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

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)器人湖北省重點實驗室,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”

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)器人湖北省重點實驗室,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)改革的一個重要內(nèi)容.文章結(jié)合實際教學(xué)案例,給出了如何將科技前沿知識實踐到大學(xué)物理課堂教學(xué)過程中的幾點做法.

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)容和教材體系來說,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,我國在教學(xué)改革中編寫的教材,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,盡可能引入一點相關(guān)的現(xiàn)代科學(xué)和高新科技物理基礎(chǔ)知識,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實踐到大學(xué)物理的教學(xué)過程中,是我們面臨的一個更為關(guān)鍵的問題,也是廣大教學(xué)工作者一直在探究并付諸實施的內(nèi)容.下面談一下我們在教學(xué)過程中的幾點體會與思考.

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,它是一個開放的體系,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)過程中,只滿足于教材所涉及的內(nèi)容,沒有注意到很多知識甚至包括當(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內(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發(fā)展的前沿,及時更新、補(bǔ)充知識,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.教師通過開展科研工作,可以了解學(xué)科的最新動態(tài),掌握學(xué)科最新成果,不僅有利于提高教師的專業(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)生開拓視野、提高創(chuàng)新能力.因此科研對教學(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,可以適當(dāng)引入一些當(dāng)今學(xué)術(shù)界很熱門的自旋電子學(xué)的前沿知識[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.因為對于普通金屬和半導(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象,以不同自旋取向電子的輸運(yùn)性質(zhì)為主要研究內(nèi)容,藉此開發(fā)設(shè)計新型電子器件的一門新學(xué)科.由于自旋相關(guān)的電子器件可以同時利用電子的電荷和自旋來進(jìn)行信息的傳輸和存儲,可能制備出具有全新多功能特性的電子器件,例如自旋場效應(yīng)管、自旋發(fā)光二極管以及自旋共振隧道裝置,從而可以實現(xiàn)量子計算和量子通訊.

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,有的積極到國外進(jìn)修,通過繼續(xù)深造以具備堅實的理論基礎(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)成果真正有效地實踐到大學(xué)物理的課堂教學(xué)過程中,從而避免教師的“研”與“教”相脫節(jié)的問題,引起了廣泛的關(guān)注.大學(xué)物理教師并不像專門從事科研的學(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領(lǐng)域的同時,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)隊力量.

(3)開展學(xué)生學(xué)術(shù)講座,培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素質(zhì).我們在每學(xué)期末都要抽取至少4個學(xué)時組織一次學(xué)生學(xué)術(shù)講座.以2007級化工與制藥專業(yè)的學(xué)生為例,學(xué)生通過調(diào)研寫出了詳細(xì)的選題報告,其報告內(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)專業(yè)中的應(yīng)用實例,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)三個要點展開)、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,鼓勵他們主動上講臺演講,由教師做點評,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.對有價值的報告,安排教師指導(dǎo),通過組成研究小組開展進(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、整合能力和語言表達(dá)能力,也有利于學(xué)生拓展知識面,了解物理學(xué)的應(yīng)用前景和對人類現(xiàn)代生活的影響.

3 理論聯(lián)系實際,因材施教

從事大學(xué)物理教學(xué)的教師面對的是全校各專業(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)合時代的發(fā)展,不能理論聯(lián)系實際,不能針對不同專業(yè)的學(xué)生對癥下藥,學(xué)生會感到學(xué)起來枯燥無味,不能學(xué)以致用,甚至感到大學(xué)物理這門學(xué)科與自己將來所從事的職業(yè)毫無關(guān)系.那么為了打消學(xué)生對物理學(xué)科的這種消極的念頭,我們更應(yīng)注重物理學(xué)的基本知識與學(xué)生專業(yè)學(xué)科之間的銜接,在與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容上進(jìn)行拓展,使他們切身體會到物理這門基礎(chǔ)學(xué)科是不同專業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)和出發(fā)點,從而起到拋磚引玉的效果.

我們知道,英國曼徹斯特大學(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.兩年前,在大學(xué)物理課堂教學(xué)中,針對高分子材料專業(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,甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料[4].課后學(xué)生們通過調(diào)研、討論,對這一領(lǐng)域有了初步的認(rèn)識.

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代感,在大學(xué)物理的教學(xué)過程中,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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