應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程體系改革與教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合研究

彭勇宜

摘要：本文基于目前應(yīng)用物理專業(yè)課程體系僵化，教學(xué)內(nèi)容陳舊重復(fù)等問題，依據(jù)應(yīng)用物理專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出了課程體系改革，優(yōu)化重整教學(xué)內(nèi)容的必要性，原則和具體思路。將原有普通物理和理論物理課程優(yōu)化整合為力學(xué)理論、熱物理學(xué)、電磁理論、近代物理學(xué)，并對整合后專業(yè)課程開設(shè)順序和時間作出了合理安排。課程體系改革和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合能大大縮減課時，提高教學(xué)效益，突出應(yīng)用物理的專業(yè)特點(diǎn)，為培養(yǎng)合格的應(yīng)用物理復(fù)合人才提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用物理；課程體系；教學(xué)內(nèi)容；優(yōu)化整合

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0040-02

一、前言

物理學(xué)的基本原理滲透在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域，被稱為自然哲學(xué)，已成為相關(guān)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和源泉。應(yīng)用物理專業(yè)是一個以物理學(xué)為基礎(chǔ)，以“應(yīng)用物理”為核心和特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)將物理學(xué)知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的專業(yè)，以培養(yǎng)既有一定物理理論知識，又有一定實(shí)驗(yàn)技能與工程技術(shù)的理工復(fù)合型人才為目標(biāo)的專業(yè)[1]。可是目前許多高校的應(yīng)用物理專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)，其培養(yǎng)質(zhì)量令人堪憂，其中最迫切最重要的是應(yīng)該對應(yīng)用物理專業(yè)課程體系進(jìn)行大力合理改革，對其傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重整。

二、應(yīng)用物理專業(yè)課程體系改革和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化重整的必要性和緊迫性

2007年2月17日教育部下發(fā)了《教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》。其中強(qiáng)調(diào)要深化教學(xué)內(nèi)容改革，建立與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相適應(yīng)的課程體系，要根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和科技進(jìn)步的需要，及時更新教學(xué)內(nèi)容，將新知識、新理論和新技術(shù)充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，為學(xué)生提供符合時代需要的課程體系和教學(xué)內(nèi)容。要采取各種措施，通過推進(jìn)學(xué)分制、降低必修課比例、加選修課比例、減少課堂講授時數(shù)等，增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和空間，拓寬學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生個性發(fā)展。

目前的應(yīng)用物理課程體系仍然主要由普通物理課程（包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)）、理論物理課程（包括理論力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)）以及固體物理學(xué)構(gòu)成。應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生經(jīng)過高中物理、普通物理和理論物理的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)許多課程內(nèi)容重復(fù)出現(xiàn)，以至于相當(dāng)一部分人認(rèn)為沒有多大差別，只是所用數(shù)學(xué)工具不同罷了，“高中用△，普物用d，理物用”，這充分反映了應(yīng)用物理專業(yè)主干課程體系和教學(xué)內(nèi)容存在的嚴(yán)重問題[2]。即當(dāng)今的應(yīng)用物理專業(yè)課程體系和教學(xué)內(nèi)容仍沒有跳出傳統(tǒng)物理學(xué)專業(yè)和物理教育專業(yè)的框架，課程體系僵化，過分強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)化”、“邏輯化”，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)和理論物理課程內(nèi)容重復(fù)而陳舊、占用課時過多。沒有體現(xiàn)物理世界的發(fā)展性，現(xiàn)代性、統(tǒng)一性以及各學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系、相互交叉、相互滲透。普遍存在“重經(jīng)典、輕現(xiàn)代、重理論、輕應(yīng)用”的弊端，反映現(xiàn)代科學(xué)和高新技術(shù)發(fā)展成果的課程和教學(xué)內(nèi)容太少，應(yīng)用物理專業(yè)的“應(yīng)用”特色體現(xiàn)不明顯，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、理論和實(shí)際相結(jié)合的能力較差，無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用物理專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)[3，4]。

“知識爆炸”時代，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中的作用越來越大，同時也產(chǎn)生了許多新興學(xué)科。教學(xué)內(nèi)容和課程體系是人才培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)模式的載體，是教育思想和教育觀念的直接體現(xiàn)，是提高人才培養(yǎng)效率和質(zhì)量的決定性因素[5]。因此培養(yǎng)應(yīng)用物理專業(yè)人才的教學(xué)內(nèi)容和課程體系理應(yīng)滿足新時期科技、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求，所以改革現(xiàn)有課程體系，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效益已勢在必行，刻不容緩。

三、課程體系改革和教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合原則

課程體系的設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容的選取要符合教學(xué)規(guī)律，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，由現(xiàn)象到本質(zhì)，由簡單到復(fù)雜，同時注意到自然界是普遍聯(lián)系的，不人為割裂自然科學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系，理論和原理是經(jīng)典的，但應(yīng)用要是現(xiàn)代的，按照“少而精”的原則，對傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容實(shí)行量的精選、壓縮與質(zhì)的提高。對現(xiàn)有的普通物理（包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)）和理論物理（包括理論力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)）進(jìn)行優(yōu)化整合，絕不搞簡單縮減，重新設(shè)置課程體系，并對課程開設(shè)順序和時間做出科學(xué)合理的安排，同時注入現(xiàn)代化的教學(xué)內(nèi)容，將近代物理和科技發(fā)展的最新成果納入新的課程體系和教學(xué)內(nèi)容，及時反映科學(xué)技術(shù)研究的新成果，使學(xué)生及時了解學(xué)科發(fā)展前沿的新成就、新觀點(diǎn)、新動向?？s減傳統(tǒng)課程門數(shù)及學(xué)時數(shù)，以便增開其它應(yīng)用物理課程及學(xué)時數(shù)。

四、課程體系改革思路和優(yōu)化整合的教學(xué)內(nèi)容

1.力學(xué)和理論力學(xué)優(yōu)化整合成力學(xué)理論。如今許多應(yīng)用物理專業(yè)第一學(xué)期就開設(shè)普通物理課程力學(xué)，到第五或第六學(xué)期再開設(shè)理論力學(xué)，而理論力學(xué)前面相當(dāng)大一部分是和力學(xué)內(nèi)容重復(fù)的，如質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)、質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)組運(yùn)動學(xué)、質(zhì)點(diǎn)組力學(xué)、剛體力學(xué)等內(nèi)容重復(fù)量大，這不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣，且浪費(fèi)了很大一部分教學(xué)課時。同時力學(xué)課程要求采用微積分、矢量分析、微分方程等高等數(shù)學(xué)知識研究處理“變”的物理問題，這和學(xué)生剛開始接觸高等數(shù)學(xué)知識相矛盾，教師在授課時不得不降低要求講解，造成學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)理論性強(qiáng)的理論力學(xué)的難度增大，教學(xué)效果降低。因此打破原有力學(xué)和理論力學(xué)界限，將它們優(yōu)化重組成力學(xué)理論課程，刪除牛頓力學(xué)重復(fù)部分，去除相對論部分，將這部分移到電磁理論中講解，力學(xué)理論安排到大學(xué)第二學(xué)期開設(shè)，這時學(xué)生們的高等數(shù)學(xué)工具應(yīng)用較為熟練，已具備了處理“變”問題的科學(xué)思維方法和能力，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。精簡、優(yōu)化整合后的力學(xué)理論包括：質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、非慣性系力學(xué)、振動與波、連續(xù)體力學(xué)、虛功原理、拉格朗日方程、哈密頓正則方程、哈密頓原理、泊松括號與泊松定理、正則變換、哈密頓-雅可比理論、非線性力學(xué)簡介。力學(xué)理論課程既包括牛頓力學(xué)，又包括分析力學(xué)，將研究力學(xué)問題的方法有機(jī)辯證地聯(lián)系起來，物理概念清晰準(zhǔn)確，理論體系簡潔明了，兼顧了經(jīng)典與現(xiàn)代、基礎(chǔ)與前沿內(nèi)容，為后續(xù)理論課程的學(xué)習(xí)構(gòu)筑了橋梁和基礎(chǔ)。

2.熱學(xué)和熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)優(yōu)化整合成熱物理學(xué)。據(jù)統(tǒng)計，熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)中的熱力學(xué)部分和統(tǒng)計物理學(xué)部分分別占總內(nèi)容的46%和54%。熱學(xué)課程中的熱力學(xué)定律部分和熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)中熱力學(xué)部分內(nèi)容（溫度與平衡態(tài)、物態(tài)方程、熱力學(xué)第一定律、功、熱容量與焓、理想氣體、熱力學(xué)第二定律、熵、卡諾定理等）重復(fù)率高達(dá)1/3[6]。在分子動理論和經(jīng)典統(tǒng)計部分也有重復(fù)，如麥克斯韋速率分布律和速度分布律、玻耳茲曼分布律、能量按自由度均分定理、氣體內(nèi)的輸運(yùn)過程，所以將熱力學(xué)部分與熱學(xué)中的重復(fù)部分刪除，將這兩門課程進(jìn)行優(yōu)化整合，可以縮減約1/3的課時。優(yōu)化整合的主要思想是貫穿從宏觀到微觀，從單個質(zhì)點(diǎn)到大數(shù)量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)這一線索。在熱學(xué)部分介紹經(jīng)典熱學(xué)、熱學(xué)最新動態(tài)、熱學(xué)在新科技中的應(yīng)用，統(tǒng)計物理學(xué)部分以系綜理論為主線，融宏觀與微觀理論于一體，立足于微觀量子理論，從等幾率原理出發(fā)，循序漸進(jìn)地闡明統(tǒng)計物理學(xué)理論，運(yùn)用統(tǒng)計物理學(xué)理論導(dǎo)出熱力學(xué)基本定律，將統(tǒng)計物理學(xué)概念與宏觀熱現(xiàn)象相聯(lián)系和對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱現(xiàn)象的宏觀理論與微觀理論的有機(jī)融合。優(yōu)化整合后的熱物理學(xué)內(nèi)容包括：熱力學(xué)第零定律與溫度、狀態(tài)方程、氣體分子運(yùn)動論的基本概念、氣體分子熱運(yùn)動速率和能量的統(tǒng)計分布率、氣體輸運(yùn)過程、功、熱量、熱力學(xué)第一定律與內(nèi)能、熱力學(xué)第二定律與熵、固體和液體、相變、統(tǒng)計物理學(xué)基本原理、孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、熱力學(xué)函數(shù)及其應(yīng)用、氣體性質(zhì)、開放系統(tǒng)、量子統(tǒng)計理論、漲落理論、非平衡態(tài)統(tǒng)計物理。

3.電磁學(xué)和電動力學(xué)優(yōu)化整合為電磁理論。電磁學(xué)和電動力學(xué)都是研究電磁場基本性質(zhì)、運(yùn)動規(guī)律及其與帶電物質(zhì)之間的相互作用。電磁學(xué)側(cè)重于電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，從對電磁現(xiàn)象的研究中歸納出電磁學(xué)的基本規(guī)律，而電動力學(xué)側(cè)重于理論研究，以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)，研究靜態(tài)、時變態(tài)條件下電磁場的空間分布和運(yùn)動變化規(guī)律，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等問題?？紤]到電磁學(xué)與電動力學(xué)在內(nèi)容上是相互統(tǒng)一，相互滲透的，可以將它們優(yōu)化整合成電磁理論課程，將電磁學(xué)與電動力學(xué)的內(nèi)容適當(dāng)貫通，既分層次，又平滑過渡，避免不必要的重復(fù)。具體如下：由庫侖定律引出電場、電場強(qiáng)度的定義，電通量、高斯定理及場強(qiáng)的計算，由電場力作功的特點(diǎn)引出環(huán)路定理、電勢、電勢的計算；由畢奧-薩伐爾定律引出穩(wěn)恒磁場的計算、環(huán)流和旋度、散度；由電場強(qiáng)度與電勢的關(guān)系引出真空中的泊松方程與拉普拉斯方程；介紹介質(zhì)的電磁性質(zhì)、場與介質(zhì)的相互作用、靜電場邊值關(guān)系與唯一性定理，運(yùn)用泊松方程與拉普拉斯方程計算真空與介質(zhì)中的場強(qiáng)與電荷分布，介紹靜電場分離變量法、鏡像法；由穩(wěn)恒電流導(dǎo)出靜磁場，由電場中的標(biāo)勢引出矢勢、磁標(biāo)勢；對電磁感應(yīng)、麥克斯韋方程組、電磁波輻射與傳播、狹義相對論均單獨(dú)設(shè)章節(jié)介紹。對超導(dǎo)、等離子體、巨磁電阻等做簡要介紹，豐富理論與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，電路和交流電內(nèi)容放電工學(xué)課程中講解。

4.原子物理學(xué)和量子力學(xué)優(yōu)化整合為近代物理學(xué)。原子物理學(xué)側(cè)重于原子光譜實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋、物理思想和物理模型的建立，量子力學(xué)是在對原子光譜研究的基礎(chǔ)上發(fā)展建立起來的理論體系，側(cè)重于微觀本質(zhì)，理論性強(qiáng)。原子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究促進(jìn)量子力學(xué)的不斷發(fā)展，它們聯(lián)系緊密，相互促進(jìn)，其研究對象存在重復(fù)，導(dǎo)致目前許多原子物理學(xué)教材中的量子力學(xué)導(dǎo)論部分內(nèi)容和量子力學(xué)教材存在大量重復(fù)，如玻爾氫原子理論、波粒二象性、不確定性原理、波函數(shù)及其統(tǒng)計解釋、薛定諤方程、平均值計算、氫原子薛定諤方程解、康普頓散射效應(yīng)、堿金屬原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)、塞曼效應(yīng)等。因此必須對這兩門課程進(jìn)行優(yōu)化整合，形成新的知識結(jié)構(gòu)體系，其思路是：通過對原子現(xiàn)象的發(fā)掘，引出其量子力學(xué)的理論本質(zhì)，同時通過量子力學(xué)理論的建立和運(yùn)用，來研究原子等微觀體系的特性。優(yōu)化整合后的基本內(nèi)容為：經(jīng)典物理遇到的困難、玻爾氫原子理論、狀態(tài)與薛定諤方程、力學(xué)量與算符、中心力場、電磁場中粒子的運(yùn)動、矩陣力學(xué)、微擾理論、電子自旋、多電子原子、外場中的原子、多體問題、分子結(jié)構(gòu)和能譜、散射。這樣優(yōu)化整合后課程所需學(xué)時會比優(yōu)化整合前大大減少。

五、整合后專業(yè)課程的開設(shè)時間安排

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和規(guī)律、應(yīng)用物理專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)，優(yōu)化整合后的課程開設(shè)順序可以這樣安排：大學(xué)一年級注重增加高等數(shù)學(xué)教學(xué)課時，將高等數(shù)學(xué)進(jìn)度盡量前推，大學(xué)第二學(xué)期開設(shè)力學(xué)理論、第三學(xué)期開設(shè)光學(xué)和電磁理論，同時開設(shè)數(shù)學(xué)物理方法為后續(xù)課程做好準(zhǔn)備，第四學(xué)期開設(shè)近代物理學(xué)，第五（或四）學(xué)期開設(shè)熱物理。這樣的調(diào)整安排能留出更多時間來開設(shè)其他應(yīng)用物理專業(yè)課程，有利于學(xué)生的就業(yè)或繼續(xù)深造。

六、教學(xué)改革的預(yù)期效果

1.重構(gòu)應(yīng)用物理主干課程體系，避免了基礎(chǔ)課程和理論課程教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，縮減課程科目，節(jié)省大量課時，將會大大提高教學(xué)效率。為應(yīng)用物理課程的開設(shè)、選修課的開設(shè)及學(xué)生的個性化發(fā)展提供了時間條件，突出了應(yīng)用物理、技術(shù)課程的地位和專業(yè)特色。

2.為應(yīng)用物理培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)合格的應(yīng)用物理人才提供了可靠保障，課程體系的改革和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化重整適應(yīng)和滿足社會發(fā)展和科技前沿的需求。教學(xué)內(nèi)容富有現(xiàn)代性，開放性，滲透新的教學(xué)內(nèi)容和思想，使應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)生在理論與實(shí)踐技術(shù)方面具有復(fù)合型的知識結(jié)構(gòu)，為他們今后的創(chuàng)新發(fā)展提供堅實(shí)基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：中南大學(xué)第七批教學(xué)改革暨課程體系改革專題項(xiàng)目