將前沿科技成果引入大學(xué)物理教學(xué)中促進(jìn)應(yīng)用型人才科學(xué)素養(yǎng)

塔力哈爾·夏依木拉提　尚志勇

摘 要：大學(xué)物理不僅服務(wù)于專業(yè)課學(xué)習(xí)的需要，更重要的是培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，進(jìn)而推動(dòng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。因此如何讓大學(xué)生適應(yīng)科技的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，是我們新時(shí)代教師必須考慮的問題。本文中講述了如何將前沿科技成果引入大學(xué)物理教學(xué)中，提高學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的興趣和積極性，培養(yǎng)新時(shí)代大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理 前沿科技成果 科學(xué)素養(yǎng)

引言

大學(xué)物理作為工科類專業(yè)的公共基礎(chǔ)課多年來總是百年不變的老面孔的感覺。大學(xué)學(xué)生也往往覺得大學(xué)物理和中學(xué)物理很多重復(fù)，除了微積分的應(yīng)用外沒有什么新意，因而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。這代大學(xué)生是新時(shí)代的大學(xué)生，是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢(mèng)的主力軍?，F(xiàn)代高新技術(shù)的快速發(fā)展，大學(xué)生不斷面臨著科學(xué)知識(shí)和概念的老化，落后的威脅。這些直接影響創(chuàng)新型，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)和發(fā)展。因此如何讓大學(xué)生在學(xué)習(xí)和以后的事業(yè)發(fā)展中適應(yīng)科技的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，是我們新時(shí)代教師必須考慮的問題。本文中作為新工科院校的教學(xué)科研型青年教師，講述了如何將前沿科技成果引入大學(xué)物理教學(xué)中，提高學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的興趣和積極性，培養(yǎng)新時(shí)代大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)的一些體會(huì)和思考。[1]

一、教學(xué)內(nèi)容與前沿科技成果聯(lián)系，為學(xué)生打開相關(guān)前沿課題窗口

力學(xué)，熱學(xué)，電磁學(xué)在大學(xué)物理中基本是傳統(tǒng)的，成熟的教學(xué)內(nèi)容，這些經(jīng)典內(nèi)容仍然是學(xué)習(xí)大學(xué)物理中最重要的基礎(chǔ)。問題是我們?nèi)绾斡矛F(xiàn)代的視角去重新組織教學(xué)內(nèi)容，如何正確的，頗有新意的講授傳統(tǒng)經(jīng)典物理內(nèi)容的重要性和意義。因此教學(xué)中我們盡可能采用前沿科技成果的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的思路講解。比如講述運(yùn)動(dòng)學(xué)方程時(shí)，我們可以適當(dāng)提及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的重要性?？梢院?jiǎn)單給他們介紹牛頓力學(xué)外的其他運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，如拉格朗日方程，薛定諤方程等。教學(xué)中還要適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)需求引入現(xiàn)代物理的概念，比如，講述熱力學(xué)時(shí)，引入量子統(tǒng)計(jì)的概念，這樣可以深入地展示一些金屬中的自由電子氣、白矮星與中子星等前沿課題。又比如講述能量守恒及轉(zhuǎn)化定律時(shí)，我們可以講述能源的重要性，談?wù)撔履茉撮_發(fā)和應(yīng)用的意義。講述相對(duì)論時(shí)，相對(duì)論在GPS（全球定位系統(tǒng)）中的應(yīng)用。這些不僅可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，而且促使他們學(xué)習(xí)的積極性和新知識(shí)的渴望。總之，教師在教學(xué)過程中主動(dòng)去把近現(xiàn)代前沿科技成果與大學(xué)物理的內(nèi)容聯(lián)系在一起，在講清概念，打好基礎(chǔ)的條件下，向現(xiàn)代跨一步，可以有許多前沿課題的窗口呈現(xiàn)在眼前。在此過程中，目的不是為了將深刻或讓學(xué)生覺得多么深?yuàn)W，而是讓學(xué)生從中獲得新的知識(shí)，開闊他們的眼界，啟迪他們的思維。畢竟大學(xué)物理這樣的基礎(chǔ)課的任務(wù)不僅是為后面的專業(yè)課的需求，更重要的是培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。[2]

二、讓大學(xué)生接觸前沿科研和精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提高學(xué)生對(duì)科研的積極性和自信心

通過開放高校研究所或重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的方式，不僅培養(yǎng)大學(xué)生的前沿科研的理解，提高科研素養(yǎng)，并且為他們進(jìn)一步深造打好基礎(chǔ)。近年來，通過開放實(shí)驗(yàn)室的方式，我們重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為一部分動(dòng)手能強(qiáng)，對(duì)科研濃厚的興趣的學(xué)生開放我們的實(shí)驗(yàn)室，讓他們接觸前沿科研設(shè)備，通過引導(dǎo)，示范，讓他們熟悉說明書，再示范，最后讓他們充分掌握實(shí)驗(yàn)儀器操作，使他們建立足夠的自信心。在我們實(shí)驗(yàn)室，首先，教師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生先去參觀實(shí)驗(yàn)室，介紹主要儀器，并說明儀器的結(jié)構(gòu)以及用途。之后，讓學(xué)生看儀器使用說明書。等看完說明書，再次回到實(shí)驗(yàn)室老師給他們現(xiàn)場(chǎng)操作操作，示范，要求學(xué)生記筆記。最后，讓學(xué)生結(jié)合老師的具體操作和儀器說明書，寫出儀器使用手冊(cè)或儀器操作步驟。這過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)，并且避免儀器由于誤操作而引起的不必要的損壞。在以上培養(yǎng)過程中，我們將選擇一些具備獨(dú)立思考能力，對(duì)科研濃厚興趣的學(xué)生，讓他們加入到教師的科研項(xiàng)目，系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的科研能力。

三、讓學(xué)生知道要看的遠(yuǎn)，先要“站在巨人的肩膀上”，前沿科技成果也是如此

有時(shí)候老師可以從歷史的背景和時(shí)間的順序來講，讓他們知道電場(chǎng)，磁場(chǎng)，電子等物理書上常見的名詞，其實(shí)一代一代科學(xué)家艱苦的努力，從無到有的努力鉆研，堅(jiān)持不懈的發(fā)現(xiàn)過程。比如，第二次工業(yè)革命的一系列發(fā)明，到1866年德國制成第一個(gè)發(fā)電機(jī)到70年代的實(shí)際應(yīng)用，都離不開一代一代科學(xué)家的堅(jiān)持不懈的努力。這些發(fā)明和重大發(fā)現(xiàn)讓人類進(jìn)入到 “電氣時(shí)代”。因此我們?cè)谥v述電磁學(xué)的交流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的原理之前，我們可以給學(xué)生講述在1820年前，人們一直認(rèn)為電與磁是分開的兩個(gè)領(lǐng)域，是單獨(dú)孤立的。而奧斯特的實(shí)驗(yàn)，把電和磁統(tǒng)一起來，使人類第一次認(rèn)識(shí)到電和磁的聯(lián)系。之后法拉第，安培等科學(xué)家繼續(xù)發(fā)展電磁學(xué)，最終到交流發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的原理。講述現(xiàn)代交流發(fā)電機(jī)的發(fā)明是一個(gè)個(gè)科學(xué)家不斷地努力的成果?？此坪?jiǎn)單的奧斯特實(shí)驗(yàn)，花了奧斯特10幾年的時(shí)間。法拉第又花10多年時(shí)間提出電磁感應(yīng)定律。因此，我們想掌握交流發(fā)電機(jī)原理，必須從最基本的知識(shí)開始，這就是我們站在巨人的肩膀上的真正意義。講述相對(duì)論和量子力學(xué)同樣講述歷史背影，20世紀(jì)這兩個(gè)偉大的物理學(xué)理論產(chǎn)生的必然性。在這樣的教學(xué)中，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了人文知識(shí)，還體會(huì)到科學(xué)思路，培養(yǎng)了學(xué)生提出問題，解決問題的能力，最終潛移默化的提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。讓學(xué)生明白你覺得枯燥，辛苦的學(xué)習(xí)過程，就是爬山的經(jīng)歷。爬山不容易，需要堅(jiān)持，耐得住寂寞。但當(dāng)你爬到高出能看到原來山腳下看不到的美景。爬的越高越艱難，一起爬山的人也越來越少，但是你堅(jiān)持爬到另一個(gè)高處，又看到另一個(gè)美景。[3]

四、通過其它多種有效途徑培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

1.積極開展學(xué)術(shù)講座

大學(xué)是人才的培養(yǎng)基地，而講座則是學(xué)生獲得多方面信息的重要途徑之一。學(xué)術(shù)講座使大學(xué)生開拓視野，發(fā)掘科學(xué)興趣，并能夠廣泛涉及各種前沿學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)提升大學(xué)生知識(shí)面，提升他們的科學(xué)素養(yǎng)具有不可替代的作用。

2.培養(yǎng)學(xué)生通過數(shù)據(jù)庫主動(dòng)找問題和答案的能力

帶領(lǐng)本科學(xué)生盡早接觸Scopus，Web of science等數(shù)據(jù)庫，使他們有機(jī)會(huì)接觸第一手資料，教會(huì)他們跟蹤一個(gè)研究領(lǐng)域的能力。通過數(shù)據(jù)庫的簡(jiǎn)介，可以提高學(xué)生主動(dòng)探索提問，尋找答案的能力，樹立科研意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)教育。學(xué)生通過查詢、了解最新的自己專業(yè)相關(guān)的研究進(jìn)展，運(yùn)用領(lǐng)域。學(xué)生還可以了解該領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀、和存在的問題。

3.積極發(fā)展大學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)科技項(xiàng)目

為了培養(yǎng)和提高大學(xué)生科技創(chuàng)新意識(shí)和能力需要發(fā)展大學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)科技項(xiàng)目。鼓勵(lì)大學(xué)生積極參創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)科技項(xiàng)目，這不但可以幫助大學(xué)生加深對(duì)課堂知識(shí)的理解，而且更有助于培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而提高科學(xué)素養(yǎng)。對(duì)選題合理、可行的大學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)科技項(xiàng)目予以資助，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)建科研團(tuán)隊(duì)，指導(dǎo)大學(xué)學(xué)生將創(chuàng)意落到實(shí)處，積極提高他們對(duì)創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)科技項(xiàng)目的積極性，這對(duì)大學(xué)學(xué)生形成初步的科學(xué)素養(yǎng)尤為重要。

4.教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器與本科課程設(shè)計(jì)

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往遇到，為了使儀器更便于使用，需要改進(jìn)或優(yōu)化。因此完全可以把本科課程設(shè)計(jì)中加入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器優(yōu)化或演示實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。如：在我們實(shí)驗(yàn)室老式的三線扭擺的周期通過秒表來測(cè)量，這不僅麻煩，而且誤差較大。后來，我們通過指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)儀器，加入紅外線自動(dòng)計(jì)數(shù)器電路，大大提高了測(cè)量精度。在這過程中，學(xué)生不僅完全掌握了儀器的結(jié)構(gòu)和原理，而且提高了學(xué)生敢于創(chuàng)新，主動(dòng)思考的科學(xué)素養(yǎng)。

綜上所述，本文概略介紹了關(guān)于將前沿科技成果引入大學(xué)物理教學(xué)，促進(jìn)應(yīng)用型人才的科學(xué)素養(yǎng)的一些想法，作為拋磚引玉。大學(xué)物理不僅服務(wù)于專業(yè)課學(xué)習(xí)的需要，更重要的是培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，推動(dòng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。我們希望在大學(xué)時(shí)期，大學(xué)物理教學(xué)能在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，研究問題的能力方面有一個(gè)良好的開端。

參考文獻(xiàn)

[1]羅蔚茵，鄭慶璋.基礎(chǔ)物理教學(xué)問題選講[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]鄭慶璋，羅蔚茵.GPS的相對(duì)論修正[J].物理通報(bào)，2011（8）：6-8.

[3]人民教育出版社歷史室.世界近代現(xiàn)代史[M].河南省：人民教育出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介

塔力哈爾·夏依木拉提（1981.10—），理學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事敏感材料與器件研究和物理學(xué)教學(xué)工作。

通訊作者

尚志勇（1980.12—），工學(xué)博士，副教授，主要從事力學(xué)與材料強(qiáng)度和物理學(xué)教學(xué)工作。