俎鳳霞 劉敏敏

(1.武漢工程大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430074;2.武漢工程大學(xué)智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430074)

淺談關(guān)于“在大學(xué)物理教學(xué)中引入科學(xué)前沿知識(shí)”

俎鳳霞1,2劉敏敏1,2

(1.武漢工程大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430074;2.武漢工程大學(xué)智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430074)

大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化已經(jīng)成為教學(xué)改革的一個(gè)重要內(nèi)容.文章結(jié)合實(shí)際教學(xué)案例,給出了如何將科技前沿知識(shí)實(shí)踐到大學(xué)物理課堂教學(xué)過(guò)程中的幾點(diǎn)做法.

科學(xué)研究;大學(xué)物理;課堂教學(xué)

大學(xué)物理課程就其基本教學(xué)內(nèi)容和教材體系來(lái)說(shuō),大部分屬于經(jīng)典物理學(xué)的范疇.這樣的體系,比較成熟也比較系統(tǒng),已為人們熟悉和掌握.隨著近代物理知識(shí)和當(dāng)代科技的發(fā)展突飛猛進(jìn),這種體系的教材內(nèi)容顯得比較陳舊.近年來(lái),我國(guó)在教學(xué)改革中編寫(xiě)的教材,在經(jīng)典物理中穿插進(jìn)了一些近代物理的章節(jié),然而為了與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的要求向相適應(yīng),僅此是不夠的[1].人們逐漸意識(shí)到,在大學(xué)物理教材及教學(xué)中加強(qiáng)介紹科學(xué)前沿和技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中的基礎(chǔ)性物理原理,使課程內(nèi)容現(xiàn)代化是非常必要的.我們看到當(dāng)前國(guó)內(nèi)出版的一些面向21世紀(jì)物理教材在保持大學(xué)物理課程基礎(chǔ)內(nèi)容持續(xù)發(fā)展的同時(shí),盡可能引入一點(diǎn)相關(guān)的現(xiàn)代科學(xué)和高新科技物理基礎(chǔ)知識(shí),使課程內(nèi)容現(xiàn)代化更突出[2].這些在課程體系、教材內(nèi)容等方面所作的一系列探索和改革,已經(jīng)取得了較好的效果.但是,如何將科技前沿知識(shí)實(shí)踐到大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中,是我們面臨的一個(gè)更為關(guān)鍵的問(wèn)題,也是廣大教學(xué)工作者一直在探究并付諸實(shí)施的內(nèi)容.下面談一下我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中的幾點(diǎn)體會(huì)與思考.

1 提高學(xué)術(shù)水平,以研促教

物理學(xué)的發(fā)展是日新月異的,它是一個(gè)開(kāi)放的體系,是在不斷發(fā)展完善的,而我們所用的教材即使以最快的更新速度也無(wú)法將方方面面的物理學(xué)中的新事物都羅列到教材中.如果教師在教學(xué)過(guò)程中,只滿足于教材所涉及的內(nèi)容,沒(méi)有注意到很多知識(shí)甚至包括當(dāng)初的一些基本的概念性的東西都已悄然地發(fā)生了變化,教師們的視野仍被狹隘地限定在科目?jī)?nèi)容及其傳授方式上,那么這樣的教學(xué)仍舊是僵化的.這就客觀上要求大學(xué)的教師只有自己首先站在知識(shí)發(fā)展的前沿,及時(shí)更新、補(bǔ)充知識(shí),才能滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要.

科學(xué)研究是獲取學(xué)科前沿知識(shí)的最直接、最有效的途徑,教師只有親自參加科研才能站在學(xué)科前沿.教師通過(guò)開(kāi)展科研工作,可以了解學(xué)科的最新動(dòng)態(tài),掌握學(xué)科最新成果,不僅有利于提高教師的專(zhuān)業(yè)水平,也有利于提高教師的教學(xué)水平.教師將自己的科研成果與所講授的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,不僅能增加教學(xué)的深度,提高教學(xué)效果,而且能使學(xué)生開(kāi)拓視野、提高創(chuàng)新能力.因此科研對(duì)教學(xué)內(nèi)容改革具有促進(jìn)作用.

比如,在講解大學(xué)物理中恒定電流時(shí),可以適當(dāng)引入一些當(dāng)今學(xué)術(shù)界很熱門(mén)的自旋電子學(xué)的前沿知識(shí)[3].眾所周知,電子除了帶有電荷的特性外,還具有自旋的內(nèi)稟特性.以電子電荷為基礎(chǔ)的微電子學(xué)在20世紀(jì)取得了巨大成功.但是在傳統(tǒng)的微電子器件中,電子只被看成電荷的載體,而攜帶的自旋信息卻一直被人們忽視.因?yàn)閷?duì)于普通金屬和半導(dǎo)體,參與輸運(yùn)的自旋向上和自旋向下的電子數(shù)是一樣的,所以往往忽略電子的自旋自由度.但是對(duì)于鐵磁金屬,情況則不同.在鐵磁金屬中,參與輸運(yùn)的兩種取向的電子在數(shù)量上是不等的,所以傳導(dǎo)電流是自旋極化的.自旋電子學(xué)就是以不同自旋取向電子為研究對(duì)象,以不同自旋取向電子的輸運(yùn)性質(zhì)為主要研究?jī)?nèi)容,藉此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型電子器件的一門(mén)新學(xué)科.由于自旋相關(guān)的電子器件可以同時(shí)利用電子的電荷和自旋來(lái)進(jìn)行信息的傳輸和存儲(chǔ),可能制備出具有全新多功能特性的電子器件,例如自旋場(chǎng)效應(yīng)管、自旋發(fā)光二極管以及自旋共振隧道裝置,從而可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子通訊.

2 整合教學(xué)資源,教研結(jié)合

面向新的世紀(jì),我國(guó)教育發(fā)展所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)為廣大教師參與學(xué)校教育改革和研究提供了大好時(shí)機(jī).很多從事大學(xué)物理教學(xué)工作的教師也紛紛走上了科研的道路,有的選擇攻讀博士學(xué)位,有的積極到國(guó)外進(jìn)修,通過(guò)繼續(xù)深造以具備堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和足夠的科研積累.然而,如何將大學(xué)物理教師所取得的學(xué)術(shù)成果真正有效地實(shí)踐到大學(xué)物理的課堂教學(xué)過(guò)程中,從而避免教師的“研”與“教”相脫節(jié)的問(wèn)題,引起了廣泛的關(guān)注.大學(xué)物理教師并不像專(zhuān)門(mén)從事科研的學(xué)術(shù)人員,他們的學(xué)術(shù)水平提高的主要目的是為保證教學(xué)質(zhì)量的提高.教師要想把科研中所獲得的最先進(jìn)的方法、最現(xiàn)代的理念、最寶貴的知識(shí)傳授給學(xué)生,單靠幾篇高水平的學(xué)術(shù)論文,單靠把自己的研究成果滲透到課堂教學(xué)的某一篇章中總是有局限性的,我們可以發(fā)揮團(tuán)隊(duì)力量,做以下幾方面的工作.

(1)每學(xué)期每位教師至少排一次學(xué)術(shù)講座,并納入課程教學(xué)計(jì)劃中.我校的大學(xué)物理教研室從教授到講師,幾乎每位教師都有從事科研的經(jīng)歷,而且50%以上的青年教師正在一些著名的高校及科研院所攻讀博士學(xué)位,他們的研究方向涉及面廣,有納米材料的制備、新型分子材料的理論計(jì)算、量子少體結(jié)構(gòu)與碰撞等等,這批教師架構(gòu)起了一座教研室與外界進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的橋梁.通過(guò)每位教師在教研室向同行們介紹各自的研究進(jìn)展,使得教師在更新自己知識(shí)領(lǐng)域的同時(shí),更能夠促進(jìn)教師之間的學(xué)術(shù)交流、集中集體智慧,發(fā)揮團(tuán)隊(duì)力量.

(3)開(kāi)展學(xué)生學(xué)術(shù)講座,培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素質(zhì).我們?cè)诿繉W(xué)期末都要抽取至少4個(gè)學(xué)時(shí)組織一次學(xué)生學(xué)術(shù)講座.以2007級(jí)化工與制藥專(zhuān)業(yè)的學(xué)生為例,學(xué)生通過(guò)調(diào)研寫(xiě)出了詳細(xì)的選題報(bào)告,其報(bào)告內(nèi)容涉及面廣,有醫(yī)學(xué)中的物理學(xué)(主講超聲在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用)、反物質(zhì)等,也有物理學(xué)在日常生活和所學(xué)專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例,化工前沿技術(shù)與環(huán)保(圍繞化學(xué)合成技術(shù)、新型環(huán)保與能源技術(shù)及綠色化學(xué)技術(shù)三個(gè)要點(diǎn)展開(kāi))、高科技的多面手—微波等等.我們要求學(xué)生將這些內(nèi)容制作成課件,鼓勵(lì)他們主動(dòng)上講臺(tái)演講,由教師做點(diǎn)評(píng),發(fā)布到本校的大學(xué)物理精品課程網(wǎng)站上,使全體學(xué)生普遍受益.對(duì)有價(jià)值的報(bào)告,安排教師指導(dǎo),通過(guò)組成研究小組開(kāi)展進(jìn)一步的研究.這既有利于培養(yǎng)學(xué)生信息收集、檢索、研究、整合能力和語(yǔ)言表達(dá)能力,也有利于學(xué)生拓展知識(shí)面,了解物理學(xué)的應(yīng)用前景和對(duì)人類(lèi)現(xiàn)代生活的影響.

3 理論聯(lián)系實(shí)際,因材施教

從事大學(xué)物理教學(xué)的教師面對(duì)的是全校各專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,教師即使有較高的學(xué)術(shù)水平,如果不緊密結(jié)合時(shí)代的發(fā)展,不能理論聯(lián)系實(shí)際,不能針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)癥下藥,學(xué)生會(huì)感到學(xué)起來(lái)枯燥無(wú)味,不能學(xué)以致用,甚至感到大學(xué)物理這門(mén)學(xué)科與自己將來(lái)所從事的職業(yè)毫無(wú)關(guān)系.那么為了打消學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的這種消極的念頭,我們更應(yīng)注重物理學(xué)的基本知識(shí)與學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)科之間的銜接,在與學(xué)生專(zhuān)業(yè)相關(guān)的內(nèi)容上進(jìn)行拓展,使他們切身體會(huì)到物理這門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科是不同專(zhuān)業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn),從而起到拋磚引玉的效果.

我們知道,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·海姆因在石墨烯方面的研究榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).兩年前,在大學(xué)物理課堂教學(xué)中,針對(duì)高分子材料專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,筆者將自己正在進(jìn)行的科研課題“石墨烯的電輸運(yùn)性質(zhì)”穿插到導(dǎo)體內(nèi)容的講解中,介紹了石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料,是碳的二維結(jié)構(gòu),具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性.而且石墨烯的應(yīng)用范圍很廣,從電子產(chǎn)品到防彈衣和造紙,甚至未來(lái)的太空電梯都可以以石墨烯為原料[4].課后學(xué)生們通過(guò)調(diào)研、討論,對(duì)這一領(lǐng)域有了初步的認(rèn)識(shí).

總之,現(xiàn)代高新科技的發(fā)展突飛猛進(jìn),新的技術(shù)成果層出不窮,學(xué)科在高度分化基礎(chǔ)上走向高度綜合.大學(xué)物理課程就更需要富有時(shí)代感,在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中,我們更應(yīng)該讓學(xué)生了解當(dāng)今物理學(xué)界的前沿問(wèn)題.

1 陸果.基礎(chǔ)物理學(xué)教程.北京:高等教育出版社,1998.

2 胡亞聯(lián),吳鋒.大學(xué)物理學(xué).北京:科學(xué)出版社,2010.

3 焦正寬,曹光旱.磁電子學(xué).杭州:浙江大學(xué)出版社,2005.

4 Q.M.Yang,B.Huang,J.Yu,F.W.Zheng,J.Zang,J. Wu,B.L.Gu,F.Liu,and W.H.Duan,Intrinsic currentvoltage characteristics of grapheme nanoribbon transistors and effect of edge doping,Nano.Lett.2007(4):1469

2011-01-14)

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