王曉鷗 孟慶鑫 張伶莉 侯春風(fēng) 宋 杰 宮德維 霍 雷 張 宇 趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)

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物理學(xué)拓展課程提升學(xué)生綜合素質(zhì)

王曉鷗 孟慶鑫 張伶莉 侯春風(fēng) 宋 杰 宮德維 霍 雷 張 宇 趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系,黑龍江 哈爾濱 150001)

在大學(xué)物理課程教學(xué)中，受到學(xué)時(shí)及自身體系的限制，教師很難將物理學(xué)的前沿問(wèn)題、最新發(fā)展以及對(duì)其他學(xué)科的影響更多地傳授給學(xué)生，這在一定程度上影響了學(xué)生綜合素質(zhì)的提升.本文通過(guò)“改變世界的物理學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)踐介紹物理學(xué)拓展課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)以及在提升學(xué)生綜合素質(zhì)中的作用.

物理學(xué)拓展;綜合素質(zhì);物理學(xué)思維方法

學(xué)生綜合素質(zhì)的提升有賴于知識(shí)面是否廣泛、思維方法是否正確.物理學(xué)對(duì)提升學(xué)生的綜合素質(zhì)起到不可替代的作用,這是因?yàn)樵谖锢韺W(xué)發(fā)展過(guò)程中的每一次重大突破不僅帶來(lái)物理學(xué)新領(lǐng)域、新方向以及交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科的崛起,而且改變了人們的思維方式.“物理學(xué)為科學(xué)進(jìn)步和發(fā)明的利用，提供所需訓(xùn)練有素的人才；物理學(xué)在培養(yǎng)化學(xué)家、工程師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家，以及其他物理科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)工作者的教育中，是一個(gè)重要的組成部分”[1].物理學(xué)的思維方法在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中也發(fā)揮著重要作用[2].

但受到大學(xué)物理課程學(xué)時(shí)及自身體系的限制，教師很難將物理學(xué)的前沿問(wèn)題、物理學(xué)的最新發(fā)展以及對(duì)其他學(xué)科的影響更多地傳授給學(xué)生，這在一定程度上影響了學(xué)生對(duì)物理學(xué)重要性的認(rèn)識(shí)，也影響了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.所以有必要開(kāi)設(shè)物理學(xué)拓展課程，將大學(xué)物理課程中涉獵不到的前沿問(wèn)題、與其他專業(yè)融合、滲透以及物理學(xué)思維方法對(duì)高新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)作用介紹給學(xué)生.

我校于2004年秋季學(xué)期嘗試以“改變世界的物理學(xué)”為題為本科生開(kāi)設(shè)了全校任選的物理學(xué)拓展課程.自開(kāi)課以來(lái)，一直受到學(xué)生們的喜愛(ài)，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(xué)”課程榮獲了2008年哈爾濱工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀課程稱號(hào).本文基于“改變世界物理學(xué)”課程的教學(xué)理念和教學(xué)實(shí)踐介紹物理學(xué)拓展課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)以及在提升學(xué)生綜合素質(zhì)中的作用.

1 教學(xué)理念

提倡學(xué)科交融，淡化專業(yè)、強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)教育，注重不同學(xué)科、不同專業(yè)領(lǐng)域之間相互了解、相互滲透和融合.挖掘創(chuàng)新潛質(zhì)，激發(fā)創(chuàng)造精神，提升學(xué)生的綜合素質(zhì).

2 教學(xué)實(shí)踐

本課程的特點(diǎn)是物理學(xué)的成就與其他專業(yè)融合、滲透以及如何推動(dòng)高新技術(shù)的發(fā)展.下面，我們就教學(xué)內(nèi)容的選擇、具體教學(xué)實(shí)例兩方面分別介紹.

2.1 教學(xué)內(nèi)容的選擇

本課程總學(xué)時(shí)數(shù)為30學(xué)時(shí).基于學(xué)時(shí)數(shù)的限制和課程特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上我們重點(diǎn)選擇物理學(xué)的重大研究成果、最新發(fā)展動(dòng)態(tài)、物理學(xué)在現(xiàn)代高新技術(shù)中的應(yīng)用、物理學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系，以及能啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維、能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力的內(nèi)容，如:

(1)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域的物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及對(duì)高科技的作用和對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響.如2007 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應(yīng)的法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾(Albert Fert)和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾(Peter Grünberg)，由此介紹了“巨磁電阻”效應(yīng)的原理及其所產(chǎn)生的社會(huì)價(jià)值.

(2)物理學(xué)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系與交融.如物理學(xué)為生物學(xué)提供新的思想、理論和概念.量子力學(xué)創(chuàng)始人之一薛定諤在他的《生命是什么？》一書(shū)中指出[3]:對(duì)生物學(xué)的一些基本問(wèn)題，可用物理學(xué)概念，以精確的措詞進(jìn)行思考，并提出了遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是有機(jī)分子，遺傳是以密碼的形式通過(guò)染色體來(lái)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(chǔ).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(shí)了薛定諤的深刻洞察力和科學(xué)預(yù)見(jiàn)性，生命以量子規(guī)律為基礎(chǔ),使生物學(xué)從定性描述推向定量研究，為分子生物學(xué)奠定了主要的理論基石.

2.2 教學(xué)實(shí)例

本課程共分為10講，每講一個(gè)專題，如世界為什么變化這么快、原子的威力、信息時(shí)代的存儲(chǔ)技術(shù)、物理學(xué)與材料科學(xué)、從物理學(xué)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(jiǎn)要介紹.本講主要介紹物理學(xué)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所起的促進(jìn)作用以及物理學(xué)對(duì)高新科技發(fā)展的影響，讓學(xué)生重新認(rèn)識(shí)物理學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要作用.如:

1917年愛(ài)因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ).1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象:當(dāng)他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)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(guó)人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器,獲得了人類有史以來(lái)的第一束激光.激光的出現(xiàn)帶動(dòng)了多學(xué)科的發(fā)展，如量子光學(xué)、量子電子學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、集成光學(xué)、海洋光學(xué)等等.這里只列舉一些與日常生活相關(guān)的激光應(yīng)用科學(xué)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(yáng)光高千萬(wàn)億倍，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚集，能使材料瞬間熔化，可用做多種機(jī)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(dǎo)纖維成為現(xiàn)代通信技術(shù)的新寵，激光醫(yī)學(xué)、激光準(zhǔn)直、激光表面質(zhì)量檢測(cè)等必將改變我們生活的方方面面.

學(xué)生從中了解到物理學(xué)不僅僅只是概念、原理，它與我們的生活息息相關(guān)，是各科技領(lǐng)域發(fā)展的重要基石.如06104班的何亦蕊同學(xué)說(shuō):“……與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系使我們更加深刻地領(lǐng)悟到了哲學(xué)中的“事物是相互聯(lián)系的，運(yùn)動(dòng)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(lái)可能會(huì)向哪個(gè)方向發(fā)展，這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是很重要的；…….”

3 學(xué)生綜合素質(zhì)的提升

本課程從拓展知識(shí)基礎(chǔ)、挖掘創(chuàng)新潛質(zhì)等方面提升學(xué)生的綜合素質(zhì).

3.1 拓展知識(shí)基礎(chǔ)

本課程以物理學(xué)的基本原理及物理學(xué)的新發(fā)展為基礎(chǔ)，融物理學(xué)知識(shí)和高新技術(shù)前沿應(yīng)用為一體，引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科前沿和新成果、新趨勢(shì)、新信息，擴(kuò)大知識(shí)面、開(kāi)闊眼界，使學(xué)生能站在更高的層次上學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí).

例如，我們處在信息時(shí)代，對(duì)信息的掌握是成功的關(guān)鍵，這涉及信息的存儲(chǔ)、傳遞、保密等問(wèn)題，我們?cè)谡n堂上介紹了用光學(xué)方法、量子力學(xué)方法處理信息技術(shù)以及發(fā)展前景，拓展了學(xué)生的視野.通過(guò)學(xué)習(xí)學(xué)生體會(huì)到“……作為學(xué)生，我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容更多的是理論，對(duì)于研究的動(dòng)向和應(yīng)用知之甚少，這門(mén)課讓我開(kāi)闊了眼界，了解了大師們做出物理發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，擴(kuò)展了思路，增長(zhǎng)了興趣，對(duì)以后的學(xué)習(xí)很有幫助……”.

3.2 強(qiáng)化素質(zhì)教育

從物理學(xué)家們?cè)谘芯窟^(guò)程中的一些小故事以及他們的人格魅力入手，介紹科學(xué)家們?cè)诳茖W(xué)探索過(guò)程中放棄個(gè)人名利追求全人類的利益等一個(gè)個(gè)事例，培養(yǎng)學(xué)生不僅具有科學(xué)探索精神，還應(yīng)具備強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感.

學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)很有感觸:“……在您講課后，我拜讀了費(fèi)米的傳記，他的學(xué)習(xí)精神、做事的嚴(yán)謹(jǐn)、生活的積極性、對(duì)事業(yè)的執(zhí)著，都在激勵(lì)著我，盡管我不想成為費(fèi)米，但是那種態(tài)度是可以學(xué)習(xí)的……”.

3.3 提倡學(xué)科交融

我們嘗試了讓學(xué)生聯(lián)系所學(xué)專業(yè)，從物理概念、物理學(xué)原理的角度闡述、整理所學(xué)專業(yè)的規(guī)律及內(nèi)涵.如08級(jí)國(guó)際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的孫雪梅同學(xué)結(jié)合愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系式E=mc2將“……質(zhì)量m與能量E比作兩種貨幣m和E，原先認(rèn)為不能相互兌換，愛(ài)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(jí)國(guó)際經(jīng)貿(mào)專業(yè)的張明明同學(xué)則從機(jī)械波的角度闡述價(jià)值規(guī)律:“……價(jià)格圍繞價(jià)值上下波動(dòng)是價(jià)值規(guī)律的表現(xiàn)形式，它的圖形表示就如同波動(dòng)曲線，如圖1所示.但無(wú)論怎么波動(dòng)，都不會(huì)過(guò)分偏離價(jià)值這條中心線，這不僅不會(huì)擾亂經(jīng)濟(jì)秩序，還會(huì)有效地調(diào)動(dòng)市場(chǎng)向正確的方向發(fā)展.……應(yīng)用這條規(guī)律更好地服務(wù)于我們的經(jīng)濟(jì)生活.”

圖1 價(jià)格—價(jià)值曲線圖

3.4 挖掘創(chuàng)新潛質(zhì)

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

4 學(xué)生反饋

經(jīng)過(guò)10年多的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)這種知識(shí)拓展課程是認(rèn)可的.以下摘錄了部分學(xué)生聽(tīng)課后的體會(huì)及感想:

物理系的高磊同學(xué):“……‘改變世界的物理學(xué)’一課的開(kāi)設(shè)，不但有利于人文專業(yè)的學(xué)生學(xué)到科學(xué)知識(shí)，學(xué)到科學(xué)思維方法，培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)，即使理工科學(xué)生，也能在廣泛了解當(dāng)今各種高新科技方面培養(yǎng)廣泛視野.以我為例，作為應(yīng)用物理系的學(xué)生，大學(xué)兩年多來(lái)所學(xué)的都是一些基礎(chǔ)理論，在課堂上很少涉及到當(dāng)代科技的發(fā)展，理論如何應(yīng)用于實(shí)際，而且學(xué)習(xí)的完全是幾百年經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)家總結(jié)的正確的指示，從中看不到科學(xué)家們是如何研究問(wèn)題，科學(xué)家們的思維方法，科學(xué)前進(jìn)中的曲折.而后者恰恰是我們應(yīng)該掌握的，我們將來(lái)必將挑起推動(dòng)科技發(fā)展的重?fù)?dān)，要有所作為.掌握現(xiàn)在的知識(shí)固然重要，但更重要的則是具備科學(xué)思維方法，具有創(chuàng)造力，具有探索科學(xué)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(guò)‘改變世界的物理學(xué)’這門(mén)課，我們學(xué)到了很多的知識(shí)，同時(shí)也思考了很多問(wèn)題.”

航天學(xué)院自動(dòng)控制科學(xué)與工程系的李志奇同學(xué):“……我們專業(yè)本身涉及的領(lǐng)域比較多，一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)往往與機(jī)、電、光等方面都有聯(lián)系.選修這門(mén)課的目的是為了多了解一下現(xiàn)代物理學(xué)的最新發(fā)展，以備將來(lái)用在與自己專業(yè)有關(guān)的領(lǐng)域中，在課程即將結(jié)束時(shí)，我認(rèn)為我基本達(dá)到了預(yù)先的目標(biāo).如，在講授物理與光學(xué)這一專題時(shí)，老師提到了全光開(kāi)關(guān)這一技術(shù).我覺(jué)得如果全光開(kāi)關(guān)真能開(kāi)發(fā)成功，它在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景是很廣闊的.……相信隨著我對(duì)本專業(yè)的進(jìn)一步了解，更多的物理知識(shí)會(huì)與本專業(yè)知識(shí)相聯(lián)系.”

航天學(xué)院自動(dòng)化的國(guó)光躍同學(xué):“我認(rèn)為‘改變世界的物理學(xué)’是一門(mén)很有意義的選修課.我和周圍的同學(xué)對(duì)現(xiàn)代物理的前沿發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)的尖端運(yùn)用都抱有很大的興趣.可是我們往往要面對(duì)繁重的課業(yè)負(fù)擔(dān)和考試就業(yè)的巨大壓力，沒(méi)有專門(mén)的時(shí)間和機(jī)會(huì)體會(huì)物理學(xué)的奇妙?yuàn)W秘.同時(shí)，物理學(xué)也不是通俗易懂的休閑小說(shuō)，草草瀏覽完畢，頭腦里還是一片空白.如果有圖文并茂的學(xué)習(xí)材料，再加上老師不失時(shí)機(jī)的點(diǎn)撥，那該有多好！這門(mén)選修課的開(kāi)設(shè)，適時(shí)地解決了這個(gè)矛盾.……”

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)10年多的教學(xué)實(shí)踐及從學(xué)生的反饋情況看，在大學(xué)里開(kāi)設(shè)物理學(xué)拓展課程是非常有必要的.首先，拓展了學(xué)生的知識(shí)面、開(kāi)闊了眼界，提升了學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題的廣度；其次，物理學(xué)前沿課題的研究方法以及物理學(xué)家們的創(chuàng)造性思維，可啟迪學(xué)生的智慧，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法，挖掘創(chuàng)新潛質(zhì)，激發(fā)創(chuàng)造精神.其三，讓學(xué)生了解物理學(xué)知識(shí)在各學(xué)科領(lǐng)域中的重要作用，了解物理學(xué)與各學(xué)科之間的交集、聯(lián)系，以及物理學(xué)對(duì)創(chuàng)新性研究的催生作用，可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望，從而提升我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的數(shù)量與品質(zhì)；其四，使學(xué)生能站在更高的層次上學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，為培養(yǎng)具有良好的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的人才打基礎(chǔ).

[1] 第23屆國(guó)際純粹物理和國(guó)際應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)(IUPAP)代表大會(huì)通過(guò)決議五物理學(xué)對(duì)社會(huì)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(xué)物理蘊(yùn)含的科學(xué)思維方法在實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)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(lái)鷗，羅遼復(fù)譯.長(zhǎng)沙： 湖南科學(xué)技術(shù)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(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度省重點(diǎn)課題(課題編號(hào):JJB1212030)和2014年黑龍江省高等教育科學(xué)研究重點(diǎn)課題(課題編號(hào):14Z001)資助.

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