應用物理學專業課程體系改革與教學內容的優化整合研究

彭勇宜

摘要：本文基于目前應用物理專業課程體系僵化，教學內容陳舊重復等問題，依據應用物理專業的人才培養目標，提出了課程體系改革，優化重整教學內容的必要性，原則和具體思路。將原有普通物理和理論物理課程優化整合為力學理論、熱物理學、電磁理論、近代物理學，并對整合后專業課程開設順序和時間作出了合理安排。課程體系改革和教學內容的優化整合能大大縮減課時，提高教學效益，突出應用物理的專業特點，為培養合格的應用物理復合人才提供可靠保障。

關鍵詞：應用物理；課程體系；教學內容；優化整合

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0040-02

一、前言

物理學的基本原理滲透在自然科學的各個領域，被稱為自然哲學，已成為相關應用技術領域的基礎和源泉。應用物理專業是一個以物理學為基礎，以“應用物理”為核心和特點，強調將物理學知識與實際應用相結合的專業，以培養既有一定物理理論知識，又有一定實驗技能與工程技術的理工復合型人才為目標的專業[1]?？墒悄壳霸S多高校的應用物理專業的培養目標無法實現，其培養質量令人堪憂，其中最迫切最重要的是應該對應用物理專業課程體系進行大力合理改革，對其傳統教學內容進行優化重整。

二、應用物理專業課程體系改革和教學內容的優化重整的必要性和緊迫性

2007年2月17日教育部下發了《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》。其中強調要深化教學內容改革，建立與經濟社會發展相適應的課程體系，要根據經濟社會發展和科技進步的需要，及時更新教學內容，將新知識、新理論和新技術充實到教學內容中，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內容。要采取各種措施，通過推進學分制、降低必修課比例、加選修課比例、減少課堂講授時數等，增加學生自主學習的時間和空間，拓寬學生的知識面，提高學生的學習興趣，完善學生的知識結構，促進學生個性發展。

目前的應用物理課程體系仍然主要由普通物理課程（包括力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學）、理論物理課程（包括理論力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學）以及固體物理學構成。應用物理專業的學生經過高中物理、普通物理和理論物理的學習，發現許多課程內容重復出現，以至于相當一部分人認為沒有多大差別，只是所用數學工具不同罷了，“高中用△，普物用d，理物用”，這充分反映了應用物理專業主干課程體系和教學內容存在的嚴重問題[2]。即當今的應用物理專業課程體系和教學內容仍沒有跳出傳統物理學專業和物理教育專業的框架，課程體系僵化，過分強調“系統化”、“邏輯化”，傳統的基礎和理論物理課程內容重復而陳舊、占用課時過多。沒有體現物理世界的發展性，現代性、統一性以及各學科之間的內在聯系、相互交叉、相互滲透。普遍存在“重經典、輕現代、重理論、輕應用”的弊端，反映現代科學和高新技術發展成果的課程和教學內容太少，應用物理專業的“應用”特色體現不明顯，學生的科學素養、理論和實際相結合的能力較差，無法實現應用物理專業培養目標[3，4]。

“知識爆炸”時代，科學技術的發展日新月異，其在經濟發展進程中的作用越來越大，同時也產生了許多新興學科。教學內容和課程體系是人才培養目標、培養模式的載體，是教育思想和教育觀念的直接體現，是提高人才培養效率和質量的決定性因素[5]。因此培養應用物理專業人才的教學內容和課程體系理應滿足新時期科技、經濟飛速發展對人才培養的需求，所以改革現有課程體系，優化整合教學內容，提高教學效益已勢在必行，刻不容緩。

三、課程體系改革和教學內容優化整合原則

課程體系的設置和教學內容的選取要符合教學規律，符合學生的認知規律，由現象到本質，由簡單到復雜，同時注意到自然界是普遍聯系的，不人為割裂自然科學的內在聯系，理論和原理是經典的，但應用要是現代的，按照“少而精”的原則，對傳統教學內容實行量的精選、壓縮與質的提高。對現有的普通物理（包括力學、熱學、電磁學、原子物理學）和理論物理（包括理論力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學）進行優化整合，絕不搞簡單縮減，重新設置課程體系，并對課程開設順序和時間做出科學合理的安排，同時注入現代化的教學內容，將近代物理和科技發展的最新成果納入新的課程體系和教學內容，及時反映科學技術研究的新成果，使學生及時了解學科發展前沿的新成就、新觀點、新動向。縮減傳統課程門數及學時數，以便增開其它應用物理課程及學時數。

四、課程體系改革思路和優化整合的教學內容

1.力學和理論力學優化整合成力學理論。如今許多應用物理專業第一學期就開設普通物理課程力學，到第五或第六學期再開設理論力學，而理論力學前面相當大一部分是和力學內容重復的，如質點運動學、質點動力學、質點組運動學、質點組力學、剛體力學等內容重復量大，這不僅降低了學生學習新知識的興趣，且浪費了很大一部分教學課時。同時力學課程要求采用微積分、矢量分析、微分方程等高等數學知識研究處理“變”的物理問題，這和學生剛開始接觸高等數學知識相矛盾，教師在授課時不得不降低要求講解，造成學生后續學習理論性強的理論力學的難度增大，教學效果降低。因此打破原有力學和理論力學界限，將它們優化重組成力學理論課程，刪除牛頓力學重復部分，去除相對論部分，將這部分移到電磁理論中講解，力學理論安排到大學第二學期開設，這時學生們的高等數學工具應用較為熟練，已具備了處理“變”問題的科學思維方法和能力，有利于教學質量的提高。精簡、優化整合后的力學理論包括：質點力學、剛體力學、非慣性系力學、振動與波、連續體力學、虛功原理、拉格朗日方程、哈密頓正則方程、哈密頓原理、泊松括號與泊松定理、正則變換、哈密頓-雅可比理論、非線性力學簡介。力學理論課程既包括牛頓力學，又包括分析力學，將研究力學問題的方法有機辯證地聯系起來，物理概念清晰準確，理論體系簡潔明了，兼顧了經典與現代、基礎與前沿內容，為后續理論課程的學習構筑了橋梁和基礎。

2.熱學和熱力學與統計物理學優化整合成熱物理學。據統計，熱力學與統計物理學中的熱力學部分和統計物理學部分分別占總內容的46%和54%。熱學課程中的熱力學定律部分和熱力學與統計物理學中熱力學部分內容（溫度與平衡態、物態方程、熱力學第一定律、功、熱容量與焓、理想氣體、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等）重復率高達1/3[6]。在分子動理論和經典統計部分也有重復，如麥克斯韋速率分布律和速度分布律、玻耳茲曼分布律、能量按自由度均分定理、氣體內的輸運過程，所以將熱力學部分與熱學中的重復部分刪除，將這兩門課程進行優化整合，可以縮減約1/3的課時。優化整合的主要思想是貫穿從宏觀到微觀，從單個質點到大數量粒子構成的系統這一線索。在熱學部分介紹經典熱學、熱學最新動態、熱學在新科技中的應用，統計物理學部分以系綜理論為主線，融宏觀與微觀理論于一體，立足于微觀量子理論，從等幾率原理出發，循序漸進地闡明統計物理學理論，運用統計物理學理論導出熱力學基本定律，將統計物理學概念與宏觀熱現象相聯系和對應，實現熱現象的宏觀理論與微觀理論的有機融合。優化整合后的熱物理學內容包括：熱力學第零定律與溫度、狀態方程、氣體分子運動論的基本概念、氣體分子熱運動速率和能量的統計分布率、氣體輸運過程、功、熱量、熱力學第一定律與內能、熱力學第二定律與熵、固體和液體、相變、統計物理學基本原理、孤立系統、封閉系統、熱力學函數及其應用、氣體性質、開放系統、量子統計理論、漲落理論、非平衡態統計物理。

3.電磁學和電動力學優化整合為電磁理論。電磁學和電動力學都是研究電磁場基本性質、運動規律及其與帶電物質之間的相互作用。電磁學側重于電磁現象的實驗研究，從對電磁現象的研究中歸納出電磁學的基本規律，而電動力學側重于理論研究，以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎，研究靜態、時變態條件下電磁場的空間分布和運動變化規律，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等問題。考慮到電磁學與電動力學在內容上是相互統一，相互滲透的，可以將它們優化整合成電磁理論課程，將電磁學與電動力學的內容適當貫通，既分層次，又平滑過渡，避免不必要的重復。具體如下：由庫侖定律引出電場、電場強度的定義，電通量、高斯定理及場強的計算，由電場力作功的特點引出環路定理、電勢、電勢的計算；由畢奧-薩伐爾定律引出穩恒磁場的計算、環流和旋度、散度；由電場強度與電勢的關系引出真空中的泊松方程與拉普拉斯方程；介紹介質的電磁性質、場與介質的相互作用、靜電場邊值關系與唯一性定理，運用泊松方程與拉普拉斯方程計算真空與介質中的場強與電荷分布，介紹靜電場分離變量法、鏡像法；由穩恒電流導出靜磁場，由電場中的標勢引出矢勢、磁標勢；對電磁感應、麥克斯韋方程組、電磁波輻射與傳播、狹義相對論均單獨設章節介紹。對超導、等離子體、巨磁電阻等做簡要介紹，豐富理論與實際應用的聯系，電路和交流電內容放電工學課程中講解。

4.原子物理學和量子力學優化整合為近代物理學。原子物理學側重于原子光譜實驗現象的解釋、物理思想和物理模型的建立，量子力學是在對原子光譜研究的基礎上發展建立起來的理論體系，側重于微觀本質，理論性強。原子物理學的實驗研究促進量子力學的不斷發展，它們聯系緊密，相互促進，其研究對象存在重復，導致目前許多原子物理學教材中的量子力學導論部分內容和量子力學教材存在大量重復，如玻爾氫原子理論、波粒二象性、不確定性原理、波函數及其統計解釋、薛定諤方程、平均值計算、氫原子薛定諤方程解、康普頓散射效應、堿金屬原子光譜精細結構、塞曼效應等。因此必須對這兩門課程進行優化整合，形成新的知識結構體系，其思路是：通過對原子現象的發掘，引出其量子力學的理論本質，同時通過量子力學理論的建立和運用，來研究原子等微觀體系的特性。優化整合后的基本內容為：經典物理遇到的困難、玻爾氫原子理論、狀態與薛定諤方程、力學量與算符、中心力場、電磁場中粒子的運動、矩陣力學、微擾理論、電子自旋、多電子原子、外場中的原子、多體問題、分子結構和能譜、散射。這樣優化整合后課程所需學時會比優化整合前大大減少。

五、整合后專業課程的開設時間安排

根據學生的認知特點和規律、應用物理專業課程之間的關聯，優化整合后的課程開設順序可以這樣安排：大學一年級注重增加高等數學教學課時，將高等數學進度盡量前推，大學第二學期開設力學理論、第三學期開設光學和電磁理論，同時開設數學物理方法為后續課程做好準備，第四學期開設近代物理學，第五（或四）學期開設熱物理。這樣的調整安排能留出更多時間來開設其他應用物理專業課程，有利于學生的就業或繼續深造。

六、教學改革的預期效果

1.重構應用物理主干課程體系，避免了基礎課程和理論課程教學內容的重復，優化教學內容，縮減課程科目，節省大量課時，將會大大提高教學效率。為應用物理課程的開設、選修課的開設及學生的個性化發展提供了時間條件，突出了應用物理、技術課程的地位和專業特色。

2.為應用物理培養目標的實現，培養合格的應用物理人才提供了可靠保障，課程體系的改革和教學內容的優化重整適應和滿足社會發展和科技前沿的需求。教學內容富有現代性，開放性，滲透新的教學內容和思想，使應用物理專業學生在理論與實踐技術方面具有復合型的知識結構，為他們今后的創新發展提供堅實基礎。

參考文獻：

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[2]陳波.應用物理學專業《熱學》與《熱力學與統計物理》課程整合之初探[J].中山大學學報論叢，2004，24（01）.

[3]富笑男，劉琨.應用物理學專業人才培養模式的探索與實踐[J].鄭州航空工業管理學院學報（社會科學版），2009，28（04）.

[4]石東平，龍曉霞，程正富，代武春，楊守良.物理學專業應用型人才培養課程體系改革探索與研究[J].重慶文理學院學報（自然科學版），2009，28（06）.

[5]陳波.應用物理專業物理類基礎課的課程體系改革之探討[J].中山大學學報論叢，2004，24（03）.

[6]蘇安.“熱學”與“熱力學統計物理”課程整合探索[J].教育與職業，2008，（09）.

基金項目：中南大學第七批教學改革暨課程體系改革專題項目