物理學拓展課程提升學生綜合素質

王曉鷗 孟慶鑫 張伶莉 侯春風 宋 杰 宮德維 霍 雷 張 宇 趙 遠

(哈爾濱工業(yè)大學物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)

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物理學拓展課程提升學生綜合素質

王曉鷗 孟慶鑫 張伶莉 侯春風 宋 杰 宮德維 霍 雷 張 宇 趙 遠

(哈爾濱工業(yè)大學物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)

在大學物理課程教學中，受到學時及自身體系的限制，教師很難將物理學的前沿問題、最新發(fā)展以及對其他學科的影響更多地傳授給學生，這在一定程度上影響了學生綜合素質的提升.本文通過“改變世界的物理學”課程的教學實踐介紹物理學拓展課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)以及在提升學生綜合素質中的作用.

物理學拓展;綜合素質;物理學思維方法

學生綜合素質的提升有賴于知識面是否廣泛、思維方法是否正確.物理學對提升學生的綜合素質起到不可替代的作用,這是因為在物理學發(fā)展過程中的每一次重大突破不僅帶來物理學新領域、新方向以及交叉學科和新技術學科的崛起,而且改變了人們的思維方式.“物理學為科學進步和發(fā)明的利用，提供所需訓練有素的人才；物理學在培養(yǎng)化學家、工程師、計算機科學家，以及其他物理科學和生物醫(yī)學科學工作者的教育中，是一個重要的組成部分”[1].物理學的思維方法在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中也發(fā)揮著重要作用[2].

但受到大學物理課程學時及自身體系的限制，教師很難將物理學的前沿問題、物理學的最新發(fā)展以及對其他學科的影響更多地傳授給學生，這在一定程度上影響了學生對物理學重要性的認識，也影響了學生學習物理的興趣.所以有必要開設物理學拓展課程，將大學物理課程中涉獵不到的前沿問題、與其他專業(yè)融合、滲透以及物理學思維方法對高新技術發(fā)展的推動作用介紹給學生.

我校于2004年秋季學期嘗試以“改變世界的物理學”為題為本科生開設了全校任選的物理學拓展課程.自開課以來，一直受到學生們的喜愛，平均每年的選課人數(shù)在200人左右，選課人數(shù)位于全校公共選修課前列.“改變世界的物理學”課程榮獲了2008年哈爾濱工業(yè)大學優(yōu)秀課程稱號.本文基于“改變世界物理學”課程的教學理念和教學實踐介紹物理學拓展課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)以及在提升學生綜合素質中的作用.

1 教學理念

提倡學科交融，淡化專業(yè)、強調綜合素質教育，注重不同學科、不同專業(yè)領域之間相互了解、相互滲透和融合.挖掘創(chuàng)新潛質，激發(fā)創(chuàng)造精神，提升學生的綜合素質.

2 教學實踐

本課程的特點是物理學的成就與其他專業(yè)融合、滲透以及如何推動高新技術的發(fā)展.下面，我們就教學內(nèi)容的選擇、具體教學實例兩方面分別介紹.

2.1 教學內(nèi)容的選擇

本課程總學時數(shù)為30學時.基于學時數(shù)的限制和課程特點，在教學內(nèi)容的選擇上我們重點選擇物理學的重大研究成果、最新發(fā)展動態(tài)、物理學在現(xiàn)代高新技術中的應用、物理學與其他學科之間的關系，以及能啟發(fā)學生的科學思維、能激發(fā)學生創(chuàng)新能力的內(nèi)容，如:

(1)諾貝爾物理學獎獲獎領域的物理學基礎知識以及對高科技的作用和對社會發(fā)展的影響.如2007 年諾貝爾物理學獎頒給了分別獨立發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應的法國科學家阿爾貝·費爾(Albert Fert)和德國科學家彼得·格林貝格爾(Peter Grünberg)，由此介紹了“巨磁電阻”效應的原理及其所產(chǎn)生的社會價值.

(2)物理學與其他學科之間的聯(lián)系與交融.如物理學為生物學提供新的思想、理論和概念.量子力學創(chuàng)始人之一薛定諤在他的《生命是什么？》一書中指出[3]:對生物學的一些基本問題，可用物理學概念，以精確的措詞進行思考，并提出了遺傳的物質基礎是有機分子，遺傳是以密碼的形式通過染色體來傳遞的.這里薛定諤引入了“遺傳密碼”的概念，作為解釋遺傳信息的物理基礎.薛定諤還提出:生命體系中存在量子躍遷現(xiàn)象，X射線照射可以引起遺傳的突變.DNA的發(fā)現(xiàn)證實了薛定諤的深刻洞察力和科學預見性，生命以量子規(guī)律為基礎,使生物學從定性描述推向定量研究，為分子生物學奠定了主要的理論基石.

2.2 教學實例

本課程共分為10講，每講一個專題，如世界為什么變化這么快、原子的威力、信息時代的存儲技術、物理學與材料科學、從物理學角度詮釋生命，等等.以第一講“世界為什么變化這么快”為例作簡要介紹.本講主要介紹物理學對社會經(jīng)濟發(fā)展所起的促進作用以及物理學對高新科技發(fā)展的影響，讓學生重新認識物理學對社會發(fā)展的重要作用.如:

1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎.1958年，貝爾實驗室的湯斯和肖洛發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象:當他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強光.由此他們提出了“激光原理”:受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源.1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器,獲得了人類有史以來的第一束激光.激光的出現(xiàn)帶動了多學科的發(fā)展，如量子光學、量子電子學、激光光譜學、非線性光學、集成光學、海洋光學等等.這里只列舉一些與日常生活相關的激光應用科學的發(fā)展.如激光加工，激光的亮度比照射到地球表面的太陽光高千萬億倍，經(jīng)光學系統(tǒng)聚集，能使材料瞬間熔化，可用做多種機械加工；還利用激光極好的相干性，做精密光刻，制造納米材料等.此外，激光使光導纖維成為現(xiàn)代通信技術的新寵，激光醫(yī)學、激光準直、激光表面質量檢測等必將改變我們生活的方方面面.

學生從中了解到物理學不僅僅只是概念、原理，它與我們的生活息息相關，是各科技領域發(fā)展的重要基石.如06104班的何亦蕊同學說:“……與相關學科的聯(lián)系使我們更加深刻地領悟到了哲學中的“事物是相互聯(lián)系的，運動的，不是孤立存在的”.其中還涉及了我的專業(yè)——電氣，讓我了解到一些它的歷史，更重要的了解到它未來可能會向哪個方向發(fā)展，這對學生來說是很重要的；…….”

3 學生綜合素質的提升

本課程從拓展知識基礎、挖掘創(chuàng)新潛質等方面提升學生的綜合素質.

3.1 拓展知識基礎

本課程以物理學的基本原理及物理學的新發(fā)展為基礎，融物理學知識和高新技術前沿應用為一體，引導學生了解學科前沿和新成果、新趨勢、新信息，擴大知識面、開闊眼界，使學生能站在更高的層次上學習科學知識.

例如，我們處在信息時代，對信息的掌握是成功的關鍵，這涉及信息的存儲、傳遞、保密等問題，我們在課堂上介紹了用光學方法、量子力學方法處理信息技術以及發(fā)展前景，拓展了學生的視野.通過學習學生體會到“……作為學生，我們學習的內(nèi)容更多的是理論，對于研究的動向和應用知之甚少，這門課讓我開闊了眼界，了解了大師們做出物理發(fā)現(xiàn)的過程，擴展了思路，增長了興趣，對以后的學習很有幫助……”.

3.2 強化素質教育

從物理學家們在研究過程中的一些小故事以及他們的人格魅力入手，介紹科學家們在科學探索過程中放棄個人名利追求全人類的利益等一個個事例，培養(yǎng)學生不僅具有科學探索精神，還應具備強烈的社會責任感.

學生通過學習很有感觸:“……在您講課后，我拜讀了費米的傳記，他的學習精神、做事的嚴謹、生活的積極性、對事業(yè)的執(zhí)著，都在激勵著我，盡管我不想成為費米，但是那種態(tài)度是可以學習的……”.

3.3 提倡學科交融

我們嘗試了讓學生聯(lián)系所學專業(yè)，從物理概念、物理學原理的角度闡述、整理所學專業(yè)的規(guī)律及內(nèi)涵.如08級國際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的孫雪梅同學結合愛因斯坦質能關系式E=mc2將“……質量m與能量E比作兩種貨幣m和E，原先認為不能相互兌換，愛因斯坦發(fā)現(xiàn):E是流通貨幣，m是存款，兩者可以兌換，兌換率是c2……”；08級國際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的張明明同學則從機械波的角度闡述價值規(guī)律:“……價格圍繞價值上下波動是價值規(guī)律的表現(xiàn)形式，它的圖形表示就如同波動曲線，如圖1所示.但無論怎么波動，都不會過分偏離價值這條中心線，這不僅不會擾亂經(jīng)濟秩序，還會有效地調動市場向正確的方向發(fā)展.……應用這條規(guī)律更好地服務于我們的經(jīng)濟生活.”

圖1 價格—價值曲線圖

3.4 挖掘創(chuàng)新潛質

授人以漁，以知識為載體，介紹物理學前沿課題的研究方法以及物理學家們的創(chuàng)造性思維，啟迪學生的智慧，培養(yǎng)科學的思維方法，挖掘創(chuàng)新潛質，激發(fā)創(chuàng)造精神.正如學生所講“……我們將來必將挑起推動科技發(fā)展的重擔，要有所作為，掌握現(xiàn)在的知識固然重要，但更重要的則是具備科學思維方法，具有創(chuàng)造力，……”.讓學生了解物理學知識在各學科領域中的重要作用，了解物理學與各學科之間的交集、聯(lián)系，以及物理學對創(chuàng)新性研究的催生作用，就是給學生提供創(chuàng)新能力在思維上的儲備.

4 學生反饋

經(jīng)過10年多的教學實踐，學生對這種知識拓展課程是認可的.以下摘錄了部分學生聽課后的體會及感想:

物理系的高磊同學:“……‘改變世界的物理學’一課的開設，不但有利于人文專業(yè)的學生學到科學知識，學到科學思維方法，培養(yǎng)科學素質，即使理工科學生，也能在廣泛了解當今各種高新科技方面培養(yǎng)廣泛視野.以我為例，作為應用物理系的學生，大學兩年多來所學的都是一些基礎理論，在課堂上很少涉及到當代科技的發(fā)展，理論如何應用于實際，而且學習的完全是幾百年經(jīng)過無數(shù)科學家總結的正確的指示，從中看不到科學家們是如何研究問題，科學家們的思維方法，科學前進中的曲折.而后者恰恰是我們應該掌握的，我們將來必將挑起推動科技發(fā)展的重擔，要有所作為.掌握現(xiàn)在的知識固然重要，但更重要的則是具備科學思維方法，具有創(chuàng)造力，具有探索科學的不怕挫折、鍥而不舍的精神，而這些，在此課程中都有很好的體現(xiàn).…… 正是通過‘改變世界的物理學’這門課，我們學到了很多的知識，同時也思考了很多問題.”

航天學院自動控制科學與工程系的李志奇同學:“……我們專業(yè)本身涉及的領域比較多，一個自動控制系統(tǒng)往往與機、電、光等方面都有聯(lián)系.選修這門課的目的是為了多了解一下現(xiàn)代物理學的最新發(fā)展，以備將來用在與自己專業(yè)有關的領域中，在課程即將結束時，我認為我基本達到了預先的目標.如，在講授物理與光學這一專題時，老師提到了全光開關這一技術.我覺得如果全光開關真能開發(fā)成功，它在自動控制領域的應用前景是很廣闊的.……相信隨著我對本專業(yè)的進一步了解，更多的物理知識會與本專業(yè)知識相聯(lián)系.”

航天學院自動化的國光躍同學:“我認為‘改變世界的物理學’是一門很有意義的選修課.我和周圍的同學對現(xiàn)代物理的前沿發(fā)展，現(xiàn)代科學的尖端運用都抱有很大的興趣.可是我們往往要面對繁重的課業(yè)負擔和考試就業(yè)的巨大壓力，沒有專門的時間和機會體會物理學的奇妙奧秘.同時，物理學也不是通俗易懂的休閑小說，草草瀏覽完畢，頭腦里還是一片空白.如果有圖文并茂的學習材料，再加上老師不失時機的點撥，那該有多好！這門選修課的開設，適時地解決了這個矛盾.……”

5 結語

通過10年多的教學實踐及從學生的反饋情況看，在大學里開設物理學拓展課程是非常有必要的.首先，拓展了學生的知識面、開闊了眼界，提升了學生認識問題的廣度；其次，物理學前沿課題的研究方法以及物理學家們的創(chuàng)造性思維，可啟迪學生的智慧，培養(yǎng)學生科學的思維方法，挖掘創(chuàng)新潛質，激發(fā)創(chuàng)造精神.其三，讓學生了解物理學知識在各學科領域中的重要作用，了解物理學與各學科之間的交集、聯(lián)系，以及物理學對創(chuàng)新性研究的催生作用，可激發(fā)學生的創(chuàng)新欲望，從而提升我國自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的數(shù)量與品質；其四，使學生能站在更高的層次上學習科學知識，促進學生的全面發(fā)展，為培養(yǎng)具有良好的科學素質和創(chuàng)新能力的人才打基礎.

[1] 第23屆國際純粹物理和國際應用物理聯(lián)合會(IUPAP)代表大會通過決議五物理學對社會的重要性.物理與工程(原名工科物理)，1999,9(5):7.

[2] 吳世永，曲亮生，李慧，等.大學物理蘊含的科學思維方法在實戰(zhàn)訓練中的體現(xiàn)[J].物理與工程，2014，24(5):59-61.

[3] 薛定諤.生命是什么[M].2版.羅來鷗，羅遼復譯.長沙： 湖南科學技術出版社，2011.

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PHYSICS CURRICULUM DEVELOPMENT PROMOTES STUDENT’S COMPREHENSIVE QUALITY

Wang Xiaoou Meng Qingxin Zhang Lingli Hou ChunfengSong Jie Gong Dewei Huo Lei Zhang Yu Zhao Yuan

(Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150001)

Restricted by the teaching hours and systems,in the teaching of university physics courses,teachers can hardly initiate frontier physics problems,its recent development and its influence on other subjects to students,which affects the improvement of students’ comprehensive quality to some extent.This paper introduces the role of physics curriculum development in the cultivation of innovative talents and improving students’ comprehensive quality through the teaching practice of the course “physics changes the world”.

physics development;comprehensive quality;thinking methods of physics

2015-02-04

黑龍江省教育科學“十二五”規(guī)劃2012年度省重點課題(課題編號:JJB1212030)和2014年黑龍江省高等教育科學研究重點課題(課題編號:14Z001)資助.

王曉鷗，女，博士，教授，主要從事光學非線性的研究及大學物理的教學工作.wxo@hit.edu.cn