王永鋼

(北京郵電大學(xué)理學(xué)院,北京 100876)

“大學(xué)物理”課程中圍繞學(xué)生創(chuàng)新能力的調(diào)研與措施

王永鋼

(北京郵電大學(xué)理學(xué)院,北京 100876)

本文介紹在為北京郵電大學(xué)創(chuàng)新能力試點(diǎn)班講授“大學(xué)物理”過程中,發(fā)現(xiàn)的當(dāng)前學(xué)生中明顯存在的一些問題和針對這些問題在課堂教學(xué)、課外作業(yè)以及考試環(huán)節(jié)所采取的一些有針對性的措施.

大學(xué)物理;創(chuàng)新能力;工程技術(shù)

1 研究背景

在人才培養(yǎng)的各方面中,能力的培養(yǎng)最為重要,而在各種能力中,創(chuàng)新能力又有著重要的地位,因此當(dāng)前我國各高等學(xué)校都在關(guān)注大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).在這個(gè)背景下,北京郵電大學(xué)承擔(dān)了教育部高等理工教育教學(xué)改革與實(shí)踐項(xiàng)目“電子信息類專業(yè)本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)改革的研究與實(shí)踐”,并自2007年開始組建了相應(yīng)的試點(diǎn)班,希望以這個(gè)試點(diǎn)班為對象,調(diào)查當(dāng)前學(xué)生中突出存在的問題,分析研究各教學(xué)和管理環(huán)節(jié)對學(xué)生創(chuàng)新能力的影響,在各培養(yǎng)環(huán)節(jié)中提出有針對性的措施并付諸實(shí)踐,從中摸索出強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律.

2 試點(diǎn)班的組建與授課

試點(diǎn)班是從我校電子信息類有關(guān)專業(yè)的學(xué)生中選拔組建而成.在學(xué)生入學(xué)后請?jiān)敢膺M(jìn)入試點(diǎn)班的學(xué)生寫一篇對大學(xué)四年設(shè)想的文章,利用此文章初步篩選后再進(jìn)行面試.面試題目的涉及面較廣,專家的即興提問占了較大比例,希望通過面試能比較準(zhǔn)確地了解學(xué)生勇于嘗試的精神、承受失敗的心理準(zhǔn)備、與人交往的能力以及對課外知識的興趣等.為保證試點(diǎn)班的研究結(jié)果具有推廣價(jià)值,選拔時(shí)并未看重學(xué)生的高考成績.

考慮到課程學(xué)習(xí)在大學(xué)四年的學(xué)習(xí)時(shí)間里占有很大比例,課程環(huán)節(jié)對學(xué)生各種能力的影響不容忽視.但是把試點(diǎn)班辦成一個(gè)“世外桃源”對學(xué)生將來的發(fā)展并沒有好處,經(jīng)過研究,學(xué)校選定了一批被認(rèn)為是對學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和將來工作有較大影響的課程在試點(diǎn)班單獨(dú)開課,而一些一般性課程則是讓試點(diǎn)班學(xué)生和普通班學(xué)生合班聽課.“大學(xué)物理”是被選定單獨(dú)開課的課程之一,由本文作者擔(dān)任“大學(xué)物理”課程的主講教師.

3 試點(diǎn)班“大學(xué)物理”課程的教學(xué)內(nèi)容與課程體系

一門課程的教學(xué)改革通常涉及教學(xué)內(nèi)容、課程體系和教學(xué)方法與手段等方面.

經(jīng)研究分析,我們認(rèn)為“大學(xué)物理”是一門重要的自然科學(xué)類公共基礎(chǔ)課,各學(xué)校的基本教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該是相同的,這個(gè)基本內(nèi)容已經(jīng)在教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中得到很好的體現(xiàn).恰好在我們第一屆試點(diǎn)班教學(xué)開始前不久,“教指委”公布了新一輪修改后的基本要求.我們知道此次修改曾經(jīng)由“教指委”在較大的范圍內(nèi)多次征求過意見,經(jīng)反復(fù)討論后定稿,該基本要求的科學(xué)性和權(quán)威性是不應(yīng)該懷疑的.因此我們認(rèn)為試點(diǎn)班“大學(xué)物理”課程的教學(xué)內(nèi)容仍應(yīng)遵守此基本要求.

同樣的,我們認(rèn)為現(xiàn)行的課程體系也無須作大的調(diào)整.

4 教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的突出問題

除正常的課堂教學(xué)外,本文作者還和其他為該班授課的教師一起與學(xué)生進(jìn)行了座談.在座談以及教學(xué)中發(fā)現(xiàn),該班同學(xué)充滿了創(chuàng)新激情,但有些同學(xué)不注重一點(diǎn)一滴的積累,雖然當(dāng)時(shí)他們只是一、二年級的學(xué)生,卻一心想在短時(shí)間內(nèi)快速地完成一些大的項(xiàng)目,而在電子信息這樣的領(lǐng)域,這實(shí)際上是不太可能的.

其次,在平時(shí)的教學(xué)以及交談中還發(fā)現(xiàn),該班不少同學(xué)對分?jǐn)?shù)和排名的重視程度已經(jīng)到了不正常的地步.一些同學(xué)過度關(guān)注與排名有關(guān)的各種事項(xiàng),很難把精力集中到如何真正提高自己的能力這方面來.實(shí)際上,影響排名的因素很多,排名與創(chuàng)新能力之間并沒有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián).

教學(xué)中還發(fā)現(xiàn),有些同學(xué)輕視基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí),不但在“大學(xué)物理”課中不投入精力,有的甚至連“電路分析”這樣和專業(yè)密切相關(guān)的課程都不重視.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,或許是因?yàn)槟壳半娮有畔㈩悓I(yè)畢業(yè)生的就業(yè)情況和收入都還比較樂觀,但這種情況對學(xué)生將來的發(fā)展肯定是不利的.

經(jīng)和普通班教師交流,得知普通班同學(xué)中也存在類似的問題,只是各班程度不同而已,即這種現(xiàn)象比較普遍.

毫無疑問,這樣的狀態(tài)將會(huì)影響學(xué)生的創(chuàng)新能力,也是我們應(yīng)該通過各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)著力解決的問題.

5 課堂教學(xué)中采取的措施

按照上面的分析,我們教改的重點(diǎn)不是教學(xué)內(nèi)容和課程體系方面,而是如何使學(xué)生在學(xué)習(xí)基本知識的同時(shí),盡最大可能提高他們與創(chuàng)新能力有關(guān)的各種素質(zhì).

“大學(xué)物理”作為一門重要的自然科學(xué)方面的基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與能力方面的確可以發(fā)揮特別的作用,這些能力包括應(yīng)用高等數(shù)學(xué)的能力、邏輯推理的能力、建立數(shù)學(xué)模型的能力、近似計(jì)算的能力等.關(guān)于這些方面的能力培養(yǎng),已經(jīng)有很多文章介紹經(jīng)驗(yàn),這里不再重復(fù).

我們認(rèn)為,對于工科學(xué)生而言,能夠很快將基礎(chǔ)科學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到工程技術(shù)開發(fā)中,是他們創(chuàng)新能力的一個(gè)重要方面.因此在實(shí)際講課中,我們特別注重介紹物理學(xué)基本原理和新發(fā)現(xiàn)在工程技術(shù)中的應(yīng)用.我們認(rèn)為,對于大學(xué)工科專業(yè)一、二年級的學(xué)生,從原理上理解這些新發(fā)現(xiàn)是困難的,但只要學(xué)生能理解這些新發(fā)現(xiàn)是怎么回事,它們?yōu)楹卧诠こ碳夹g(shù)中有重要應(yīng)用就足夠了.

下面列舉幾個(gè)教學(xué)中的典型事例.

5.1 量子霍爾效應(yīng)

在講授霍爾效應(yīng)時(shí),我們補(bǔ)充量子霍爾效應(yīng)的知識.從理論上解釋量子霍爾效應(yīng)需要用到復(fù)雜的量子理論,這在“大學(xué)物理”課程中是不可能的,然而對比經(jīng)典的霍爾效應(yīng),同學(xué)們理解量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不困難,而理解了有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,同學(xué)們就很容易理解為什么該效應(yīng)決定了電阻的自然基準(zhǔn),這在科學(xué)研究和工程技術(shù)中都是重要的.發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)時(shí)用到了非常極端的實(shí)驗(yàn)條件:低溫、超強(qiáng)磁場和品質(zhì)優(yōu)良的薄膜樣品,由于產(chǎn)生超強(qiáng)磁場需要很大的電流,為避免干擾其他研究組,此效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者克利青堅(jiān)持每次在深夜做實(shí)驗(yàn),這一事例也說明了研究條件和科學(xué)家的品質(zhì)與毅力在新發(fā)現(xiàn)中的作用.

5.2 約瑟夫森效應(yīng)

與霍爾效應(yīng)相似的,還有約瑟夫森效應(yīng).講磁介質(zhì)時(shí)我們要介紹超導(dǎo)體的完全抗磁性,此時(shí)簡單介紹約瑟夫森效應(yīng).約瑟夫森效應(yīng)不僅現(xiàn)象極為奇妙,而且決定了電壓的自然基準(zhǔn),并且在精密測量中有著重要的應(yīng)用.其次,我們還要說明,約瑟夫森發(fā)現(xiàn)以他名字命名的這一效應(yīng)時(shí),只是英國劍橋大學(xué)的研究生,正是因?yàn)樗⒅貙W(xué)術(shù)交流和關(guān)注科學(xué)前沿,才使他有了如此重要的發(fā)現(xiàn),由此使學(xué)生理解學(xué)術(shù)交流的重要性.

5.3 利用微軟播放器演示信號與頻譜的關(guān)系

傅里葉變換以及頻譜等概念在物理學(xué)和工程技術(shù)中都有著重要的應(yīng)用,不過用此方法的數(shù)學(xué)計(jì)算有一定難度,導(dǎo)致一些同學(xué)產(chǎn)生了畏難或厭煩情緒,影響了相關(guān)課程的講課或?qū)W習(xí).鑒于此,我們利用 Windows操作系統(tǒng)自帶的 Windows Media Player播放器和一些有代表性的樂曲,演示頻譜與信號之間的關(guān)系,使學(xué)生對頻譜概念有了比較形象的體會(huì),意識到在個(gè)人計(jì)算機(jī)非常普及的今天,頻譜的概念已經(jīng)很貼近我們的工作和生活,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.(詳情請參閱“利用微軟媒體播放器輔助頻譜概念的教學(xué)”,收入《2008年全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)(長沙)論文集》).

5.4 信息光學(xué)的簡單介紹

待頻譜概念得到鞏固以后,通過比較“信號與系統(tǒng)”課程中矩形脈沖的頻譜曲線與“大學(xué)物理”課程中單縫夫瑯禾費(fèi)衍射光強(qiáng)分布曲線之間的相似性,很容易說明各種夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)際上對應(yīng)于透光屏透光率分布的傅里葉變換,以此為基礎(chǔ),就很容易地說明正弦光柵、空間濾波和相襯顯微鏡的基本原理了.通常這些知識只在物理專業(yè)的“光學(xué)”課程或光學(xué)儀器專業(yè)的“物理光學(xué)”課程中講授,正規(guī)講授需要較多的時(shí)間.我們這種講法可能不夠細(xì)致和深入,但是可以用很少的時(shí)間講清楚一些概念之間的關(guān)聯(lián),特別是能夠提醒學(xué)生注意不同課程之間的聯(lián)系,這對于他們將來綜合運(yùn)用所學(xué)知識是有好處的.

總之,在上面所舉的一些事例中,我們不追求從原理方面講透,而是在于找好它們和“大學(xué)物理”課程常規(guī)內(nèi)容的聯(lián)結(jié)點(diǎn),能夠用有限的時(shí)間使學(xué)生正確理解事情的來龍去脈,從中受到教育和啟發(fā).

6 課后環(huán)節(jié)中采取的措施

鑒于當(dāng)前同學(xué)中存在思想上充滿創(chuàng)新熱情而行動(dòng)上又不愿意腳踏實(shí)地這樣的問題,我們認(rèn)為,對于像“大學(xué)物理”這樣的基礎(chǔ)課,若想為解決這類問題發(fā)揮作用,不但可以在課堂教學(xué)中給出一定的事例說明平時(shí)積累的重要性,還可以利用課外環(huán)節(jié)使學(xué)生對科研工作的某些環(huán)節(jié)有所體會(huì).

出于這樣的考慮,我們布置學(xué)生在課外環(huán)節(jié)進(jìn)行查閱狹義相對論方面的資料和嘗試撰寫課外小論文的工作.

對于查閱狹義相對論資料這種任務(wù),我們給學(xué)生比較大的選擇余地,可以是相對論方面的原始論文,也可以是后人的述評;可以是背景知識介紹,也可以是個(gè)人的讀后感.我們布置這項(xiàng)工作有兩方面的用意,一是目前“大學(xué)物理”課程的教學(xué)時(shí)數(shù)很緊,藉此可以補(bǔ)充課內(nèi)學(xué)時(shí)不能講授的內(nèi)容,例如彌補(bǔ)不能花很多時(shí)間介紹相對論歷史背景的不足(而實(shí)際上歷史背景對于培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)新能力是非常重要的);其次文獻(xiàn)調(diào)研是科研和技術(shù)開發(fā)方面的一項(xiàng)重要而艱苦的基礎(chǔ)性工作,借此可以使學(xué)生對實(shí)際工作有一個(gè)初步的體驗(yàn).

關(guān)于課外小論文,我們給出了一些參考題目,多為課堂內(nèi)容的延伸,學(xué)生也可以自選題目,主要目的是拓寬學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地的作風(fēng).

7 考試環(huán)節(jié)中采取的措施

我們對考試環(huán)節(jié)也進(jìn)行了相應(yīng)的改革,以檢驗(yàn)課堂環(huán)節(jié)和課后環(huán)節(jié)的效果,并確保學(xué)生對我們課堂和課后環(huán)節(jié)采取的措施能夠重視和配合.我們采取的措施主要是在期末總評中稍微加大對平時(shí)表現(xiàn)的考核力度,在平時(shí)表現(xiàn)中計(jì)入課外查閱資料和小論文這項(xiàng)工作.平時(shí)成績包含三部分,即出勤、課后作業(yè)、查閱資料與小論文.我們曾經(jīng)考慮過平時(shí)成績中是否可以取消出勤與課后作業(yè)這兩個(gè)因素,以便給學(xué)生更多的靈活性與自主權(quán),但是在講課過程中我們發(fā)現(xiàn)某些學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠,仍有必要在考核平時(shí)表現(xiàn)中保留這兩項(xiàng),以便對學(xué)生起到督促作用.

8 結(jié)語

我們認(rèn)為“大學(xué)物理”課程在培養(yǎng)工科大學(xué)生創(chuàng)新能力方面的確有著獨(dú)特的作用,這些作用首先表現(xiàn)在對學(xué)生素質(zhì)有著潛移默化的作用,由此既可培養(yǎng)學(xué)生盡快理解物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)并將其應(yīng)用于工程技術(shù)的能力,也可培養(yǎng)他們腳踏實(shí)地的精神.

致謝

本工作得到教育部高等理工教育教學(xué)改革與實(shí)踐項(xiàng)目“電子信息類專業(yè)本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)改革的研究與實(shí)踐”和北京郵電大學(xué)教改項(xiàng)目“以提高學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)的‘大學(xué)物理’課程教學(xué)改革研究”的支持,特此致謝.

2010-11-04)