基于“教學(xué)研”一體化的大學(xué)物理教學(xué)模式探索

劉云云，王加迎，梁蘭菊

（棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院 山東 棗莊 277160）

現(xiàn)如今，信息技術(shù)爆炸式發(fā)展，為了在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革中擁有話語權(quán)，我國大力推進新工科建設(shè)，探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式和經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)。和傳統(tǒng)工科相比，“新工科”除了對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，還注重學(xué)科的可用性、綜合性以及學(xué)科的交叉性、融合性[1]。各高等工科院校積極響應(yīng)國家號召，提出一系列建設(shè)性思路，如“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”[2-4]?！靶鹿た啤钡暮诵氖翘岣呷瞬排囵B(yǎng)質(zhì)量，為新時代的發(fā)展提供源源不斷的動力[5-7]。為此，要求教師不僅要做好教學(xué)的本職工作，還要將新理論、新方法、新思想融入課堂教學(xué)，讓學(xué)生了解學(xué)科特色以及前沿發(fā)展，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性、主動性，始終堅持以科興教、以教興科的發(fā)展戰(zhàn)略。

大學(xué)物理作為高等院校理工科各專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，是研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和普遍運動規(guī)律的學(xué)科[8]，是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。物理科研則是利用最新的科研裝備和手段通過研究物質(zhì)的基本性質(zhì)、運動規(guī)律、能量轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象，揭示了人類對客觀世界的最新認知[9]。它為發(fā)明創(chuàng)造新技術(shù)、新產(chǎn)品提供了理論依據(jù)，助力創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。創(chuàng)新型人才在探索未知、促進社會發(fā)展以及人類文明進步等方面都具有極大的推動作用。

大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容具有極強的理論性，概念公式多、學(xué)生理解困難，當前傳統(tǒng)以課堂教學(xué)為主的教學(xué)模式只能讓學(xué)生“溫故”“知新”，想進一步實現(xiàn)“創(chuàng)新”的跨越，須對傳統(tǒng)教學(xué)模式進行改革，將科研納入當前的教學(xué)工作中。本文提出“教學(xué)研”一體化教學(xué)模式，以大學(xué)物理光學(xué)部分“光的衍射”為例，淺談在教學(xué)中引入科學(xué)研究的實例，力爭打造教學(xué)研一體化的高效課堂。

1 大學(xué)物理課堂教學(xué)現(xiàn)存的問題

如今各大理工科院校均設(shè)立了大學(xué)物理教學(xué)教研室，以教學(xué)為主，很少有學(xué)校同時設(shè)立對應(yīng)的研究室，教學(xué)與科研脫節(jié)現(xiàn)象嚴重。具體表現(xiàn)如下：

長期從事教學(xué)工作的教師有比較豐富的教學(xué)經(jīng)驗，但是缺乏科學(xué)研究的實踐。他們?nèi)狈π率挛锏母兄?，對當代物理學(xué)科中的新發(fā)展和新成果了解甚少，而這些新發(fā)展與新成果正是物理學(xué)基本原理的實際應(yīng)用，卻不能及時反映到教學(xué)內(nèi)容中，這對于加深學(xué)生對物理學(xué)基本原理的理解，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣都是極為不利的。

從事科研工作的教師往往有扎實的理論基礎(chǔ)、較強的實踐能力，其對新鮮事物比較敏感，能很好地洞悉物理學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)、新思想以及新成果。但因科研工作的需要或其他各種原因，他們無法參與基礎(chǔ)課的教學(xué)工作，不利于教學(xué)質(zhì)量的提高，這無疑與“新工科”的核心思想相悖。

2 教學(xué)研一體化大學(xué)物理課堂教學(xué)的改進措施

為了培養(yǎng)符合新工科要求的創(chuàng)新型復(fù)合人才，提高基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量，改變以教學(xué)為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，形成教學(xué)研一體化并促進它們相互結(jié)合，須對現(xiàn)有的教學(xué)模式進行改革。具體如下：

2.1 “化整為零”，改變一位基礎(chǔ)課教師完成整個學(xué)期大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)狀

眾所周知，大學(xué)物理是一門包含力、熱、電、光、磁等內(nèi)容的學(xué)科。目前，絕大部分高等院校均是由一名教師負責(zé)整個學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容。對于多年從事科研工作的教師來說，他們往往只對大學(xué)物理中的某一或某幾部分內(nèi)容極為專業(yè)，可以做到侃侃而談，而并非對整個物理學(xué)的內(nèi)容都能做到信手拈來。對此，我們應(yīng)該充分發(fā)揮他們各自的專業(yè)優(yōu)勢，讓不同方向的教師承擔自己擅長領(lǐng)域的物理教學(xué)工作，這樣既可以避免承擔過于繁重的教學(xué)任務(wù)，又可以更好地將科研融入教學(xué)中，做到教學(xué)研的相互結(jié)合。

2.2 構(gòu)建“互幫”機制，打破以往基礎(chǔ)課教師和研究室教師各自獨立的局面

對于基礎(chǔ)課教師和研究室教師來說，他們分別有著豐富的教學(xué)經(jīng)驗和最前沿的知識，如何將兩者結(jié)合起來，做到1+1>2？為此，我們提出構(gòu)建“互幫”機制，建立隸屬于基礎(chǔ)課教研室和研究室的課題組，既可以方便基礎(chǔ)課教師積極參與科研工作，又有利于擅長科研的教師向基礎(chǔ)課教師汲取教學(xué)經(jīng)驗，兩者之間互相滲透，取長補短，讓越來越多的教師成為教學(xué)和科研的雙重骨干，從而實現(xiàn)教學(xué)研一體化教學(xué)。

2.3 搭建“一對一幫扶”機制，避免出現(xiàn)老教師和年輕教師斷層的現(xiàn)象

對于老教師而言，他們往往有比較豐富的教學(xué)經(jīng)驗，而年輕的教師尤其是剛剛博士畢業(yè)新入職的教師，他們嚴重缺乏教學(xué)經(jīng)驗，但是往往有比較活躍的思維和前沿的思想。為此，我們可以搭建“一對一幫扶”機制，讓有豐富經(jīng)驗的老教師和有活躍思維的新教師形成一對一的關(guān)系，一方面讓年輕的教師去聽老教師的課汲取經(jīng)驗，同時老教師也要去聽新教師的課并對其提出意見，以此提高新教師的教學(xué)能力；另一方面年輕教師可以將專業(yè)領(lǐng)域最新的科研動態(tài)分享給老教師，再將這些最前沿的科研成果帶到課堂教學(xué)中，讓教學(xué)研一體化的教學(xué)模式得到切實落實。

3 教學(xué)研一體化的大學(xué)物理課堂教學(xué)案例

對現(xiàn)有的以教學(xué)為主的大學(xué)物理課堂教學(xué)進行改革，打造教學(xué)研一體化教學(xué)模式。下面以大學(xué)物理光學(xué)部分“X 射線的衍射”一課為例進行分析說明。

3.1 教

①首先向?qū)W生講解X 射線的定義。X 射線是由高速電子撞擊固體時產(chǎn)生的；由于這種射線不受電場或磁場的影響，所以它在本質(zhì)上和可見光一樣，是一種電磁波。它的特點就是波長極短，穿透力極強。

②要求學(xué)生了解X 射線的基本原理。在X 射線的照射下，晶體中每個格點將成為一個散射中心。由于各原子在空間周期性地排列著，且各原子散射光的頻率和入射光相同，所以各散射光是相干的，它們將在空間發(fā)生干涉。為此，先考慮每一個原子的衍射，再考慮各原子的疊加。具體包括：同一晶面上各原子間的干涉（點間干涉）和不同晶面之間的干涉（面間干涉）。

a.點間干涉：同一面上各散射光的干涉只需考慮在衍射角等于掠射角方向的0 級主極大。

b.面間干涉：不同面上反射出的平行光疊加后是加強還是削弱，取決于相鄰兩光束之間的光程差。

對于多光束干涉來說，干涉加強條件為：

③X 射線衍射的應(yīng)用：（a）X 射線光譜學(xué)，從連續(xù)譜中找出；（b）X 射線晶體分析，已知，研究晶體結(jié)構(gòu)。

3.2 研

X 射線衍射作為一種分析測試手段，既可以定性地分析材料的結(jié)構(gòu)，也可以定量地分析材料的成分。下面是在實驗室制備的某一種晶體材料的X 射線衍射圖（p13）。

圖1 （a）是自制晶體樣品的X射線衍射圖，圖中的各個峰就是由于光的衍射而形成的，稱為衍射峰。圖1（b）是CaLaGa3O7這個物質(zhì)標準的X 射線衍射圖，這個是數(shù)據(jù)庫提供的。在標準圖中的每一個衍射峰都對應(yīng)晶體的某一個具體晶面。通過對比兩個圖中各個衍射峰的位置有沒有變化，就可以知道自制樣品是不是純相CaLaGa3O7。如果兩個圖中各個衍射峰的位置都能夠很好地吻合，就說明合成了純相的CaLaGa3O7，也就是兩者的結(jié)構(gòu)是一樣的，如圖1所示；如果自制材料樣品圖中出現(xiàn)了一些新衍射峰，則說明合成的材料其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，并沒得到純相的目標產(chǎn)物。如圖2 所示，在CaLaGa3O7中摻入Lu3+，通過與CaLaGa3O7的X射線衍射圖對比可以發(fā)現(xiàn)，Lu:CaLaGa3O7材料的X射線衍射圖中出現(xiàn)了一些新的衍射峰，說明合成的Lu：CaLa-Ga3O7并不是純相。

圖1 （a）CaLaGa3O7 晶體的X 射線衍射圖和（b）CaLaGa3O7 的標準X 射線衍射圖

圖2 （a）Lu:CaLaGa3O7 與CaLaGa3O7 晶體的X 射線衍射圖

3.3 學(xué)

以上只是簡單地從X 射線衍射圖定性分析新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，此外還可根據(jù)X 射線衍射圖分析物質(zhì)的成分，學(xué)生可在課后自行查閱資料了解X 射線還有哪些具體的應(yīng)用并據(jù)此寫一篇不低于500 字的小論文。通過以上課本知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生可了解X射線衍射現(xiàn)象和布拉格公式的物理意義。

通過上述實例，在講授X射線衍射時引入X射線在科研中的實際應(yīng)用，不僅可加深學(xué)生對課程教學(xué)的理解，還可使學(xué)生了解專業(yè)前沿知識，體驗科學(xué)探索的樂趣，掌握科研的方法，并有所創(chuàng)新和發(fā)明。

4 結(jié)語

在大力推行新工科建設(shè)的背景下，為培養(yǎng)符合新時代的創(chuàng)新型人才，結(jié)合大學(xué)物理課堂自身的特點，本文系統(tǒng)地分析了大學(xué)物理課堂教學(xué)中存在的問題，即以教學(xué)為主和教學(xué)與科研嚴重脫節(jié)的問題。為了解決以上問題，提出教學(xué)研一體化的教學(xué)模式，通過“化整為零”、構(gòu)建“互幫”機制和搭建“一對一幫扶”機制，使以上教學(xué)模式得到有效落實，以推進大學(xué)物理課堂教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展，并以“X 射線的衍射”作為案例進行說明。