“大學物理”課程中圍繞學生創新能力的調研與措施

王永鋼

(北京郵電大學理學院,北京 100876)

“大學物理”課程中圍繞學生創新能力的調研與措施

王永鋼

(北京郵電大學理學院,北京 100876)

本文介紹在為北京郵電大學創新能力試點班講授“大學物理”過程中,發現的當前學生中明顯存在的一些問題和針對這些問題在課堂教學、課外作業以及考試環節所采取的一些有針對性的措施.

大學物理;創新能力;工程技術

1 研究背景

在人才培養的各方面中,能力的培養最為重要,而在各種能力中,創新能力又有著重要的地位,因此當前我國各高等學校都在關注大學生創新能力的培養.在這個背景下,北京郵電大學承擔了教育部高等理工教育教學改革與實踐項目“電子信息類專業本科生創新實踐能力培養改革的研究與實踐”,并自2007年開始組建了相應的試點班,希望以這個試點班為對象,調查當前學生中突出存在的問題,分析研究各教學和管理環節對學生創新能力的影響,在各培養環節中提出有針對性的措施并付諸實踐,從中摸索出強化培養學生創新能力的經驗和規律.

2 試點班的組建與授課

試點班是從我校電子信息類有關專業的學生中選拔組建而成.在學生入學后請愿意進入試點班的學生寫一篇對大學四年設想的文章,利用此文章初步篩選后再進行面試.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確地了解學生勇于嘗試的精神、承受失敗的心理準備、與人交往的能力以及對課外知識的興趣等.為保證試點班的研究結果具有推廣價值,選拔時并未看重學生的高考成績.

考慮到課程學習在大學四年的學習時間里占有很大比例,課程環節對學生各種能力的影響不容忽視.但是把試點班辦成一個“世外桃源”對學生將來的發展并沒有好處,經過研究,學校選定了一批被認為是對學生后續學習和將來工作有較大影響的課程在試點班單獨開課,而一些一般性課程則是讓試點班學生和普通班學生合班聽課.“大學物理”是被選定單獨開課的課程之一,由本文作者擔任“大學物理”課程的主講教師.

3 試點班“大學物理”課程的教學內容與課程體系

一門課程的教學改革通常涉及教學內容、課程體系和教學方法與手段等方面.

經研究分析,我們認為“大學物理”是一門重要的自然科學類公共基礎課,各學校的基本教學內容應該是相同的,這個基本內容已經在教育部教學指導委員會《理工科類大學物理課程教學基本要求》中得到很好的體現.恰好在我們第一屆試點班教學開始前不久,“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由“教指委”在較大的范圍內多次征求過意見,經反復討論后定稿,該基本要求的科學性和權威性是不應該懷疑的.因此我們認為試點班“大學物理”課程的教學內容仍應遵守此基本要求.

同樣的,我們認為現行的課程體系也無須作大的調整.

4 教學中發現的突出問題

除正常的課堂教學外,本文作者還和其他為該班授課的教師一起與學生進行了座談.在座談以及教學中發現,該班同學充滿了創新激情,但有些同學不注重一點一滴的積累,雖然當時他們只是一、二年級的學生,卻一心想在短時間內快速地完成一些大的項目,而在電子信息這樣的領域,這實際上是不太可能的.

其次,在平時的教學以及交談中還發現,該班不少同學對分數和排名的重視程度已經到了不正常的地步.一些同學過度關注與排名有關的各種事項,很難把精力集中到如何真正提高自己的能力這方面來.實際上,影響排名的因素很多,排名與創新能力之間并沒有很強的關聯.

教學中還發現,有些同學輕視基礎課的學習,不但在“大學物理”課中不投入精力,有的甚至連“電路分析”這樣和專業密切相關的課程都不重視.出現這種現象的原因,或許是因為目前電子信息類專業畢業生的就業情況和收入都還比較樂觀,但這種情況對學生將來的發展肯定是不利的.

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

毫無疑問,這樣的狀態將會影響學生的創新能力,也是我們應該通過各個教學環節著力解決的問題.

5 課堂教學中采取的措施

按照上面的分析,我們教改的重點不是教學內容和課程體系方面,而是如何使學生在學習基本知識的同時,盡最大可能提高他們與創新能力有關的各種素質.

“大學物理”作為一門重要的自然科學方面的基礎課,在培養學生科學素養與能力方面的確可以發揮特別的作用,這些能力包括應用高等數學的能力、邏輯推理的能力、建立數學模型的能力、近似計算的能力等.關于這些方面的能力培養,已經有很多文章介紹經驗,這里不再重復.

我們認為,對于工科學生而言,能夠很快將基礎科學中的新發現應用到工程技術開發中,是他們創新能力的一個重要方面.因此在實際講課中,我們特別注重介紹物理學基本原理和新發現在工程技術中的應用.我們認為,對于大學工科專業一、二年級的學生,從原理上理解這些新發現是困難的,但只要學生能理解這些新發現是怎么回事,它們為何在工程技術中有重要應用就足夠了.

下面列舉幾個教學中的典型事例.

5.1 量子霍爾效應

在講授霍爾效應時,我們補充量子霍爾效應的知識.從理論上解釋量子霍爾效應需要用到復雜的量子理論,這在“大學物理”課程中是不可能的,然而對比經典的霍爾效應,同學們理解量子霍爾效應的實驗結果并不困難,而理解了有關的實驗結果后,同學們就很容易理解為什么該效應決定了電阻的自然基準,這在科學研究和工程技術中都是重要的.發現量子霍爾效應時用到了非常極端的實驗條件:低溫、超強磁場和品質優良的薄膜樣品,由于產生超強磁場需要很大的電流,為避免干擾其他研究組,此效應的發現者克利青堅持每次在深夜做實驗,這一事例也說明了研究條件和科學家的品質與毅力在新發現中的作用.

5.2 約瑟夫森效應

與霍爾效應相似的,還有約瑟夫森效應.講磁介質時我們要介紹超導體的完全抗磁性,此時簡單介紹約瑟夫森效應.約瑟夫森效應不僅現象極為奇妙,而且決定了電壓的自然基準,并且在精密測量中有著重要的應用.其次,我們還要說明,約瑟夫森發現以他名字命名的這一效應時,只是英國劍橋大學的研究生,正是因為他注重學術交流和關注科學前沿,才使他有了如此重要的發現,由此使學生理解學術交流的重要性.

5.3 利用微軟播放器演示信號與頻譜的關系

傅里葉變換以及頻譜等概念在物理學和工程技術中都有著重要的應用,不過用此方法的數學計算有一定難度,導致一些同學產生了畏難或厭煩情緒,影響了相關課程的講課或學習.鑒于此,我們利用 Windows操作系統自帶的 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系,使學生對頻譜概念有了比較形象的體會,意識到在個人計算機非常普及的今天,頻譜的概念已經很貼近我們的工作和生活,提高了學生的學習興趣.(詳情請參閱“利用微軟媒體播放器輔助頻譜概念的教學”,收入《2008年全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會(長沙)論文集》).

5.4 信息光學的簡單介紹

待頻譜概念得到鞏固以后,通過比較“信號與系統”課程中矩形脈沖的頻譜曲線與“大學物理”課程中單縫夫瑯禾費衍射光強分布曲線之間的相似性,很容易說明各種夫瑯禾費衍射實際上對應于透光屏透光率分布的傅里葉變換,以此為基礎,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的“光學”課程或光學儀器專業的“物理光學”課程中講授,正規講授需要較多的時間.我們這種講法可能不夠細致和深入,但是可以用很少的時間講清楚一些概念之間的關聯,特別是能夠提醒學生注意不同課程之間的聯系,這對于他們將來綜合運用所學知識是有好處的.

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“大學物理”課程常規內容的聯結點,能夠用有限的時間使學生正確理解事情的來龍去脈,從中受到教育和啟發.

6 課后環節中采取的措施

鑒于當前同學中存在思想上充滿創新熱情而行動上又不愿意腳踏實地這樣的問題,我們認為,對于像“大學物理”這樣的基礎課,若想為解決這類問題發揮作用,不但可以在課堂教學中給出一定的事例說明平時積累的重要性,還可以利用課外環節使學生對科研工作的某些環節有所體會.

出于這樣的考慮,我們布置學生在課外環節進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,我們給學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,也可以是個人的讀后感.我們布置這項工作有兩方面的用意,一是目前“大學物理”課程的教學時數很緊,藉此可以補充課內學時不能講授的內容,例如彌補不能花很多時間介紹相對論歷史背景的不足(而實際上歷史背景對于培養學生的思維創新能力是非常重要的);其次文獻調研是科研和技術開發方面的一項重要而艱苦的基礎性工作,借此可以使學生對實際工作有一個初步的體驗.

關于課外小論文,我們給出了一些參考題目,多為課堂內容的延伸,學生也可以自選題目,主要目的是拓寬學生視野、激發學習興趣和培養學生腳踏實地的作風.

7 考試環節中采取的措施

我們對考試環節也進行了相應的改革,以檢驗課堂環節和課后環節的效果,并確保學生對我們課堂和課后環節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表現的考核力度,在平時表現中計入課外查閱資料和小論文這項工作.平時成績包含三部分,即出勤、課后作業、查閱資料與小論文.我們曾經考慮過平時成績中是否可以取消出勤與課后作業這兩個因素,以便給學生更多的靈活性與自主權,但是在講課過程中我們發現某些學生的學習主動性不夠,仍有必要在考核平時表現中保留這兩項,以便對學生起到督促作用.

8 結語

我們認為“大學物理”課程在培養工科大學生創新能力方面的確有著獨特的作用,這些作用首先表現在對學生素質有著潛移默化的作用,由此既可培養學生盡快理解物理學的新發現并將其應用于工程技術的能力,也可培養他們腳踏實地的精神.

致謝

本工作得到教育部高等理工教育教學改革與實踐項目“電子信息類專業本科生創新實踐能力培養改革的研究與實踐”和北京郵電大學教改項目“以提高學生創新能力為目標的‘大學物理’課程教學改革研究”的支持,特此致謝.

2010-11-04)