卓越人才培養(yǎng)視閾下大學(xué)物理課程思維能力的培養(yǎng)

于肇賢+劉鳳敏+胡紀(jì)平

摘要：本文結(jié)合我們在大學(xué)物理教學(xué)中的實踐，介紹了我們在卓越人才培養(yǎng)視閾下大學(xué)物理課程思維能力的培養(yǎng)方面的一些探索和具體做法。

關(guān)鍵詞：卓越人才培養(yǎng)；大學(xué)物理課程；思維能力的培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）05-0203-03

一、引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是我國全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的一項重大舉措。2010年以來，教育部在全國200多所高校眾多學(xué)科專業(yè)實施了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，培養(yǎng)了一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。卓越人才需要具備社會責(zé)任感、創(chuàng)新性、應(yīng)用性和國際化四個可觀測的基本素質(zhì)特征。卓越人才的能力標(biāo)準(zhǔn)方面包括：溝通合作能力、獲取運用知識能力、克服困難（危機(jī)處理）能力、尋求把握機(jī)會能力。卓越人才培養(yǎng)的重點是創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，即改革現(xiàn)有的課程教育體系，充分發(fā)揮課程教育對提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的價值和意義。

當(dāng)前，我國高等教育面臨的主要特征主要包括：人才支撐由高校人才計劃供給，變?yōu)樾袠I(yè)需求驅(qū)動；由高校支持服務(wù)，轉(zhuǎn)向服務(wù)與引領(lǐng)同步；發(fā)展方式由外延式發(fā)展，轉(zhuǎn)向以質(zhì)量提升為核心的內(nèi)涵式發(fā)展；教育改革由單項教育教學(xué)改革，轉(zhuǎn)向體制機(jī)制創(chuàng)新的綜合改革。

根據(jù)高等教育發(fā)展的時代要求，高校在定位上要考慮國家戰(zhàn)略、行業(yè)需求、學(xué)校優(yōu)勢、學(xué)生發(fā)展；專業(yè)建設(shè)要由學(xué)科體系出發(fā)向應(yīng)用需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變；教師要在研究中教，學(xué)生在探索中學(xué)，致力于建構(gòu)相互尊重、互相探究的學(xué)習(xí)共同體；教學(xué)內(nèi)容要緊密結(jié)合時代要求，要關(guān)注“互聯(lián)網(wǎng)+”，也要兼顧人文和情感，通識課程與職業(yè)素養(yǎng)教育并舉。

二、大學(xué)物理課程思維能力的培養(yǎng)

（一）物理學(xué)的重要性

1.物理學(xué)的發(fā)展推動自然科學(xué)的發(fā)展。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運動規(guī)律的自然科學(xué)，物理學(xué)中的科學(xué)實驗方法是檢驗自然科學(xué)真理性的標(biāo)準(zhǔn)。物理學(xué)研究的規(guī)律是事物和現(xiàn)象的基本性與普遍性，其基本概念和基本定律是自然科學(xué)很多領(lǐng)域得以發(fā)現(xiàn)發(fā)展的基礎(chǔ)?？茖W(xué)知識和實驗技術(shù)水平的巨大的發(fā)展也得益于物理學(xué)的發(fā)展。諸如核能的開發(fā)利用、航空和航天技術(shù)、太陽能和潮汐能的利用、納米技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等等，這些新的自然科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)拓展，都是在物理學(xué)發(fā)展的推動下，伴隨著自然科學(xué)的不斷進(jìn)步而產(chǎn)生的。從更深層次上分析，物理學(xué)的發(fā)展和完善不僅推動了整個自然科學(xué)的發(fā)展和完善，同時也推動了社會的進(jìn)步。

2.物理學(xué)是現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。從近代開始，電磁學(xué)的誕生和電磁理論的建立，出現(xiàn)了電報、電話、廣播、電視等信息傳播手段，光物理、聲學(xué)物理、原子分子物理以及光電子技術(shù)、激光技術(shù)等對信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了空前影響，計算機(jī)的出現(xiàn)更是促進(jìn)了信息處理技術(shù)的進(jìn)步，信息技術(shù)的每一次重大更新變革都與物理學(xué)密切相關(guān)。激光的出現(xiàn)對通訊技術(shù)的發(fā)展來說是顛覆性的。激光出現(xiàn)后，非線性光學(xué)在激光技術(shù)信息處理和存儲、計算技術(shù)等方面得到蓬勃發(fā)展。能源科學(xué)的發(fā)展完善也離不開物理學(xué)。如：物理學(xué)中的核物理和高能物理學(xué)是原子能開發(fā)和利用的基礎(chǔ)，凝聚態(tài)物理和光物理學(xué)是太陽能開發(fā)利用的基礎(chǔ)?？臻g科學(xué)技術(shù)的發(fā)展直接體現(xiàn)了物理學(xué)研究的水平高低。我們知道，物理學(xué)是衛(wèi)星和火箭發(fā)射、運行、控制的直接理論基礎(chǔ)，天體物理、大氣物理和地球物理是空間技術(shù)的重要理論背景和設(shè)計基礎(chǔ)。材料科學(xué)發(fā)展的主要動力之一就是物理學(xué)基礎(chǔ)研究的新理論、新發(fā)現(xiàn)、新效應(yīng)和新實驗技術(shù)。隨著高溫超導(dǎo)、半導(dǎo)體超晶格物理、新型晶體和晶體學(xué)、新型磁性材料物理、超微粒子材料物理等物理學(xué)分支的進(jìn)一步研究，必將極大地推進(jìn)材料科學(xué)的向前發(fā)展。近年來物理學(xué)家對反物質(zhì)的研究，將會給人類帶來新的能源。

3.物理學(xué)是各種高科技人才科學(xué)素質(zhì)的基本要素。著名物理學(xué)家理查德·費曼說過：“科學(xué)是一種方法，它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到什么程度（因為沒有事情是絕對已知的），如何對待疑問和不確定性，證據(jù)服從什么法則，如何去思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象。”愛因斯坦說過：“如果一個人掌握了他的學(xué)科基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會了獨立思考與工作，他必定會找到自己的道路。”

大學(xué)物理課程是以物理學(xué)基礎(chǔ)為內(nèi)容的一門學(xué)科，對于理工科各專業(yè)學(xué)生來說，它是一門非常重要的通識性必修基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)大學(xué)物理可以使學(xué)生獲取物理學(xué)的基礎(chǔ)知識，掌握物理學(xué)研究問題的思路和方法，獲得建立物理模型的能力和定性分析、估算與定量計算的能力，獲得獨立獲取知識的能力和理論聯(lián)系實際的能力，可以使學(xué)生開闊思路，激發(fā)創(chuàng)新意識，增強適應(yīng)能力，提升科學(xué)素養(yǎng)，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，樹立辯證唯物主義的世界觀和方法論。同時大學(xué)物理是一門實驗性很強的課程，有其獨特的思維與推理方法，在培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識等方面具有其他課程不能替代的重要作用。

（二）思維能力的培養(yǎng)

1.培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。大學(xué)物理課程可以訓(xùn)練學(xué)生獲取知識、組織知識和運用知識，讓學(xué)生掌握科學(xué)史上解決問題的正確方法：一是在原有理論的基礎(chǔ)上，通過提出合理的假設(shè)，去修正舊的理論；二是提出新概念，建立新理論。因此，為了更好地讓學(xué)生理解物理，也需要理清歸納法和演繹法的應(yīng)用范圍、應(yīng)用內(nèi)容，闡述在學(xué)生能力培養(yǎng)方面所起的重要作用，提出處理復(fù)雜問題的一般方法。從基本的物理現(xiàn)象出發(fā)，強調(diào)數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，建立相應(yīng)合理的物理模型，得到有實際物理意義的結(jié)果。

通常學(xué)生學(xué)習(xí)物理的思維方式有三種：第一種思維是，問“這是什么？那是什么？”，就是人本能的求知欲。這是人最簡單的思維方式。第二種思維是，問“為什么？”，產(chǎn)生這種思想的人是在探究，并且想知道答案。這種思維具有了探究性且具有了質(zhì)的升華。第三種思維是，如果老師告訴他這道題選A，他會問“為什么是A而不是B？如果是B會怎么樣？如果是C又會怎么樣？B和C錯在哪里呢？”，如果孩子把思維觸角延伸到這個層次，我們說他的思維就有了批判性。這種思維就叫作批判性思維。endprint

1905年愛因斯坦拋棄了牛頓的絕對時空觀，得出了狹義相對論；普朗克否定了傳統(tǒng)的能量是連續(xù)的觀點，得出了量子論。愛因斯坦和康普頓分別成功地解釋了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，使得光的粒子性又“復(fù)活”了，為上世紀(jì)奠定光的波粒二象性提供了支持。

2.注重物理學(xué)史教育。物理學(xué)史是一部人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識史，表明了物理學(xué)發(fā)展過程，其中涉及許多科學(xué)家和他們的科學(xué)成果。通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史，不但能增長學(xué)生的見識，加深其對物理學(xué)的理解，更重要的是通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史，使學(xué)生開闊眼界，從前人的經(jīng)驗中得到啟發(fā)。在教學(xué)中生動而真實地引入物理學(xué)史，再現(xiàn)當(dāng)時的物理事件，使學(xué)生深受感染，教學(xué)效果明顯提高。例如，量子力學(xué)的發(fā)展史是物理學(xué)上最激動人心的篇章之一。在講解量子力學(xué)時，通過概述量子力學(xué)的發(fā)展，再現(xiàn)量子論發(fā)展由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛的傳奇的物理事件。讓同學(xué)們在物理知識的海洋中聞到藝術(shù)的芬芳，激發(fā)了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。在講解麥克斯韋電磁場方程時，我們指出，該理論并非是終極真理，楊-米爾斯理論是其推廣。再如，在講解穩(wěn)恒磁場的高斯定理時，我們介紹了磁單極的概念。告訴學(xué)生，一旦將來實驗上發(fā)現(xiàn)了磁單極，則現(xiàn)有的方程要被改寫。在講解薛定諤方程的解時，我們介紹了1984年英國布里斯托爾大學(xué)Berry關(guān)于幾何相位因子的工作，指出真理的相對性。

著名物理教育家趙凱華教授指出：“在我們的教學(xué)中，同一問題，既可以把原始的物理問題提交給學(xué)生，也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后再提交給學(xué)生。習(xí)慣于解后一類問題的學(xué)生，在遇到前一類問題時，往往會不知所措?！薄拔覀兎磳Α}海戰(zhàn)術(shù)，反對針對某類考試或題庫的應(yīng)試教育。但是做題畢竟是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中比較主動的環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)物理，不做習(xí)題是不行的。但做習(xí)題不在于多，而在于精?！?/p>

我們要重視將原始物理問題引入教學(xué)。比如，我們在講解法拉第電磁感應(yīng)定律時，通過對奧斯特實驗的分析，得出電和磁這對矛盾在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。在講解光電效應(yīng)方程時，我們沒有按照教材上的講法簡單地給出光電效應(yīng)方程，而是拋出若干可能的因素給學(xué)生，比如光強、照射時間、光電流、入射光頻率、不同材料、截止電壓、電子最大初動能等等。首先分析電子為何會從金屬中逃出，這顯然是電子吸收了入射光的能量，克服了金屬的束縛。問題又來了，如何表示入射光的能量呢？電子是如何吸收光的能量的？有無可資借鑒的理論或者公式呢？能否用普朗克的公式試試呢？啟發(fā)學(xué)生分析應(yīng)該從單電子的能量守恒去分析問題，取得了很好的教學(xué)效果。

在講解測不準(zhǔn)關(guān)系時，我們先啟發(fā)學(xué)生如何測量電子的坐標(biāo)，電子處在何位置，那么通過何種手段可以知道電子的位置呢？肯定要用光子去“看”電子。這樣一來光子與電子就要發(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子已經(jīng)不是原來的位置了，電子的動量也改變了。所以永遠(yuǎn)無法找到可同時測量坐標(biāo)和動量的最佳狀態(tài)。最后，我們以測量身高為例說明永遠(yuǎn)也找不到最佳的測量時機(jī)。

在講解物質(zhì)波時，我們特別強調(diào)了思想方法的重要性。1924年，法國物理學(xué)家德布羅意提出了物質(zhì)波的概念和理論，把量子論發(fā)展到一個新的高度。德布羅意在長期思考后，把愛因斯坦的光量子理論推廣到一切物質(zhì)粒子，特別是電子。德布羅意認(rèn)為：“整個世紀(jì)以來，在光學(xué)上，比起波動的研究方面來，是過于忽略了粒子的研究方面；而在物質(zhì)粒子理論上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把關(guān)于‘粒子的圖象想得太多，而過分地忽略了波的圖象呢？”德布羅意的思想方法是自然界在許多方面都是明顯對稱的。最后，我們還以父母—孩子—父母為例講解了到底是孩子還是父母的悖論。

在講解溫度公式時，我們介紹了朱棣文等的激光冷卻原子試驗，說明一切重大的發(fā)明創(chuàng)造都源于基本物理概念的突破。

物理教學(xué)應(yīng)該既要著眼于物理知識的傳授，也要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，這不僅對提高學(xué)生在校學(xué)習(xí)質(zhì)量具有事半功倍之效，而且對他們以后繼續(xù)學(xué)習(xí)有重要意義。

20世紀(jì)以來物理學(xué)發(fā)展迅猛，取得了非常突出的成就，一直是整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科，是推動整個科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最主要的動力和源泉，也成為了整個自然科學(xué)的基礎(chǔ)，對人類社會的發(fā)展以及社會文明的進(jìn)步，產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。正如楊振寧教授所說：“在20世紀(jì)，物理學(xué)產(chǎn)生了奧妙的觀念革命，從而改變了人類對空間、時間、運動和力這幾種基本概念的認(rèn)識；深入探索了物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘，通過技術(shù)進(jìn)步為人類生產(chǎn)力帶來了空前增長?！?/p>

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