了物理理論的具體應(yīng)用，還為培養(yǎng)他們擴展、遷移知識的能力奠定了良好的基礎(chǔ).

此外，在教學方法上，根據(jù)教學的進程，筆者先后采取了啟發(fā)式、引導式、討論式和探究式.

首先，依據(jù)大學物理教學大綱、教材、學生專業(yè)與其人才培養(yǎng)特點以及學生實際水平和認知規(guī)律，對教學內(nèi)容進行適當?shù)恼{(diào)整，第一學期大學物理的內(nèi)容以經(jīng)典為主，學生對此部分物理理論及規(guī)律較為熟悉.因此，學習的側(cè)重點則放在建立物理模型和高等數(shù)學的應(yīng)用上.在實際上課過程中，主要采用了啟發(fā)式教學方法.

物理模型建立起來后，指導學生對模型進行研究，引導其找出模型的特點、需要用哪些物理量來進行描述，然后從各方面討論其性質(zhì)與物理規(guī)律，該階段主要采用了引導式教學方法.

經(jīng)過一個學期的學習，學生已有了一定的建立物理模型和利用高等數(shù)學處理物理問題的能力.第二學期將學習的側(cè)重點放在將物理理論知識聯(lián)系實際案例、提高學生的科學研究能力、語言表達能力方面.在實際授課過程中，此階段主要采用了討論式、探究式教學方法.在教學后期，還特意安排了學生展示，讓學生宣讀物理結(jié)業(yè)論文.在教學的全過程，我們始終注重師生互動，讓學生積極參與到教學之中.

4 結(jié)論

為使大學物理課程更好地服務(wù)于“卓越計劃”，根據(jù)高質(zhì)量工程技術(shù)人才的基本內(nèi)涵，對大學物理的教學進行了有益的探索.在教學中注重對學生人文素質(zhì)的培養(yǎng)，奠定了他們成才的基礎(chǔ)；數(shù)值計算的引入，初步培養(yǎng)了作為高質(zhì)量工程技術(shù)人才所必需的利用計算機處理實際問題的能力；在教學中理論聯(lián)系實際，既讓學生看到了物理知識在實際中的具體應(yīng)用，又激發(fā)了他們學習物理的興趣，還為培養(yǎng)其擴展、遷移知識的能力奠定了良好的基礎(chǔ).相應(yīng)教學方法的改革，注重了學生參與、師生互動.大學是人才的搖籃，教書育人是高等教育永恒的主題.如何以課程為載體，把教書育人落到實處，需要我們不斷地研究探索.

［1］倪光炯，王炎森.物理與文化［M］.北京：高等教育出版社，2010：21－23.

［2］老聃.老子［M］.太原：山西古籍出版社，2003：87.

［3］周遠清，季羨林.中國大學人文啟示錄（第三卷）［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999：88.

［4］周遠清，季羨林.中國大學人文啟示錄（第三卷）［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999：79.

［5］北京物理學會.《物理學史》專題講座匯編［M］.北京：高等教育出版社，1983：217.