物理学拓展课程提升学生综合素质

王晓鸥 孟庆鑫 张伶莉 侯春风 宋 杰 宫德维 霍 雷 张 宇 赵 远

(哈尔滨工业大学物理系,黑龙江 哈尔滨 150001)



物理学拓展课程提升学生综合素质

王晓鸥 孟庆鑫 张伶莉 侯春风 宋 杰 宫德维 霍 雷 张 宇 赵 远

(哈尔滨工业大学物理系,黑龙江 哈尔滨 150001)

在大学物理课程教学中，受到学时及自身体系的限制，教师很难将物理学的前沿问题、最新发展以及对其他学科的影响更多地传授给学生，这在一定程度上影响了学生综合素质的提升.本文通过“改变世界的物理学”课程的教学实践介绍物理学拓展课程在创新人才培养以及在提升学生综合素质中的作用.

物理学拓展;综合素质;物理学思维方法

学生综合素质的提升有赖于知识面是否广泛、思维方法是否正确.物理学对提升学生的综合素质起到不可替代的作用,这是因为在物理学发展过程中的每一次重大突破不仅带来物理学新领域、新方向以及交叉学科和新技术学科的崛起,而且改变了人们的思维方式.“物理学为科学进步和发明的利用，提供所需训练有素的人才；物理学在培养化学家、工程师、计算机科学家，以及其他物理科学和生物医学科学工作者的教育中，是一个重要的组成部分”[1].物理学的思维方法在现代信息化战争中也发挥着重要作用[2].

但受到大学物理课程学时及自身体系的限制，教师很难将物理学的前沿问题、物理学的最新发展以及对其他学科的影响更多地传授给学生，这在一定程度上影响了学生对物理学重要性的认识，也影响了学生学习物理的兴趣.所以有必要开设物理学拓展课程，将大学物理课程中涉猎不到的前沿问题、与其他专业融合、渗透以及物理学思维方法对高新技术发展的推动作用介绍给学生.

我校于2004年秋季学期尝试以“改变世界的物理学”为题为本科生开设了全校任选的物理学拓展课程.自开课以来，一直受到学生们的喜爱，平均每年的选课人数在200人左右，选课人数位于全校公共选修课前列.“改变世界的物理学”课程荣获了2008年哈尔滨工业大学优秀课程称号.本文基于“改变世界物理学”课程的教学理念和教学实践介绍物理学拓展课程在创新人才培养以及在提升学生综合素质中的作用.

1 教学理念

提倡学科交融，淡化专业、强调综合素质教育，注重不同学科、不同专业领域之间相互了解、相互渗透和融合.挖掘创新潜质，激发创造精神，提升学生的综合素质.

2 教学实践

本课程的特点是物理学的成就与其他专业融合、渗透以及如何推动高新技术的发展.下面，我们就教学内容的选择、具体教学实例两方面分别介绍.

2.1 教学内容的选择

本课程总学时数为30学时.基于学时数的限制和课程特点，在教学内容的选择上我们重点选择物理学的重大研究成果、最新发展动态、物理学在现代高新技术中的应用、物理学与其他学科之间的关系，以及能启发学生的科学思维、能激发学生创新能力的内容，如:

(1)诺贝尔物理学奖获奖领域的物理学基础知识以及对高科技的作用和对社会发展的影响.如2007 年诺贝尔物理学奖颁给了分别独立发现“巨磁电阻”效应的法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grünberg)，由此介绍了“巨磁电阻”效应的原理及其所产生的社会价值.

(2)物理学与其他学科之间的联系与交融.如物理学为生物学提供新的思想、理论和概念.量子力学创始人之一薛定谔在他的《生命是什么？》一书中指出[3]:对生物学的一些基本问题，可用物理学概念，以精确的措词进行思考，并提出了遗传的物质基础是有机分子，遗传是以密码的形式通过染色体来传递的.这里薛定谔引入了“遗传密码”的概念，作为解释遗传信息的物理基础.薛定谔还提出:生命体系中存在量子跃迁现象，X射线照射可以引起遗传的突变.DNA的发现证实了薛定谔的深刻洞察力和科学预见性，生命以量子规律为基础,使生物学从定性描述推向定量研究，为分子生物学奠定了主要的理论基石.

2.2 教学实例

本课程共分为10讲，每讲一个专题，如世界为什么变化这么快、原子的威力、信息时代的存储技术、物理学与材料科学、从物理学角度诠释生命，等等.以第一讲“世界为什么变化这么快”为例作简要介绍.本讲主要介绍物理学对社会经济发展所起的促进作用以及物理学对高新科技发展的影响，让学生重新认识物理学对社会发展的重要作用.如:

1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础.1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发现了一种奇怪的现象:当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光.由此他们提出了“激光原理”:受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源.1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器,获得了人类有史以来的第一束激光.激光的出现带动了多学科的发展，如量子光学、量子电子学、激光光谱学、非线性光学、集成光学、海洋光学等等.这里只列举一些与日常生活相关的激光应用科学的发展.如激光加工，激光的亮度比照射到地球表面的太阳光高千万亿倍，经光学系统聚集，能使材料瞬间熔化，可用做多种机械加工；还利用激光极好的相干性，做精密光刻，制造纳米材料等.此外，激光使光导纤维成为现代通信技术的新宠，激光医学、激光准直、激光表面质量检测等必将改变我们生活的方方面面.

学生从中了解到物理学不仅仅只是概念、原理，它与我们的生活息息相关，是各科技领域发展的重要基石.如06104班的何亦蕊同学说:“……与相关学科的联系使我们更加深刻地领悟到了哲学中的“事物是相互联系的，运动的，不是孤立存在的”.其中还涉及了我的专业——电气，让我了解到一些它的历史，更重要的了解到它未来可能会向哪个方向发展，这对学生来说是很重要的；…….”

3 学生综合素质的提升

本课程从拓展知识基础、挖掘创新潜质等方面提升学生的综合素质.

3.1 拓展知识基础

本课程以物理学的基本原理及物理学的新发展为基础，融物理学知识和高新技术前沿应用为一体，引导学生了解学科前沿和新成果、新趋势、新信息，扩大知识面、开阔眼界，使学生能站在更高的层次上学习科学知识.

例如，我们处在信息时代，对信息的掌握是成功的关键，这涉及信息的存储、传递、保密等问题，我们在课堂上介绍了用光学方法、量子力学方法处理信息技术以及发展前景，拓展了学生的视野.通过学习学生体会到“……作为学生，我们学习的内容更多的是理论，对于研究的动向和应用知之甚少，这门课让我开阔了眼界，了解了大师们做出物理发现的过程，扩展了思路，增长了兴趣，对以后的学习很有帮助……”.

3.2 强化素质教育

从物理学家们在研究过程中的一些小故事以及他们的人格魅力入手，介绍科学家们在科学探索过程中放弃个人名利追求全人类的利益等一个个事例，培养学生不仅具有科学探索精神，还应具备强烈的社会责任感.

学生通过学习很有感触:“……在您讲课后，我拜读了费米的传记，他的学习精神、做事的严谨、生活的积极性、对事业的执著，都在激励着我，尽管我不想成为费米，但是那种态度是可以学习的……”.

3.3 提倡学科交融

我们尝试了让学生联系所学专业，从物理概念、物理学原理的角度阐述、整理所学专业的规律及内涵.如08级国际经贸专业的孙雪梅同学结合爱因斯坦质能关系式E=mc2将“……质量m与能量E比作两种货币m和E，原先认为不能相互兑换，爱因斯坦发现:E是流通货币，m是存款，两者可以兑换，兑换率是c2……”；08级国际经贸专业的张明明同学则从机械波的角度阐述价值规律:“……价格围绕价值上下波动是价值规律的表现形式，它的图形表示就如同波动曲线，如图1所示.但无论怎么波动，都不会过分偏离价值这条中心线，这不仅不会扰乱经济秩序，还会有效地调动市场向正确的方向发展.……应用这条规律更好地服务于我们的经济生活.”

图1 价格—价值曲线图

3.4 挖掘创新潜质

授人以渔，以知识为载体，介绍物理学前沿课题的研究方法以及物理学家们的创造性思维，启迪学生的智慧，培养科学的思维方法，挖掘创新潜质，激发创造精神.正如学生所讲“……我们将来必将挑起推动科技发展的重担，要有所作为，掌握现在的知识固然重要，但更重要的则是具备科学思维方法，具有创造力，……”.让学生了解物理学知识在各学科领域中的重要作用，了解物理学与各学科之间的交集、联系，以及物理学对创新性研究的催生作用，就是给学生提供创新能力在思维上的储备.

4 学生反馈

经过10年多的教学实践，学生对这种知识拓展课程是认可的.以下摘录了部分学生听课后的体会及感想:

物理系的高磊同学:“……‘改变世界的物理学’一课的开设，不但有利于人文专业的学生学到科学知识，学到科学思维方法，培养科学素质，即使理工科学生，也能在广泛了解当今各种高新科技方面培养广泛视野.以我为例，作为应用物理系的学生，大学两年多来所学的都是一些基础理论，在课堂上很少涉及到当代科技的发展，理论如何应用于实际，而且学习的完全是几百年经过无数科学家总结的正确的指示，从中看不到科学家们是如何研究问题，科学家们的思维方法，科学前进中的曲折.而后者恰恰是我们应该掌握的，我们将来必将挑起推动科技发展的重担，要有所作为.掌握现在的知识固然重要，但更重要的则是具备科学思维方法，具有创造力，具有探索科学的不怕挫折、锲而不舍的精神，而这些，在此课程中都有很好的体现.…… 正是通过‘改变世界的物理学’这门课，我们学到了很多的知识，同时也思考了很多问题.”

航天学院自动控制科学与工程系的李志奇同学:“……我们专业本身涉及的领域比较多，一个自动控制系统往往与机、电、光等方面都有联系.选修这门课的目的是为了多了解一下现代物理学的最新发展，以备将来用在与自己专业有关的领域中，在课程即将结束时，我认为我基本达到了预先的目标.如，在讲授物理与光学这一专题时，老师提到了全光开关这一技术.我觉得如果全光开关真能开发成功，它在自动控制领域的应用前景是很广阔的.……相信随着我对本专业的进一步了解，更多的物理知识会与本专业知识相联系.”

航天学院自动化的国光跃同学:“我认为‘改变世界的物理学’是一门很有意义的选修课.我和周围的同学对现代物理的前沿发展，现代科学的尖端运用都抱有很大的兴趣.可是我们往往要面对繁重的课业负担和考试就业的巨大压力，没有专门的时间和机会体会物理学的奇妙奥秘.同时，物理学也不是通俗易懂的休闲小说，草草浏览完毕，头脑里还是一片空白.如果有图文并茂的学习材料，再加上老师不失时机的点拨，那该有多好！这门选修课的开设，适时地解决了这个矛盾.……”

5 结语

通过10年多的教学实践及从学生的反馈情况看，在大学里开设物理学拓展课程是非常有必要的.首先，拓展了学生的知识面、开阔了眼界，提升了学生认识问题的广度；其次，物理学前沿课题的研究方法以及物理学家们的创造性思维，可启迪学生的智慧，培养学生科学的思维方法，挖掘创新潜质，激发创造精神.其三，让学生了解物理学知识在各学科领域中的重要作用，了解物理学与各学科之间的交集、联系，以及物理学对创新性研究的催生作用，可激发学生的创新欲望，从而提升我国自主知识产权产品的数量与品质；其四，使学生能站在更高的层次上学习科学知识，促进学生的全面发展，为培养具有良好的科学素质和创新能力的人才打基础.

[1] 第23届国际纯粹物理和国际应用物理联合会(IUPAP)代表大会通过决议五物理学对社会的重要性.物理与工程(原名工科物理)，1999,9(5):7.

[2] 吴世永，曲亮生，李慧，等.大学物理蕴含的科学思维方法在实战训练中的体现[J].物理与工程，2014，24(5):59-61.

[3] 薛定谔.生命是什么[M].2版.罗来鸥，罗辽复译.长沙： 湖南科学技术出版社，2011.

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PHYSICS CURRICULUM DEVELOPMENT PROMOTES STUDENT’S COMPREHENSIVE QUALITY

Wang Xiaoou Meng Qingxin Zhang Lingli Hou ChunfengSong Jie Gong Dewei Huo Lei Zhang Yu Zhao Yuan

(Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150001)

Restricted by the teaching hours and systems,in the teaching of university physics courses,teachers can hardly initiate frontier physics problems,its recent development and its influence on other subjects to students,which affects the improvement of students’ comprehensive quality to some extent.This paper introduces the role of physics curriculum development in the cultivation of innovative talents and improving students’ comprehensive quality through the teaching practice of the course “physics changes the world”.

physics development;comprehensive quality;thinking methods of physics

2015-02-04

黑龙江省教育科学“十二五”规划2012年度省重点课题(课题编号:JJB1212030)和2014年黑龙江省高等教育科学研究重点课题(课题编号:14Z001)资助.

王晓鸥，女，博士，教授，主要从事光学非线性的研究及大学物理的教学工作.wxo@hit.edu.cn