一門與時俱進的公選課——《改變世界的物理學》*

王曉鷗　孟慶鑫　侯春風　張伶莉　張 宇　霍 雷　趙 遠

*黑龍江省教育科學“十二五”規劃2012年度省重點課題，課題編號：JJB1212030；黑龍江省高等教育科學研究2014年重點課題資助，課題編號：14Z001

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一門與時俱進的公選課
——《改變世界的物理學》*

王曉鷗孟慶鑫侯春風張伶莉張 宇霍 雷趙 遠

*黑龍江省教育科學“十二五”規劃2012年度省重點課題，課題編號：JJB1212030；黑龍江省高等教育科學研究2014年重點課題資助，課題編號：14Z001

摘 要：本文從開課宗旨、教學實踐以及教學改革與體會幾方面介紹大學物理拓展課程《改變世界的物理學》在傳承物理學思維方法、培養學生科學素質中的重要作用與意義．

關鍵詞：物理學物理學拓展物理學思維方法

由于物理學是自然科學的基礎，物理學發展著未來技術進步所需的基本知識，而技術進步將持續驅動著世界經濟發動機的運轉；物理學有助于技術的基本建設，它為科學進步和發明的利用，提供所需訓練有素的人才……[1]因此，大學物理課程就成為高等院校工科各專業一、二年級學生必修的基礎課程之一，但受到大學物理課程學時及自身體系的限制，教師很難將物理學的前沿問題、物理學的最新發展以及對其他學科的影響更多的傳授給學生，這在一定程度上影響了學生對物理學重要性的認識，也影響了學生學習物理的興趣．為此，我校于2004年秋季學期嘗試著為全校本科生開設了拓展物理學知識的公共選修課程——《改變世界的物理學》．自開課以來，一直受到學生的喜愛，平均每年的選課人數在200人左右，選課人數位于全校公共選修課前列．經過10多年的教學實踐得到了學生的認可．

通過對本公選課的學習，學生從中了解到的不僅僅是物理概念、原理，更重要的是物理學家們研究問題的方法，以及物理學思維方法在創新研究中所起到的重要作用．如，物理系的一位同學在談到對本課程的學習感受時說道：“……《改變世界的物理學》一課的開設，不但有利于人文專業的學生學到科學知識，學到科學思維方法，培養科學素質，即使理工科學生，也能在廣泛了解當今各種高新科技方面培養廣泛視野．以我為例，作為應用物理系的學生，大學兩年多來所學的都是一些基礎理論，在課堂上很少涉及到當代科技的發展，理論如何應用于實際，而且學習的完全是幾百年經過無數科學家總結的正確的指示，從中看不到科學家們如何研究問題、科學家們的思維方法、科學前進中的曲折．而后者恰恰是我們應該掌握的，我們將來必將挑起推動科技發展的重擔，要有所作為，掌握現在的知識固然重要，但更重要的則是具備科學思維方法，具有創造力，具有探索科學的不怕挫折、鍥而不舍的精神，而這些，在此課程中都有很好地體現．”

自動控制科學與工程系的另一位同學：“……我們專業本身涉及的領域比較多，一個自動控制系統往往與機、電、光等方面都有聯系．選修這門課的目的是為了多了解一下現代物理學的最新發展，以備將來用在與自己專業有關的領域中，在課程即將結束時，我認為我基本達到了預先的目標．如：在講授“物理與光學”這一專題時，教師提到了全光開關這一技術．我覺得如果全光開關真能開發成功，它在自動控制領域的應用前景是很廣闊的．……相信隨著我對本專業的進一步了解，更多的物理知識會與本專業知識相聯系．”

還有一位航天學院自動化的同學：“我認為《改變世界的物理學》是一門很有意義的選修課．我和周圍的同學對現代物理的前沿發展，現代科學的尖端運用都抱有很大的興趣．可是我們往往要面對繁重的課業負擔和考試就業的巨大壓力，沒有專門的時間和機會體會物理學的奇妙奧秘．同時，物理學也不是通俗易懂的休閑小說，草草瀏覽完畢，頭腦里還是一片空白．如果有圖文并茂的學習材料，再加上教師不失時機的點撥，那該有多好！這門選修課的開設，適時地解決了這個矛盾……”．

1開課宗旨

啟發、培養學生的創新思維，挖掘創新潛質，提升基礎知識的運用能力是物理學拓展課程的開課宗旨．因此課程應滿足：內容新穎、信息量大、時代性強的特點．在教學過程中，注重學生科學素質和創新能力的培養，擴大學生的知識面、開闊眼界，能夠反映出20世紀及21世紀科學技術的最新成果，能激發學生創造精神，滿足教育體制改革的需要．

2教學實踐

本課程的特點是將物理學的成就與其他專業融合、滲透以及如何推動高新技術的發展．下面，我們就教學內容的選擇、具體教學實例兩方面分別介紹．

2.1教學內容的選擇

本課程總學時數為30學時，共分為10講，每講一個專題．如原子的威力、神奇的激光、信息時代的存儲技術、物理學與材料科學、從物理學角度詮釋生命等等．涉及從經典物理學到近代物理學的主要成就和進展、覆蓋20世紀以來近代物理學在探索自然奧秘的微觀、宏觀和宇觀這3個領域的物理學基本問題、發展前景以及現代各種高新技術發展的近代物理學基礎．

在內容的選擇上我們更注重選擇那些社會關注的熱點話題，如社會的可持續發展、納米技術等，主要介紹物理學的重大研究成果、最新發展動態、物理學在現代高新技術中的應用以及物理學與其他學科之間的關系、物理學在社會發展中所起的重要作用．增加學生認識問題的廣度，使學生能站在更高的層次上學習科學知識，促進學生的全面發展；其次，啟發學生的科學思維方法，使學生樹立正確的科學觀，激發學生積極向上、勇于探索科學的拼搏精神．如：

(1)物理學的前沿問題：暗物質、暗能量、宇宙年齡是怎樣計算的等；

(2)物理學應用于高新技術的事例：光信息處理、量子信息等；

(3)物理學與其他學科之間的關系：物理學與能源、計算機、生命科學、材料科學等學科的關系；

(4)物理學的自然觀：從物理學中的熵增原理談人類社會為什么要走可持續發展的道路．

2.2教學實例

本課程全程采用多媒體教學，這樣可以增加信息量，圖文并茂，感官效果好．下面以其中的一講 “神奇的激光”為例作簡要介紹．

本講從1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念到1958年貝爾實驗室的湯斯和肖洛發現了一種奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光．由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源；再到1960年，美國人梅曼(T. H. Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了人類有史以來的第一束激光．在此視頻播放受激輻射原理、激光產生原理以及各種激光器產生激光的機理．

激光的出現帶動了多學科的發展，如量子光學、量子電子學、激光光譜學、非線性光學、集成光學、海洋光學等等．在課堂上，我們用視頻展示了與日常生活相關的激光應用科學的發展．如激光加工，激光的亮度比照射到地球表面的太陽光高千萬億倍，經光學系統聚集，能使材料瞬間熔化，可用做多種機械加工；還利用激光極好的相干性，做精密光刻，制造納米材料等．

此外，激光使光導纖維成為現代通信技術的新寵，激光醫學、激光準直、激光表面質量檢測等必將改變我們生活的方方面面．讓學生通過本課程的學習，了解物理學不僅僅只是概念、原理，它與我們的生活息息相關，是各科技領域發展的重要基石．

3教學改革與體會

本課程涵蓋面廣，涉及到與物理學相關的各學科．我們在選擇授課內容上本著科學性、啟發性、與時俱進的原則，隨時調整授課內容，確保學生能夠及時了解相關領域最新發展動態．

經過10年的教學實踐，針對不同時期的學生，從80后到90后，我們在教學內容、教學方法上不斷地進行教學改革實踐，以求讓學生有更大的收益．

本課程最初開課時，只有一位教師授課．由于本課程涉及的范圍很廣，且知識更新非?？欤绻梢晃唤處熓谡n且要在內容的深度和廣度上闡述得都很到位，確實會感到力不從心.在開課的第4年，我們增加到3位教師授課，同時教學內容也作了調整，不僅僅介紹物理學對高科技的推動作用、物理學與其他學科之間的關系，還增加了有關物理學自然觀的內容，如從物理學上的熵增原理談人類社會為什么要走可持續發展的道路，讓學生了解自然、敬畏自然，營造一個和諧發展的社會環境．隨著中學新課標的改革，90后的學生知識面廣，也更務實，針對這一情況及學生反饋意見，我們對授課內容作了相應的調整：刪減了一些高深內容(如“宇宙探秘”等)，增加了“物理學思維方法”、“物理與藝術”，從物理學的認知規律、以及物理文化的角度介紹：科學(包括自然科學、社會科學)是統一的，相通的．給學生一種全新的物理學思維方法，挖掘學生的創新潛質．

與傳統授課方式不同，本課程在學生已有的物理學基礎知識的基礎上，采取“跳躍式”或“滲透式”的敘述法，學生也許只知道一個大概的聯系和發展方向，但留下了懸念，讓學生充分發揮其想象力，激發學生的探索欲、創造性，推動學科向前發展．

考查方式的改革．最初讓學生結合物理學的某一方面知識寫一篇小論文，一方面鍛煉學生查閱資料、整理科學素材的能力，另一方面培養了學生的科研素質．后來，按學校要求采用累加式考試：期末考試+平時作業．平時作業的形式是：結合課堂所講的內容，或是查相關領域的最新發展動態、或是寫一篇物理學在社會及科技發展中所起的作用分析報告、或是分析預測未來可能的前沿熱點.學生為了完成較高質量的作業要查閱大量文獻，同學之間還會開展討論，從而培養鍛煉學生分析、綜合整理、預判信息的能力．

4小結

通過10年多的教學實踐及學生的反饋情況看，我們認為在大學里開設物理學知識拓展課程是非常有必要的．首先，拓展了學生的知識面、開闊了眼界，提升了學生認識問題的廣度；其次，物理學前沿課題的研究方法以及物理學家們的創造性思維，可啟迪學生的智慧，培養學生科學的思維方法，挖掘創新潛質，激發創造精神．其三，讓學生了解物理學知識在各學科領域的重要作用，了解物理學與各學科之間的交集、聯系，以及物理學對創新性研究的催生作用，可激發學生的創新欲望，從而提升我國自主知識產權產品的數量與品質；其四，使學生能站在更高的層次上學習科學知識，促進學生的全面發展，為培養具有良好的科學素質和創新能力的人才打基礎．

參 考 文 獻

1第23屆國際純粹物理和國際應用物理聯合會(IUPAP)代表大會通過決議五——物理學對社會的重要性工科物理. 1999, 9 (5):7

2最新世界各國GDP排名，http://www.360doc.com/content/14/0519/16/11532035_379082826.shtml

An Advancing with the Time Public Elective Courses

——Physics of Changing World

Wang XiaoouMeng QingxinHou ChunfengZhang Lingli

Zhang YuHuo LeiZhao Yuan

(Department of Physics, Harbin Institute of Technology,Haerbin,Heilongjiang150001)

Abstract：This paper introduces the effect and significance of extensive course with the title of “Physics changes the world” in inheriting physics thinking method and cultivating students′ quality from the aspects of course aim,teaching practice as well as teaching reformation and experience.

Key words：Physics,Physics development,Physical way of thinking

收稿日期：(2015-02-04)

作者簡介：(哈爾濱工業大學 物理系黑龍江 哈爾濱150001)