淺論大學物理中的拓展教育

摘要：拓展教育是基礎教育的一種延伸和擴展。從形式上而言，拓展教育更注重教學的實踐性和創新性。由于拓展教育的特質，受到各專業課程教師的越來越多的關注。本文先以直觀簡潔的語言闡述了拓展教育特別是大學物理中的拓展教育的定義。并結合半波損失的拓展教學，闡述了大學物理教學過程中加強創新教育的重要性和可行性。

關鍵詞：拓展課程；工科物理教育；創新教育

中圖分類號：G642.41?搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）33-0162-02

什么是拓展教育？從內容上說，拓展教育是基礎教育的一種延伸和擴展。從形式上而言，拓展教育更注重教學的實踐性和創新性。由于拓展教育的特質，受到各專業課程教師的越來越多的關注。拓展教育已在包括中學，小學甚至幼兒教育中得到廣泛的推廣并取得成果。各個學科各個分支均有其與自身相關的研究和實踐。作為一個從事多年大學物理教學的工作者，長期以來我一直在關注拓展教育在大學物理課程中的應用。我所思考的是在大學物理中如何有效地開展拓展教育？它應該包括哪些部分？如何在基本教育和拓展教育中進行合理的安排？

我們必須認清拓展教育在大學物理課程中的重要地位。物理課的作用一方面在于為學生較系統地打好必要的物理基礎；另一方面使學生初步學習科學的思想方法和研究問題的方法。這對于開闊思路、激發探索和創新精神、增強適應能力和提高人才科學素質具有重要意義。學好大學物理課不僅對學生在校學習十分重要，而且對畢業后的工作和進一步學習新理論、新技術和不斷更新知識都將產生深遠影響。教育部擬定的規劃學時（136學時）能夠基本保證工科后續專業課程學習的要求。但由于課時或內容局限，某些重要概念和技術應用無法展開，這樣將勢必影響工科學生的能力培養，這些很多都是值得介紹的。比如半波損失現象、鐵磁現象、耗散結構等。隨著時代的進步，這方面的內容越來越多。歸類于大學物理的范疇但又超出基本教學大綱要求的這一部分內容就可以被認作是大學物理的拓展教育所面臨的對象。各個學校對這方面的問題已經有了一些想法：比如可以通過增加課時設置專門的選修課等。筆者的觀點是：在不改變基本學時，不設置新課的基礎上，同樣也可以做大學物理的拓展教學。這里主要是搞好基本內容和拓展之間的平衡，首要的當然必須滿足大綱的基本要求，然后合理安排，做一些選擇性的拓展教學。在多年大學物理的教學過程中，本人做了一些嘗試，并獲取了一些好的經驗。比如本人在半波損失的教學中，做了一些有益的嘗試。一是把各種半波損失串起來講，二是從不同的研究方法說明半波損失產生的機制，三是充分調動學生的積極性，有許多工作讓學生來做。眾所周知，光的干涉現象是光學中很重要的一部分，而只要涉及到光的干涉現象，半波損失就是一個不得不考慮的問題。機械波、光波、電磁波都存在半波損失現象。鑒于半波損失問題在理論和工程實踐中的雙重地位，引起了物理學界的普遍關注，研究的論文層出不窮。但在大學物理課程的實踐中，由于大綱和課時的限制，半波損失問題的講解無法達到清晰滿意的效果。其實物理課程中此類情況并不少見，往往比較重要的內容要么刪去，要么輕描談寫一筆帶過，多少給這個課程留下一點遺憾。長期以來我一直很關心如何講好半波損失這方面的內容，所以在前年的一屆物理教學課程中，進行了以這個問題研究為核心的拓展教學實踐。在基本教材中，半波損失只描述現象，并未給出有關機理的分析。我從兩個方面進行了拓展，并通過matlb模擬牛頓環直觀地說明了半波損失的存在和原因。首先從麥克斯韋方程的邊界條件，推導了菲尼爾公式：設入射光波、反射光波和折射光波的電場強度分別為：E，E'和E''；磁場強度分別為：H，H'和H''；波矢量分別為：k，k'和k''；入射角、反射角和折射角分別為：θ，θ'和θ''。

①E⊥入射面：ts=■=■=■（2-2）

②E∥入射面，可得：rp=■=■=■ （2-3）

tp=■=■=■（2-4）

（2-1）-（2-4）式被稱為菲涅耳公式。式中的rs和rp分別稱為垂直分量和平行分量的振幅反射比，ts和tp分別稱為垂直分量和平行分量的振幅透射比。其中E⊥，E⊥'，E⊥''，H⊥，H⊥'，H⊥''以及E∥，E∥'，E∥''，H∥，H∥'，H∥''僅僅為區分E⊥入射面和E∥入射面兩種情況，只是一種記號。由于0≤θ≤90°，0≤θ''≤90°，則θ+θ''≤180°，-90≤θ-θ''≤90°，所以由（2-2）、（2-4）式可得ts＞0且tp＞0，則分別與其規定方向相同。例如圖c：（各平行分量、垂直分量和相應的光波的傳播方向構成右手螺旋關系）

根據上面的方法，我們可以得到反射光波和入射光波 E的各個分量的方向，若反射光波的合矢量方向與入射光波的合矢量方向恰好相反，即反射光波振動方向相對于入射光波發生了位相為π的突變，這就好像是反射光波多走或少走了半個波長，故稱為半波損失。需要特別指出的是，通過rs，rp的正負只能得到各個分量的方向，即使反射光波與入射光波相應的分量的方向相反，也不能以此說明反射光波發生了半波損失。根據矢量疊加原理，合矢量的方向相反，并且在同一條直線之上，必須滿足其變化率相等即|rs|=|rp|。若|rs|≠|rp|則其合矢量不會在同一條直線之上而是發生了一定角度（非180°）的旋轉如圖d，這種旋轉的效果是不可以用光波多走了或是少走半個波長來替代的，也就沒有所謂的半波損失。其次，根據德布羅意假設：一切微觀粒子都具有波粒二象性，即一個能量為E、動量為P的自由粒子，相當于一個波長為λ、頻率為ν的波，這個波稱為物質波，也叫德布羅意波，滿足德布羅意關系式：E=hv，p=■.

根據量子力學理論：粒子狀態可用波函數表示，設入射光子、反射光子和折射光子的波西數分別為Ψ1（y，t），Ψ2（y，t）和Ψ3（y，t），設其表達式分別是：■根據量子理論，描述微觀粒子狀態的波函數應滿足有限、單值、連續（一階導數也連續）這3個標準條件，由連續性條件可得：

Acosφr=■ ■

大學物理課程中此類例子甚多。這種拓展的要點是對一個基本概念和現象的深入挖掘。還有許多有效的手段和方法，比如有些傳統的基本概念在后續歷史又有發展，對于這種概念的延伸可以有的放矢加以拓展。比如在講解霍爾效應時，在講清霍爾效應的基本概念的基礎上，可以順帶介紹量子霍爾效應以及光霍爾效應。此外也有注重實踐性的拓展教育，比如可以去現場觀摩教育。搞好拓展教育對培養創新人才更快地提高學生的科技競爭能力很有必要！目前的大學物理教育的現狀是令人擔憂的，許多做法實際上還是非常的陳舊，并未脫離應試教育的瓶頸，這樣培養的學生的能力是很成問題的，必須扭轉這一不利現象。

綜上所述，我認為：（1）物理課程要盡可能滿足培養學生創新能力的提高需求，不能片面地為單一地迎合考試而講課。（2）學生是課堂教學的主體，學生有很大的學習能力和潛力。要釋放他們的潛能。（3）大學物理教學的改革勢在必行，如何平衡大綱和實際應用的關系，值得商議?？偠灾?，在大學物理課程中加強拓展教學是有成效的。為了培養適應日益增加的國際競爭我們必須增強創新人才的培養，積極推進大學物理中的拓展教育很有必要，一定要搞！

參考文獻：

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[3]彭金生，等.近代量子光學導論[M].北京：科學出版社，1996.

基金項目：上海理工大學大學物理優秀教學團隊建設項目

作者簡介：倪衛新（1957-），男，江蘇海門人，上海理工大學講師，大學物理課程骨干教師，主要從事大學物理教學，大學物理網絡建設，量子物理等研究。