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

*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：JJB1212030；黑龍江省高等教育科學(xué)研究2014年重點(diǎn)課題資助，課題編號：14Z001

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一門與時俱進(jìn)的公選課
——《改變世界的物理學(xué)》*

王曉鷗孟慶鑫侯春風(fēng)張伶莉張 宇霍 雷趙 遠(yuǎn)

*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：JJB1212030；黑龍江省高等教育科學(xué)研究2014年重點(diǎn)課題資助，課題編號：14Z001

摘 要：本文從開課宗旨、教學(xué)實(shí)踐以及教學(xué)改革與體會幾方面介紹大學(xué)物理拓展課程《改變世界的物理學(xué)》在傳承物理學(xué)思維方法、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)中的重要作用與意義．

關(guān)鍵詞：物理學(xué)物理學(xué)拓展物理學(xué)思維方法

由于物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)發(fā)展著未來技術(shù)進(jìn)步所需的基本知識，而技術(shù)進(jìn)步將持續(xù)驅(qū)動著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；物理學(xué)有助于技術(shù)的基本建設(shè)，它為科學(xué)進(jìn)步和發(fā)明的利用，提供所需訓(xùn)練有素的人才……[1]因此，大學(xué)物理課程就成為高等院校工科各專業(yè)一、二年級學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程之一，但受到大學(xué)物理課程學(xué)時及自身體系的限制，教師很難將物理學(xué)的前沿問題、物理學(xué)的最新發(fā)展以及對其他學(xué)科的影響更多的傳授給學(xué)生，這在一定程度上影響了學(xué)生對物理學(xué)重要性的認(rèn)識，也影響了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣．為此，我校于2004年秋季學(xué)期嘗試著為全校本科生開設(shè)了拓展物理學(xué)知識的公共選修課程——《改變世界的物理學(xué)》．自開課以來，一直受到學(xué)生的喜愛，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．經(jīng)過10多年的教學(xué)實(shí)踐得到了學(xué)生的認(rèn)可．

通過對本公選課的學(xué)習(xí)，學(xué)生從中了解到的不僅僅是物理概念、原理，更重要的是物理學(xué)家們研究問題的方法，以及物理學(xué)思維方法在創(chuàng)新研究中所起到的重要作用．如，物理系的一位同學(xué)在談到對本課程的學(xué)習(xí)感受時說道：“……《改變世界的物理學(xué)》一課的開設(shè)，不但有利于人文專業(yè)的學(xué)生學(xué)到科學(xué)知識，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)過無數(shù)科學(xué)家總結(jié)的正確的指示，從中看不到科學(xué)家們?nèi)绾窝芯繂栴}、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，我們將來必將挑起推動科技發(fā)展的重?fù)?dān)，要有所作為，掌握現(xiàn)在的知識固然重要，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地體現(xiàn)．”

自動控制科學(xué)與工程系的另一位同學(xué)：“……我們專業(yè)本身涉及的領(lǐng)域比較多，一個自動控制系統(tǒng)往往與機(jī)、電、光等方面都有聯(lián)系．選修這門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，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，教師提到了全光開關(guān)這一技術(shù)．我覺得如果全光開關(guān)真能開發(fā)成功，它在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景是很廣闊的．……相信隨著我對本專業(yè)的進(jìn)一步了解，更多的物理知識會與本專業(yè)知識相聯(lián)系．”

還有一位航天學(xué)院自動化的同學(xué)：“我認(rèn)為《改變世界的物理學(xué)》是一門很有意義的選修課．我和周圍的同學(xué)對現(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繁重的課業(yè)負(fù)擔(dān)和考試就業(yè)的巨大壓力，沒有專門的時間和機(jī)會體會物理學(xué)的奇妙奧秘．同時，物理學(xué)也不是通俗易懂的休閑小說，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，再加上教師不失時機(jī)的點(diǎn)撥，那該有多好！這門選修課的開設(shè)，適時地解決了這個矛盾……”．

1開課宗旨

啟發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，挖掘創(chuàng)新潛質(zhì)，提升基礎(chǔ)知識的運(yùn)用能力是物理學(xué)拓展課程的開課宗旨．因此課程應(yīng)滿足：內(nèi)容新穎、信息量大、時代性強(qiáng)的特點(diǎn)．在教學(xué)過程中，注重學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，擴(kuò)大學(xué)生的知識面、開闊眼界，能夠反映出20世紀(jì)及21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的最新成果，能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造精神，滿足教育體制改革的需要．

2教學(xué)實(shí)踐

本課程的特點(diǎn)是將物理學(xué)的成就與其他專業(yè)融合、滲透以及如何推動高新技術(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)時數(shù)為30學(xué)時，共分為10講，每講一個專題．如原子的威力、神奇的激光、信息時代的存儲技術(shù)、物理學(xué)與材料科學(xué)、從物理學(xué)角度詮釋生命等等．涉及從經(jīng)典物理學(xué)到近代物理學(xué)的主要成就和進(jìn)展、覆蓋20世紀(jì)以來近代物理學(xué)在探索自然奧秘的微觀、宏觀和宇觀這3個領(lǐng)域的物理學(xué)基本問題、發(fā)展前景以及現(xiàn)代各種高新技術(shù)發(fā)展的近代物理學(xué)基礎(chǔ)．

在內(nèi)容的選擇上我們更注重選擇那些社會關(guān)注的熱點(diǎn)話題，如社會的可持續(xù)發(fā)展、納米技術(shù)等，主要介紹物理學(xué)的重大研究成果、最新發(fā)展動態(tài)、物理學(xué)在現(xiàn)代高新技術(shù)中的應(yīng)用以及物理學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系、物理學(xué)在社會發(fā)展中所起的重要作用．增加學(xué)生認(rèn)識問題的廣度，使學(xué)生能站在更高的層次上學(xué)習(xí)科學(xué)知識，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展；其次，啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維方法，使學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀，激發(fā)學(xué)生積極向上、勇于探索科學(xué)的拼搏精神．如：

(1)物理學(xué)的前沿問題：暗物質(zhì)、暗能量、宇宙年齡是怎樣計(jì)算的等；

(2)物理學(xué)應(yīng)用于高新技術(shù)的事例：光信息處理、量子信息等；

(3)物理學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系：物理學(xué)與能源、計(jì)算機(jī)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的關(guān)系；

(4)物理學(xué)的自然觀：從物理學(xué)中的熵增原理談人類社會為什么要走可持續(xù)發(fā)展的道路．

2.2教學(xué)實(shí)例

本課程全程采用多媒體教學(xué)，這樣可以增加信息量，圖文并茂，感官效果好．下面以其中的一講 “神奇的激光”為例作簡要介紹．

本講從1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念到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，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強(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；再到1960年，美國人梅曼(T. H. Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了人類有史以來的第一束激光．在此視頻播放受激輻射原理、激光產(chǎn)生原理以及各種激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理．

激光的出現(xiàn)帶動了多學(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．在課堂上，我們用視頻展示了與日常生活相關(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光高千萬億倍，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)量檢測等必將改變我們生活的方方面面．讓學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，了解物理學(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．

3教學(xué)改革與體會

本課程涵蓋面廣，涉及到與物理學(xué)相關(guān)的各學(xué)科．我們在選擇授課內(nèi)容上本著科學(xué)性、啟發(fā)性、與時俱進(jìn)的原則，隨時調(diào)整授課內(nèi)容，確保學(xué)生能夠及時了解相關(guān)領(lǐng)域最新發(fā)展動態(tài)．

經(jīng)過10年的教學(xué)實(shí)踐，針對不同時期的學(xué)生，從80后到90后，我們在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上不斷地進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，以求讓學(xué)生有更大的收益．

本課程最初開課時，只有一位教師授課．由于本課程涉及的范圍很廣，且知識更新非常快，如果由一位教師授課且要在內(nèi)容的深度和廣度上闡述得都很到位，確實(shí)會感到力不從心.在開課的第4年，我們增加到3位教師授課，同時教學(xué)內(nèi)容也作了調(diào)整，不僅僅介紹物理學(xué)對高科技的推動作用、物理學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系，還增加了有關(guān)物理學(xué)自然觀的內(nèi)容，如從物理學(xué)上的熵增原理談人類社會為什么要走可持續(xù)發(fā)展的道路，讓學(xué)生了解自然、敬畏自然，營造一個和諧發(fā)展的社會環(huán)境．隨著中學(xué)新課標(biāo)的改革，90后的學(xué)生知識面廣，也更務(wù)實(shí)，針對這一情況及學(xué)生反饋意見，我們對授課內(nèi)容作了相應(yīng)的調(diào)整：刪減了一些高深內(nèi)容(如“宇宙探秘”等)，增加了“物理學(xué)思維方法”、“物理與藝術(shù)”，從物理學(xué)的認(rèn)知規(guī)律、以及物理文化的角度介紹：科學(xué)(包括自然科學(xué)、社會科學(xué))是統(tǒng)一的，相通的．給學(xué)生一種全新的物理學(xué)思維方法，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛質(zhì)．

與傳統(tǒng)授課方式不同，本課程在學(xué)生已有的物理學(xué)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，采取“跳躍式”或“滲透式”的敘述法，學(xué)生也許只知道一個大概的聯(lián)系和發(fā)展方向，但留下了懸念，讓學(xué)生充分發(fā)揮其想象力，激發(fā)學(xué)生的探索欲、創(chuàng)造性，推動學(xué)科向前發(fā)展．

考查方式的改革．最初讓學(xué)生結(jié)合物理學(xué)的某一方面知識寫一篇小論文，一方面鍛煉學(xué)生查閱資料、整理科學(xué)素材的能力，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的科研素質(zhì)．后來，按學(xué)校要求采用累加式考試：期末考試+平時作業(yè)．平時作業(yè)的形式是：結(jié)合課堂所講的內(nèi)容，或是查相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)、或是寫一篇物理學(xué)在社會及科技發(fā)展中所起的作用分析報(bào)告、或是分析預(yù)測未來可能的前沿?zé)狳c(diǎn).學(xué)生為了完成較高質(zhì)量的作業(yè)要查閱大量文獻(xiàn)，同學(xué)之間還會開展討論，從而培養(yǎng)鍛煉學(xué)生分析、綜合整理、預(yù)判信息的能力．

4小結(jié)

通過10年多的教學(xué)實(shí)踐及學(xué)生的反饋情況看，我們認(rèn)為在大學(xué)里開設(shè)物理學(xué)知識拓展課程是非常有必要的．首先，拓展了學(xué)生的知識面、開闊了眼界，提升了學(xué)生認(rèn)識問題的廣度；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)知識在各學(xué)科領(lǐng)域的重要作用，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，從而提升我國自主知識產(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，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)．

參 考 文 獻(xiàn)

1第23屆國際純粹物理和國際應(yīng)用物理聯(lián)合會(IUPAP)代表大會通過決議五——物理學(xué)對社會的重要性工科物理. 1999, 9 (5):7

2最新世界各國GDP排名，http://www.360doc.com/content/14/0519/16/11532035_379082826.shtml

An Advancing with the Time Public Elective Courses

——Physics of Changing World

Wang XiaoouMeng QingxinHou ChunfengZhang Lingli

Zhang YuHuo LeiZhao Yuan

(Department of Physics, Harbin Institute of Technology,Haerbin,Heilongjiang150001)

Abstract：This paper introduces the effect and significance of extensive course with the title of “Physics changes the world” in inheriting physics thinking method and cultivating students′ quality from the aspects of course aim,teaching practice as well as teaching reformation and experience.

Key words：Physics,Physics development,Physical way of thinking

收稿日期：(2015-02-04)

作者簡介：(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系黑龍江 哈爾濱150001)