面向拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)模式改革
——以大學(xué)物理課程為例*

李 紅 楊新建

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

一、序言

基礎(chǔ)學(xué)科是國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的源泉、先導(dǎo)和后盾，基礎(chǔ)學(xué)科人才特別是拔尖人才是國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略力量，培養(yǎng)基礎(chǔ)學(xué)科拔尖人才是高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重大戰(zhàn)略任務(wù)［1］。 2009 年，教育部聯(lián)合中組部及財(cái)政部啟動(dòng)實(shí)施“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃”。 入選高校和非入選的一些高水平研究型大學(xué)紛紛響應(yīng)，積極探索，在拔尖學(xué)生遴選、管理機(jī)制、培養(yǎng)方式、師資配備、教育資源支持［2］以及加強(qiáng)國(guó)際化培養(yǎng)等方面初步形成了一套有效機(jī)制［3-5］。 中國(guó)石油大學(xué)（華東）（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┳鳛橹袊?guó)特色能源領(lǐng)域一流大學(xué)也做了有益的嘗試，創(chuàng)建具有引領(lǐng)性的“理科實(shí)驗(yàn)班”、本碩博縱向貫通的“本研一體班”，培養(yǎng)具有石油大學(xué)特色的高層次拔尖創(chuàng)新人才。

為進(jìn)一步拓展范圍與創(chuàng)新模式，2018 年，教育部發(fā)布的《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》中指出，通過(guò)教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，要因課制宜選擇課堂教學(xué)方式方法，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量。 隨后，教育部等六部門在發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃2.0 的意見(jiàn)》中進(jìn)一步指出：“開展研究性教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生參與科研項(xiàng)目訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生自主深度學(xué)習(xí)、建構(gòu)知識(shí)體系、形成多維能力?！保?］兩個(gè)文件的相繼出臺(tái)為充分發(fā)揮教師隊(duì)伍“主力軍”、課堂教學(xué)“主渠道”作用提供了明確的指導(dǎo)意見(jiàn)，許多高校的一線教師積極投身拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，大膽進(jìn)行教學(xué)改革，總結(jié)性的研究成果也隨之不斷涌現(xiàn)［7-10］。 其中關(guān)于物理學(xué)科的研究非常薄弱，已報(bào)道的僅有少數(shù)的幾篇文章，例如，吳少平等［11］關(guān)于華中師范大學(xué)物理學(xué)院英才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐，鄭海榮等［12］關(guān)于“量子力學(xué)”課程面向拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教材編寫創(chuàng)新與實(shí)踐。 鑒于此，筆者在多年大學(xué)物理課程教學(xué)改革實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合本教研組在“理科實(shí)驗(yàn)班”和“本研一體班”進(jìn)行的“數(shù)字化”教學(xué)探索，提出了“學(xué)思相濟(jì)、知行合一、全程育人”教學(xué)理念下的課程教學(xué)新模式（見(jiàn)圖1）：課堂采用融入課程思政的啟發(fā)式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了從“教”到“學(xué)”的轉(zhuǎn)變；課外采用計(jì)算機(jī)輔助的研究性學(xué)習(xí)模式，實(shí)現(xiàn)了從“學(xué)”到“研”的跨越。

圖1 “學(xué)思相濟(jì)、知行合一、全程育人”教學(xué)理念下的課程教學(xué)新模式

二、融入課程思政的啟發(fā)式課堂教學(xué)

（一）大學(xué)物理課程思政教育實(shí)施策略

課程思政是將思政教育融入各類課程教學(xué)的全過(guò)程中，深刻挖掘課程和教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，實(shí)現(xiàn)“各門課程都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)”［13］。 課程思政是課程發(fā)揮育人功能的重要途徑，也是基礎(chǔ)學(xué)科課程培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的必然之需和應(yīng)然之舉。 物理學(xué)作為研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動(dòng)形式、相互作用及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的自然科學(xué)［14］，所蘊(yùn)含的科學(xué)世界觀、認(rèn)識(shí)論和方法論，深刻影響著人類對(duì)物質(zhì)世界的基本認(rèn)識(shí)、人類的思維方式和社會(huì)生活，是人類文明發(fā)展的重要基石［15］。 以物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)為內(nèi)容的大學(xué)物理課程，是理工科類大學(xué)開設(shè)的一門重要的公共基礎(chǔ)課，因?qū)W時(shí)長(zhǎng)、思政資源豐富、育人面廣，對(duì)于創(chuàng)新拔尖人才的科學(xué)素質(zhì)和人文情懷培養(yǎng)具有其他課程無(wú)可比擬的重要地位。 大學(xué)物理課程實(shí)施思政教育要如鹽在水，有味無(wú)痕，于潛移默化中啟智潤(rùn)心、培根鑄魂。

1. 充分展現(xiàn)知識(shí)體系中蘊(yùn)含的科學(xué)世界觀、方法論和審美觀

首先，物理概念、公式、定理、定律、實(shí)驗(yàn)、理想化模型本身都飽含深邃的哲學(xué)思想和科學(xué)美感。2006 年，教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)印發(fā)的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中規(guī)定，大學(xué)物理課程必須包括：力學(xué)、振動(dòng)和波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、狹義相對(duì)論力學(xué)基礎(chǔ)、量子物理基礎(chǔ)、分子與固體、核物理與粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)，共十篇內(nèi)容。 可見(jiàn)，大學(xué)物理含有豐富的知識(shí)體系，其中體現(xiàn)的馬克思主義哲學(xué)思想主要有：唯物辯證法中“質(zhì)量互變規(guī)律”、“普遍聯(lián)系的觀點(diǎn)”和“矛盾的辯證統(tǒng)一”；辯證唯物論中“世界的物質(zhì)統(tǒng)一性”和“物質(zhì)存在的多樣性”原理；辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論中“理論與實(shí)踐的辯證關(guān)系”和“認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的不斷反復(fù)和無(wú)限發(fā)展的原理”。 例如，狹義相對(duì)論中的質(zhì)量膨脹、動(dòng)尺收縮、動(dòng)鐘變慢效應(yīng)，體現(xiàn)了量變引起質(zhì)變的哲學(xué)思想。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了辯證唯物主義的運(yùn)動(dòng)觀。 麥克斯韋方程組在體現(xiàn)電與磁辯證統(tǒng)一哲學(xué)思想的同時(shí)，也展現(xiàn)了物理規(guī)律的高雅對(duì)稱之美；愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程在體現(xiàn)質(zhì)量與能量辯證統(tǒng)一哲學(xué)思想的同時(shí)，也展現(xiàn)了物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔明快之美；德布羅意物質(zhì)波在體現(xiàn)波與粒子辯證統(tǒng)一哲學(xué)思想的同時(shí)，也展現(xiàn)了物理規(guī)律的和諧統(tǒng)一之美。 “簡(jiǎn)單、對(duì)稱、和諧、統(tǒng)一”既是物理學(xué)的美學(xué)特征，也是物理學(xué)家的美學(xué)追求。

其次，物理概念、定理、定律的提出和建立過(guò)程含有豐富的科學(xué)研究方法和創(chuàng)新思維。 由于物理學(xué)的基本理論是人類在認(rèn)識(shí)和改造世界的實(shí)踐過(guò)程中逐步形成的，因此，涵蓋的物理概念和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展過(guò)程本身就是創(chuàng)新過(guò)程，積淀的物理思想與方法主要有：實(shí)驗(yàn)觀察、分析、綜合、演繹、歸納、科學(xué)抽象、類比聯(lián)想、建立模型、理想實(shí)驗(yàn)等。 比如，伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)奠定了牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，愛(ài)因斯坦“假如追上一束光”“被閃電擊中的火車”等的理想實(shí)驗(yàn)是狹義相對(duì)論的基石。 庫(kù)侖定律是在將電荷間相互作用力與質(zhì)點(diǎn)間的萬(wàn)有引力作類比的基礎(chǔ)上，經(jīng)庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)研究后提出的；實(shí)物粒子的波粒二象性是德布羅意通過(guò)類比光子提出的假設(shè)。 理想氣體狀態(tài)方程、熱力學(xué)第一定律都是實(shí)驗(yàn)結(jié)論，理想氣體壓強(qiáng)和溫度公式、氣體速率分布律、能量按自由度均分定理體現(xiàn)了克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼等物理學(xué)家通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法從歸納的角度認(rèn)識(shí)世界的思維。

2. 充分展現(xiàn)物理學(xué)史中蘊(yùn)含的科學(xué)精神、家國(guó)情懷和哲學(xué)思想

首先，以偉大的物理學(xué)家為榜樣。 物理學(xué)有著悠久的歷史，為物理學(xué)發(fā)展做出偉大貢獻(xiàn)的科學(xué)家不計(jì)其數(shù)，他們都具有實(shí)事求是的科學(xué)精神、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、追求真理的勇氣和刻苦鉆研的作風(fēng)，卻又各有各的特點(diǎn)，起著不同的垂范作用。 比如愛(ài)因斯坦，理論物理學(xué)家，一生熱愛(ài)和平，對(duì)中國(guó)幫助很大；法拉第，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，自學(xué)成才，非常熱愛(ài)科學(xué)普及工作；高斯，享有數(shù)學(xué)王子的美譽(yù)，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，只把他認(rèn)為已經(jīng)成熟的理論發(fā)表出來(lái)；鄧稼先，兩彈元?jiǎng)?，有著濃厚的家?guó)情懷，畢其一生為祖國(guó)做出了杰出的貢獻(xiàn)。

其次，以有趣的物理學(xué)史事為鑒。 物理學(xué)史上沒(méi)有小事件，但卻從來(lái)不乏小意外，細(xì)細(xì)品味，收益頗多。 比如泊松亮斑，是泊松為了反駁和嘲諷菲涅耳光的波動(dòng)理論而推算出的結(jié)論呈現(xiàn)，結(jié)果卻成了光的波動(dòng)理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 這個(gè)物理學(xué)史上的黑色幽默告誡我們：“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”“人應(yīng)該在實(shí)踐中證明自己思維的真理性，即自己思維的現(xiàn)實(shí)性和力量，亦即自己思維的此岸性?！保?6］再比如光電效應(yīng)，圍繞“光電效應(yīng)”的意外事件有兩個(gè)，一個(gè)是該效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)本身就是一個(gè)驚喜，是赫茲做驗(yàn)證電磁波存在的實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了代表光電效應(yīng)的“電火花”。 也就是說(shuō)，赫茲的實(shí)驗(yàn)一方面證明了存在電磁波，從而有力地支持了麥克斯韋的預(yù)言，為經(jīng)典電磁學(xué)這座宏偉壯觀的大廈封了頂；另一方面又在這座大廈的下面埋下了一顆炸彈。 正所謂“成也蕭何，敗也蕭何”。 第二個(gè)意外事件的主人公是密立根，為了推翻愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程和光量子假說(shuō)，歷經(jīng)10 年的艱辛實(shí)驗(yàn)，最終“這項(xiàng)工作在1914 年成了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程在很小實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)精確有效的第一次直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)”。 這兩個(gè)事件揭示了偶然性與必然性的辯證統(tǒng)一關(guān)系，在科學(xué)活動(dòng)中既要透過(guò)大量的偶然性揭示其中的必然性，也要重視預(yù)料之外的偶然性。同時(shí)也揭示了辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論中“認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的不斷反復(fù)和無(wú)限發(fā)展的原理”。

3. 充分展現(xiàn)前沿進(jìn)展中蘊(yùn)含的價(jià)值觀、國(guó)際視野和責(zé)任擔(dān)當(dāng)

首先，注重科技前沿對(duì)價(jià)值觀和責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)囊I(lǐng)作用。 科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，亦是一把雙刃劍，在造福于人類的同時(shí)，也對(duì)人類生存的自然環(huán)境和人文環(huán)境起到了破壞作用。 比如電磁波的應(yīng)用——5G 技術(shù)，該技術(shù)不僅會(huì)極大地影響人們的生活方式、世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還會(huì)在軍事等領(lǐng)域引發(fā)革命，使智能軍事作戰(zhàn)指揮成為未來(lái)主要的軍事指揮模式［17］。 因此，5G 之爭(zhēng)不僅是技術(shù)、人才、創(chuàng)新的競(jìng)爭(zhēng)，還關(guān)系到國(guó)家的核心競(jìng)爭(zhēng)力甚至關(guān)乎國(guó)家的安全［18］，這也正是美國(guó)打壓華為的原因所在。 再比如半導(dǎo)體及新材料的應(yīng)用——芯片技術(shù)，2020 年5 月15 日，美國(guó)商務(wù)部修改《出口管制條例》，欲卡住華為芯片技術(shù)的命脈。 幸運(yùn)的是，5 月22 日，北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)就研制出了性能優(yōu)于傳統(tǒng)硅基芯片的碳基芯片［19］。 信息時(shí)代，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，我國(guó)以芯片為代表的核心技術(shù)崛起之路任重而道遠(yuǎn)，通過(guò)思政教育鼓勵(lì)大學(xué)生樹立遠(yuǎn)大理想、堅(jiān)定理想信念、砥礪報(bào)國(guó)之志是大學(xué)物理課程的必然之需。

其次，用學(xué)術(shù)前沿培養(yǎng)國(guó)際視野和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。愛(ài)因斯坦曾說(shuō)：“科學(xué)絕不是也永遠(yuǎn)不會(huì)是一本寫完了的書，每一項(xiàng)重大成就都會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，任何一個(gè)發(fā)展隨著時(shí)間的推移都會(huì)出現(xiàn)新的嚴(yán)重的困難。”［20］大學(xué)物理及其他的物理類課程，雖然知識(shí)體系完整、系統(tǒng)，但仍有很多的知識(shí)在被不斷地發(fā)展，也仍有很多的未解之謎。 希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)雖然揭示了基本粒子質(zhì)量的起源，但暗物質(zhì)、暗能量依然不知所蹤。 人類雖然探測(cè)到了空間彎曲演繹出的波動(dòng)，但仍不識(shí)時(shí)空真面目。 2023 年7 月12 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、朱曉波、彭承志團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)袁驍?shù)瓤蒲腥藛T合作，“將量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由原先的24 個(gè)大幅刷新至51 個(gè)，充分展示了超導(dǎo)量子計(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性?！保?1］遺憾的是，量子糾纏的本質(zhì)尚未有人知曉。 但我們有理由相信，量子現(xiàn)象的神秘面紗終會(huì)被人類揭開。 正如愛(ài)因斯坦所言：“宇宙最不可理解之處，就是它可被理解?！蓖ㄟ^(guò)學(xué)術(shù)前沿，鼓勵(lì)學(xué)生用發(fā)展的眼光看待科學(xué)研究，胸懷祖國(guó)和世界，勇?lián)蒲兄厝?，是大學(xué)物理課程的應(yīng)然之舉。

（二）大學(xué)物理課堂教學(xué)實(shí)施策略

融入課程思政的啟發(fā)式教學(xué)，就是“引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、思考問(wèn)題，在不斷啟發(fā)中讓學(xué)生水到渠成地得出結(jié)論、解決問(wèn)題，同時(shí)寓世界觀、人生觀和價(jià)值觀引導(dǎo)于教學(xué)的全過(guò)程”。在該模式下，學(xué)生不再是知識(shí)被動(dòng)的接受者，而是知識(shí)主動(dòng)的構(gòu)建者［22］，與傳統(tǒng)的傳授式、灌輸式教學(xué)在理念上有著本質(zhì)的區(qū)別。

1. 實(shí)施思路

融入思政教育的大學(xué)物理啟發(fā)式教學(xué)思路如圖2 所示。 具體實(shí)施分為兩個(gè)階段：

圖2 融入思政教育的大學(xué)物理啟發(fā)式教學(xué)思路

首先是課前準(zhǔn)備，該階段教師需要完成4 項(xiàng)任務(wù)。 （1）根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和進(jìn)度確定學(xué)生需要學(xué)習(xí)的概念和規(guī)律以及與之對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象（自然現(xiàn)象或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）。 （2）調(diào)研科學(xué)家研究該物理現(xiàn)象的工作，包括歷史過(guò)程、現(xiàn)狀及未來(lái)展望。（3）深刻挖掘教學(xué)內(nèi)容（知識(shí)體系、學(xué)史、前沿進(jìn)展等）中所蘊(yùn)含的思政元素，并制作PPT 或錄制短視頻。 （4）精心梳理學(xué)生可能的已有知識(shí)。

其次是課堂實(shí)施，教師展示（播放視頻或?qū)嶒?yàn)演示）需要學(xué)生研究的自然現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象→引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作深度思考，提出盡可能多的“是什么”或者“為什么”的問(wèn)題→引導(dǎo)學(xué)生將提出的問(wèn)題歸類，挖掘并凝練出各類需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題→結(jié)合學(xué)生的背景知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生建立解決問(wèn)題所需的物理模型，在此基礎(chǔ)上定性解釋物理現(xiàn)象→在教師輔助下，提出新的概念，并進(jìn)一步推演出物理現(xiàn)象所遵循的定量規(guī)律→教師對(duì)比歷史上科學(xué)家的工作，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的研究成果和思想方法進(jìn)行歸納總結(jié)→教師展示（播放已融入思政元素的視頻或PPT等）研究問(wèn)題的現(xiàn)狀及未來(lái)展望→師生共同反思、感悟整堂課所囊括的科學(xué)精神和人文情懷。

2. 教學(xué)案例

現(xiàn)以“大學(xué)物理教程”中難度較大的“靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)”一節(jié)為例，詳細(xì)闡述融入思政教育的啟發(fā)式教學(xué)的具體實(shí)施過(guò)程。

首先，課前準(zhǔn)備。 學(xué)生需要學(xué)習(xí)“極化電荷、極化現(xiàn)象、極化強(qiáng)度、電介質(zhì)的極化規(guī)律”等新內(nèi)容；學(xué)生已具備“靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體”的相關(guān)知識(shí)以及電偶極子的概念；教師需要展示的物理現(xiàn)象是“電介質(zhì)對(duì)電容器電容的影響”；需要用到的演示實(shí)驗(yàn)儀器有：平行板電容器、萬(wàn)用電表、電介質(zhì)；教師精心制作完成的融入思政元素的課件或短視頻。

其次，課堂上核心教學(xué)。 教師播放實(shí)驗(yàn)視頻或操作演示實(shí)驗(yàn)→學(xué)生觀察后總結(jié)出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：平行板電容器兩極板間插入電介質(zhì)后電容增加→基于現(xiàn)象，學(xué)生提出的直觀問(wèn)題：什么是電介質(zhì)?插入電介質(zhì)后電容器的電容為什么增加? →學(xué)生利用已知：電容的定義式C=Q／U 和平行板電容器電壓的計(jì)算式U=Ed，分析得出電容增加的原因：電介質(zhì)引入后兩極板間的電場(chǎng)變?nèi)趿恕鷮W(xué)生經(jīng)深度思考，凝練出關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題：將電介質(zhì)置于靜電場(chǎng)中會(huì)怎樣? →教師引導(dǎo)學(xué)生提出“電介質(zhì)極化”的概念→進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生提出“電偶極子”模型假設(shè)，并定性地解釋極化現(xiàn)象→學(xué)生再度思考，提出定量的問(wèn)題：如何定量描述極化的程度? →教師引導(dǎo)學(xué)生提出“極化強(qiáng)度”的概念，并利用該定義推演出電介質(zhì)極化遵循的定量規(guī)律。

最后，課堂引申教學(xué)。 學(xué)史：1880 年，居里發(fā)現(xiàn)石英的壓電效應(yīng)，而石英靜電計(jì)在居里夫人發(fā)現(xiàn)放射性鐳的工作中起了重要作用［23］。 思政：居里夫婦品德高尚，他們拒絕為自己的任何發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專利，為的是讓世界上的每一個(gè)人都能夠自由地利用他們的發(fā)現(xiàn)。 現(xiàn)狀及前沿進(jìn)展：電介質(zhì)材料因其獨(dú)特且豐富的物理性質(zhì)，在傳感、通信、探測(cè)、國(guó)防等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，尤其是電介質(zhì)電容器的研發(fā)，將關(guān)系到新能源汽車的普及、5G 通訊，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［24］。 近年來(lái)，由于計(jì)算方法和設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，電介質(zhì)材料物理性能的研究進(jìn)入了全新的發(fā)展范式，我國(guó)的諸多科研人員也在這一領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)。 播放郝喜紅教授的“電介質(zhì)材料儲(chǔ)能行為研究現(xiàn)狀”視頻，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與新能源研究，培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)。 學(xué)生總結(jié)：研究電介質(zhì)極化現(xiàn)象的思路，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象—提出關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題—建立物理模型、定性解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象—提出新的概念、推演定量規(guī)律。 師生感悟：研究電介質(zhì)極化的思路恰恰是“由抽象到具體”的邏輯思維。 邏輯思維是人們揭示和描述事物本質(zhì)和規(guī)律的重要科學(xué)工具，也是拔尖創(chuàng)新人才必須養(yǎng)成的思維方法。

三、計(jì)算機(jī)輔助的研究性課外學(xué)習(xí)

計(jì)算機(jī)輔助的研究性課外學(xué)習(xí)，是筆者在試點(diǎn)班“理科實(shí)驗(yàn)班”和“本研一體班”進(jìn)行的“數(shù)字化”教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，拓展到普通班，作為學(xué)生課外學(xué)習(xí)模式的一種有益嘗試。 該學(xué)習(xí)模式需要學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自主選擇一個(gè)課題進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。 學(xué)習(xí)結(jié)果的呈現(xiàn)形式可以是：論文、論文+實(shí)物、計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬。 研究性學(xué)習(xí)能否順利開展，學(xué)生最終收獲如何，關(guān)鍵在于選擇合適的課題以及相應(yīng)的研究方法。

（一）課題來(lái)源及研究方法

研究性課外學(xué)習(xí)課題的來(lái)源，可以是教材內(nèi)容的橫向拓展，即已學(xué)知識(shí)的復(fù)雜化研究，也可以是教材內(nèi)容的縱向延伸，即已學(xué)知識(shí)的深入化研究。 根據(jù)這兩個(gè)研究方向，大學(xué)物理教材中用于研究性學(xué)習(xí)的知識(shí)可分成復(fù)雜型和抽象型兩種，與之對(duì)應(yīng)的研究方法也有兩種。

1. 抽象物理問(wèn)題的靜態(tài)模擬

該研究方法要求學(xué)生：首先，就大學(xué)物理課程中的具體知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合任課教師的科研方向，選擇確定自己感興趣的研究課題。 其次，自主查閱教師指定的參考文獻(xiàn)，掌握文獻(xiàn)中基本的研究思路和方法，設(shè)計(jì)出選題的解決思路。 在此基礎(chǔ)上，教師詳細(xì)介紹文獻(xiàn)中涉及的拓展理論和概念，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出研究課題的理論模型。 再次，學(xué)生自行運(yùn)用C 語(yǔ)言、Java、Origin 或Matlab 等計(jì)算機(jī)軟件編程，求解得到研究問(wèn)題的解析解。 最后借助所使用的軟件模擬出解析解對(duì)應(yīng)的物理圖像，結(jié)合文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析和討論。 下面以“大學(xué)物理教程”中量子力學(xué)基礎(chǔ)部分的一個(gè)課外學(xué)習(xí)案例為例加以說(shuō)明。

物理背景：實(shí)物粒子的波粒二象性是一個(gè)非常重要且抽象的量子現(xiàn)象，隧道效應(yīng)雖然體現(xiàn)了該性質(zhì)，但目前筆者所在的學(xué)校并沒(méi)有相應(yīng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)。

知識(shí)拓展與思考：利用微觀粒子隧道效應(yīng)的典型器件就是超導(dǎo)隧道結(jié)，即含有超導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，俗稱“三明治”結(jié)構(gòu)。 超導(dǎo)隧道結(jié)可以是“超導(dǎo)層+絕緣層+超導(dǎo)層”結(jié)構(gòu)，也可以是“正常金屬層+絕緣層+超導(dǎo)層”結(jié)構(gòu)，等等諸如此類。當(dāng)中間的絕緣層比較薄時(shí)，電流可以經(jīng)過(guò)絕緣層從一側(cè)的超導(dǎo)層（或者正常金屬層）到達(dá)另一側(cè)的超導(dǎo)層，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)隧道效應(yīng)。 BCS 理論給出：超導(dǎo)體的導(dǎo)電行為源于金屬內(nèi)的庫(kù)伯對(duì)。反之，若將庫(kù)伯對(duì)激發(fā)成兩個(gè)正常態(tài)的電子，則需要輸入能量，該能量值的一半被稱為超導(dǎo)能隙。由此可以推知，在超導(dǎo)隧道效應(yīng)中存在著一個(gè)很重要的問(wèn)題：當(dāng)絕緣層或者正常金屬層內(nèi)單電子的能量小于超導(dǎo)體的能隙時(shí)，這些單電子是怎樣對(duì)超導(dǎo)層內(nèi)的電流有貢獻(xiàn)的?

文獻(xiàn)總結(jié)：1964 年，俄國(guó)物理學(xué)家Andreev 研究了正常金屬層與超導(dǎo)體組成的隧道結(jié)，給出了界面處的電子與庫(kù)伯對(duì)轉(zhuǎn)換的機(jī)制，被稱為Andreev 反射。 Andreev 反射不同于普通的單粒子隧道效應(yīng)，其本質(zhì)是一個(gè)雙粒子隧穿過(guò)程。 同時(shí)，由于超導(dǎo)體本身的庫(kù)伯對(duì)也參與導(dǎo)電，所以涉及超導(dǎo)隧道結(jié)的輸運(yùn)問(wèn)題，若要求解準(zhǔn)粒子的波函數(shù)，量子力學(xué)基礎(chǔ)中的Schr?dinger 方程就不再適用了。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，1982 年，G.E.Blonder、M.Tinkham 和T.M.Klapwijk 在Physical Review B上發(fā)表了一篇研究論文［25］，建立了正常金屬／絕緣層／超導(dǎo)隧道結(jié)的隧道電流和隧道電導(dǎo)的解析公式，相應(yīng)的方法被稱為BTK 理論。

創(chuàng)新案例和成果：選擇該研究方向的學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，雖然常規(guī)超導(dǎo)體中庫(kù)伯對(duì)的配對(duì)方式只有s 波一種，但對(duì)于非常規(guī)超導(dǎo)體的配對(duì)勢(shì)，可以為s 波、d 波、p 波和f 波等多種狀態(tài)。因此他們?cè)贐TK 理論及其推廣理論的基礎(chǔ)上，相繼展開了d 波超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)輸運(yùn)性質(zhì)的研究。其中做得比較好的課題有：正常金屬／鐵磁金屬／d波超導(dǎo)結(jié)的鄰近效應(yīng)、鐵磁半導(dǎo)體／d 波超導(dǎo)結(jié)的自旋極化輸運(yùn)、硅基正常金屬／鐵磁d 波超導(dǎo)隧道結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)，等等。 這些研究中的部分成果已整理成論文，并在《低溫與超導(dǎo)》和Physica C 等國(guó)內(nèi)外知名期刊上發(fā)表［26-27］。 還有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)隧道結(jié)中由于存在兩粒子隧穿效應(yīng)，因此隧穿電流對(duì)界面的粗糙程度要比單粒子電流敏感得多，隨后他們研究了粗糙界面對(duì)鐵磁半導(dǎo)體／d 波超導(dǎo)隧道結(jié)隧道譜的影響，研究成果也已被《低溫物理學(xué)報(bào)》收錄并發(fā)表［28］。

2. 復(fù)雜物理問(wèn)題的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)

在大學(xué)物理的學(xué)習(xí)中，經(jīng)常會(huì)遇到一些復(fù)雜的、無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算直接給出結(jié)果的物理問(wèn)題。比如，多列機(jī)械波的疊加、任意形狀帶電體周圍靜電場(chǎng)的分布、任意形狀載流導(dǎo)體周圍磁場(chǎng)的分布、微觀粒子的波函數(shù)等涉及復(fù)雜計(jì)算的問(wèn)題；以及進(jìn)動(dòng)、彈簧擺、阻尼振動(dòng)、混沌現(xiàn)象等涉及復(fù)雜的物理演化過(guò)程的問(wèn)題。 這些問(wèn)題雖然具有重要的研究?jī)r(jià)值，但僅利用課堂時(shí)間和簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)知識(shí)并不能很好地完成，因此在傳統(tǒng)的物理教學(xué)中常常會(huì)被舍棄。 但對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助的研究性學(xué)習(xí)，這些問(wèn)題都是極好的課題來(lái)源。

物理問(wèn)題的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)需要任課教師為學(xué)生提供動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)軟件，軟件的選擇應(yīng)以不給學(xué)生增加本學(xué)科學(xué)習(xí)之外的額外負(fù)擔(dān)為標(biāo)準(zhǔn)。 我們學(xué)校采用的是李元杰先生主持研發(fā)的模擬平臺(tái)，名為“科學(xué)計(jì)算與模擬平臺(tái)”（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”）。該平臺(tái)簡(jiǎn)單易學(xué)，配套的模擬案例豐富，便于學(xué)生自學(xué)。

復(fù)雜物理問(wèn)題的動(dòng)態(tài)模擬需要學(xué)生做到：首先，將復(fù)雜的物理問(wèn)題分解成若干簡(jiǎn)單的物理模型，給出每個(gè)基本物理模型的解析表達(dá)式。 其次，在掌握平臺(tái)使用方法的基礎(chǔ)上，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單物理模型的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。 以此為基礎(chǔ)，將所用到的疊加原理寫入程序。 最后，運(yùn)行、調(diào)試整個(gè)程序，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問(wèn)題的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)（流程圖見(jiàn)圖3）。 比如，要模擬多列平面簡(jiǎn)諧橫波的干涉現(xiàn)象，應(yīng)先根據(jù)沿x 軸正向傳播的平面簡(jiǎn)諧橫波的波函數(shù)模擬出一列波的動(dòng)態(tài)圖，接著編程寫出沿不同方向傳播的各列波的波函數(shù)，再把機(jī)械振動(dòng)的疊加原理、各列波的相遇條件程序化，整合程序完成各波函數(shù)在相遇區(qū)域內(nèi)代數(shù)相加，運(yùn)行并調(diào)試程序無(wú)誤后方可得到多列波干涉現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)模擬。

圖3 復(fù)雜物理問(wèn)題動(dòng)態(tài)模擬實(shí)現(xiàn)流程

學(xué)生們?cè)谶M(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的過(guò)程中，常常靈感如泉涌，會(huì)創(chuàng)造性地加上各種美麗的背景或配以不同的色彩，使整個(gè)畫面不僅富有知識(shí)性，更具有趣味性。 美麗絢爛的色彩加上其中蘊(yùn)含的神奇的物理規(guī)律，在給學(xué)生帶來(lái)巨大的視覺(jué)沖擊的同時(shí)，也帶給他們無(wú)窮的樂(lè)趣，使他們真實(shí)地體驗(yàn)到了學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的快樂(lè)。

（二）實(shí)施要點(diǎn)淺析

計(jì)算機(jī)輔助的研究性學(xué)習(xí)模式下，學(xué)生不再是純粹的學(xué)習(xí)者，進(jìn)行著單一學(xué)科的重復(fù)練習(xí)，而是化身為科學(xué)問(wèn)題的研究者。 通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，從問(wèn)題的提出到問(wèn)題的解決，都是親力親為。 這種從“學(xué)”到“研”的跨越，可以使學(xué)生掌握從事科學(xué)研究的基本方法，提升綜合分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)科學(xué)精神，鍛煉創(chuàng)新思維。 該學(xué)習(xí)模式將傳統(tǒng)教育中學(xué)生課外學(xué)習(xí)以“練”為主，變革為以“實(shí)踐”為主，這就需要教師的指點(diǎn)恰到好處。 指點(diǎn)幫助過(guò)多，學(xué)生的自主性難以發(fā)揮，思維和能力得不到充足的鍛煉；完全放手不管，則會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生中途放棄。 我們的改革經(jīng)驗(yàn)可總結(jié)為：三個(gè)必要、一個(gè)滲透。

1. 三個(gè)必要

（1）教師需提供必要的參考文獻(xiàn)。 學(xué)生在選定研究方向、尚未確定具體的研究課題之前，教師需選擇一定量的、合適的文獻(xiàn)給學(xué)生作為參考。文獻(xiàn)的選擇要難易得當(dāng)，確保大部分學(xué)生可以從中選定課題，且可以做得下去。 同時(shí)，文獻(xiàn)盡量以英文為主，這樣可以讓學(xué)生熟悉和積累大量的科技英語(yǔ)詞匯，提升學(xué)術(shù)英語(yǔ)的閱讀能力和寫作水平。

（2）教師應(yīng)傳授必要的文獻(xiàn)檢索知識(shí)。 文獻(xiàn)檢索是當(dāng)代大學(xué)生，尤其是拔尖創(chuàng)新人才必備的學(xué)術(shù)素養(yǎng)。 學(xué)生要想提出有價(jià)值的研究課題，除查閱經(jīng)典文獻(xiàn)外，還應(yīng)緊跟科技發(fā)展前沿。 因此，教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)選擇合適的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、采取得當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)檢索策略，從眾多文獻(xiàn)中快速、有效地篩選、鑒別、提煉出自己所需要的新觀點(diǎn)、新技術(shù)或新方法。

（3）教師需引薦必要的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。 在研究問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生不可避免地要遇到諸多學(xué)術(shù)問(wèn)題，希望與教師、同學(xué)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家或?qū)W者進(jìn)行探討和交流，這就需要教師多方引薦，積極為學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會(huì)，提供平臺(tái)。 進(jìn)行有益的學(xué)術(shù)交流，既可鍛煉學(xué)生的溝通能力，也可增強(qiáng)他們的合作意識(shí)，開拓國(guó)際視野。

2. 一個(gè)滲透

計(jì)算機(jī)輔助的研究性學(xué)習(xí)模式需要學(xué)生以物理知識(shí)為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)知識(shí)和英語(yǔ)為工具，數(shù)學(xué)和其他學(xué)科知識(shí)為方法，使新、老問(wèn)題與新技術(shù)巧妙對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了物理規(guī)律與模型、數(shù)學(xué)表達(dá)與思想以及計(jì)算機(jī)編程與靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬的完美融合，不僅突破了傳統(tǒng)教學(xué)由于受到學(xué)習(xí)者數(shù)學(xué)知識(shí)的限制而無(wú)法在知識(shí)結(jié)構(gòu)上做出太大改觀的屏障，也提高了學(xué)生多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。 因此，教師在講授計(jì)算機(jī)靜態(tài)模擬時(shí)，要盡可能多地滲透學(xué)科思維。 比如，在模擬復(fù)雜的電磁場(chǎng)分布時(shí)，要注意強(qiáng)調(diào)微積分是一種數(shù)學(xué)思維，其過(guò)程展現(xiàn)了如何從一個(gè)直線上的小區(qū)間、平面上的小區(qū)域等局部考慮而獲得整體上的結(jié)果［29］，這種局部性質(zhì)與整體性質(zhì)的關(guān)系也是一種哲學(xué)范疇。 在講解動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)的應(yīng)用時(shí)，要注意引入并運(yùn)用“計(jì)算思維”，即“計(jì)算機(jī)科學(xué)解決問(wèn)題的最本質(zhì)的方法”［30］。 這種交叉滲透的方法既可以減輕學(xué)生學(xué)習(xí)模擬平臺(tái)的負(fù)擔(dān)，又培養(yǎng)了學(xué)生的多學(xué)科思維。

四、結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)是一門藝術(shù)，也是一種學(xué)術(shù)；教師是教學(xué)活動(dòng)的組織者，也是課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)者和研究者；學(xué)生是知識(shí)的傳承者，亦可成為知識(shí)的發(fā)現(xiàn)者和創(chuàng)造者。 能力培養(yǎng)、素質(zhì)提升、價(jià)值引領(lǐng)是課程思政對(duì)課程教學(xué)的目標(biāo)要求；高學(xué)識(shí)、強(qiáng)能力、硬素質(zhì)、正價(jià)值是拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)對(duì)教師的育人要求。 物理學(xué)有著深厚的歷史和文化底蘊(yùn)，承載著豐富的教育資源，但需要學(xué)習(xí)者主動(dòng)地學(xué)習(xí)和思考，才能將其蘊(yùn)含的知識(shí)、方法、思想和智慧內(nèi)化為自己的能力和素質(zhì)。 筆者課題組的實(shí)踐證明：大學(xué)物理課堂教學(xué)采用融入課程思政的啟發(fā)模式，可以讓學(xué)生在自主建構(gòu)新知、親歷“創(chuàng)新”的過(guò)程中，通過(guò)篩選信息、判斷真?zhèn)?、提出假設(shè)、建立模型等一系列的思維活動(dòng)，逐漸形成對(duì)世界唯物的、辨證的認(rèn)識(shí)，養(yǎng)成堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)精神。計(jì)算機(jī)輔助的課外研究性學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生在自主創(chuàng)新訓(xùn)練的過(guò)程中，通過(guò)接觸學(xué)科前沿，借助計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的科學(xué)工具解決問(wèn)題，清楚地認(rèn)識(shí)到科技的巨大力量，深刻地體會(huì)到遵守學(xué)術(shù)規(guī)范和學(xué)術(shù)道德的重要性，逐漸養(yǎng)成科技服務(wù)于社會(huì)和人民大眾的意識(shí)，真心熱愛(ài)并全身心地投入祖國(guó)的科研事業(yè)，樹立正確的科技價(jià)值觀和人生價(jià)值觀。 兩種模式相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)研一體、學(xué)思用貫通、知信行統(tǒng)一、啟智潤(rùn)心、培根鑄魂。

融入課程思政的啟發(fā)式課堂教學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助的研究性課外學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式，是在“學(xué)思相濟(jì)、知行合一、全程育人”教學(xué)理念下的一種改革實(shí)踐與探索，也是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的必然之需和應(yīng)然之舉。 教學(xué)成果表明：對(duì)大學(xué)物理課程而言，該教學(xué)方式是行之有效的一種“以立德樹人為根本，以學(xué)生創(chuàng)新為中心”的課堂教學(xué)和學(xué)生課外學(xué)習(xí)模式。 希望這種創(chuàng)新的教學(xué)模式可以對(duì)數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等理科類基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)改革起到應(yīng)有的借鑒作用，為我國(guó)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供積極的參考價(jià)值。