卓越人才培養視閾下大學物理課程思維能力的培養

于肇賢+劉鳳敏+胡紀平

摘要：本文結合我們在大學物理教學中的實踐，介紹了我們在卓越人才培養視閾下大學物理課程思維能力的培養方面的一些探索和具體做法。

關鍵詞：卓越人才培養；大學物理課程；思維能力的培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）05-0203-03

一、引言

“卓越工程師教育培養計劃”是我國全面提高工程教育人才培養質量的一項重大舉措。2010年以來，教育部在全國200多所高校眾多學科專業實施了卓越工程師教育培養計劃，培養了一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才。卓越人才需要具備社會責任感、創新性、應用性和國際化四個可觀測的基本素質特征。卓越人才的能力標準方面包括：溝通合作能力、獲取運用知識能力、克服困難（危機處理）能力、尋求把握機會能力。卓越人才培養的重點是創新人才的培養模式，即改革現有的課程教育體系，充分發揮課程教育對提高人才培養質量的價值和意義。

當前，我國高等教育面臨的主要特征主要包括：人才支撐由高校人才計劃供給，變為行業需求驅動；由高校支持服務，轉向服務與引領同步；發展方式由外延式發展，轉向以質量提升為核心的內涵式發展；教育改革由單項教育教學改革，轉向體制機制創新的綜合改革。

根據高等教育發展的時代要求，高校在定位上要考慮國家戰略、行業需求、學校優勢、學生發展；專業建設要由學科體系出發向應用需求導向轉變；教師要在研究中教，學生在探索中學，致力于建構相互尊重、互相探究的學習共同體；教學內容要緊密結合時代要求，要關注“互聯網+”，也要兼顧人文和情感，通識課程與職業素養教育并舉。

二、大學物理課程思維能力的培養

（一）物理學的重要性

1.物理學的發展推動自然科學的發展。物理學是研究物質結構、物質相互作用和運動規律的自然科學，物理學中的科學實驗方法是檢驗自然科學真理性的標準。物理學研究的規律是事物和現象的基本性與普遍性，其基本概念和基本定律是自然科學很多領域得以發現發展的基礎。科學知識和實驗技術水平的巨大的發展也得益于物理學的發展。諸如核能的開發利用、航空和航天技術、太陽能和潮汐能的利用、納米技術、超導技術等等，這些新的自然科學領域的發現拓展，都是在物理學發展的推動下，伴隨著自然科學的不斷進步而產生的。從更深層次上分析，物理學的發展和完善不僅推動了整個自然科學的發展和完善，同時也推動了社會的進步。

2.物理學是現代高技術發展的先導和基礎。從近代開始，電磁學的誕生和電磁理論的建立，出現了電報、電話、廣播、電視等信息傳播手段，光物理、聲學物理、原子分子物理以及光電子技術、激光技術等對信息技術的發展產生了空前影響，計算機的出現更是促進了信息處理技術的進步，信息技術的每一次重大更新變革都與物理學密切相關。激光的出現對通訊技術的發展來說是顛覆性的。激光出現后，非線性光學在激光技術信息處理和存儲、計算技術等方面得到蓬勃發展。能源科學的發展完善也離不開物理學。如：物理學中的核物理和高能物理學是原子能開發和利用的基礎，凝聚態物理和光物理學是太陽能開發利用的基礎。空間科學技術的發展直接體現了物理學研究的水平高低。我們知道，物理學是衛星和火箭發射、運行、控制的直接理論基礎，天體物理、大氣物理和地球物理是空間技術的重要理論背景和設計基礎。材料科學發展的主要動力之一就是物理學基礎研究的新理論、新發現、新效應和新實驗技術。隨著高溫超導、半導體超晶格物理、新型晶體和晶體學、新型磁性材料物理、超微粒子材料物理等物理學分支的進一步研究，必將極大地推進材料科學的向前發展。近年來物理學家對反物質的研究，將會給人類帶來新的能源。

3.物理學是各種高科技人才科學素質的基本要素。著名物理學家理查德·費曼說過：“科學是一種方法，它教導人們：一些事物是怎樣被了解，什么事情是已知的，現在了解到什么程度（因為沒有事情是絕對已知的），如何對待疑問和不確定性，證據服從什么法則，如何去思考事物，做出判斷，如何區別真偽和表面現象。”愛因斯坦說過：“如果一個人掌握了他的學科基礎理論，并且學會了獨立思考與工作，他必定會找到自己的道路。”

大學物理課程是以物理學基礎為內容的一門學科，對于理工科各專業學生來說，它是一門非常重要的通識性必修基礎課程。學習大學物理可以使學生獲取物理學的基礎知識，掌握物理學研究問題的思路和方法，獲得建立物理模型的能力和定性分析、估算與定量計算的能力，獲得獨立獲取知識的能力和理論聯系實際的能力，可以使學生開闊思路，激發創新意識，增強適應能力，提升科學素養，掌握科學的學習方法，培養良好的學習習慣，樹立辯證唯物主義的世界觀和方法論。同時大學物理是一門實驗性很強的課程，有其獨特的思維與推理方法，在培養學生探索精神和創新意識等方面具有其他課程不能替代的重要作用。

（二）思維能力的培養

1.培養學生的批判性思維。大學物理課程可以訓練學生獲取知識、組織知識和運用知識，讓學生掌握科學史上解決問題的正確方法：一是在原有理論的基礎上，通過提出合理的假設，去修正舊的理論；二是提出新概念，建立新理論。因此，為了更好地讓學生理解物理，也需要理清歸納法和演繹法的應用范圍、應用內容，闡述在學生能力培養方面所起的重要作用，提出處理復雜問題的一般方法。從基本的物理現象出發，強調數學工具的應用，建立相應合理的物理模型，得到有實際物理意義的結果。

通常學生學習物理的思維方式有三種：第一種思維是，問“這是什么？那是什么？”，就是人本能的求知欲。這是人最簡單的思維方式。第二種思維是，問“為什么？”，產生這種思想的人是在探究，并且想知道答案。這種思維具有了探究性且具有了質的升華。第三種思維是，如果老師告訴他這道題選A，他會問“為什么是A而不是B？如果是B會怎么樣？如果是C又會怎么樣？B和C錯在哪里呢？”，如果孩子把思維觸角延伸到這個層次，我們說他的思維就有了批判性。這種思維就叫作批判性思維。endprint

1905年愛因斯坦拋棄了牛頓的絕對時空觀，得出了狹義相對論；普朗克否定了傳統的能量是連續的觀點，得出了量子論。愛因斯坦和康普頓分別成功地解釋了光電效應和康普頓效應，使得光的粒子性又“復活”了，為上世紀奠定光的波粒二象性提供了支持。

2.注重物理學史教育。物理學史是一部人類對自然界各種物理現象的認識史，表明了物理學發展過程，其中涉及許多科學家和他們的科學成果。通過學習物理學史，不但能增長學生的見識，加深其對物理學的理解，更重要的是通過學習物理學史，使學生開闊眼界，從前人的經驗中得到啟發。在教學中生動而真實地引入物理學史，再現當時的物理事件，使學生深受感染，教學效果明顯提高。例如，量子力學的發展史是物理學上最激動人心的篇章之一。在講解量子力學時，通過概述量子力學的發展，再現量子論發展由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛的傳奇的物理事件。讓同學們在物理知識的海洋中聞到藝術的芬芳，激發了濃厚的學習興趣。在講解麥克斯韋電磁場方程時，我們指出，該理論并非是終極真理，楊-米爾斯理論是其推廣。再如，在講解穩恒磁場的高斯定理時，我們介紹了磁單極的概念。告訴學生，一旦將來實驗上發現了磁單極，則現有的方程要被改寫。在講解薛定諤方程的解時，我們介紹了1984年英國布里斯托爾大學Berry關于幾何相位因子的工作，指出真理的相對性。

著名物理教育家趙凱華教授指出：“在我們的教學中，同一問題，既可以把原始的物理問題提交給學生，也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數學模型后再提交給學生。習慣于解后一類問題的學生，在遇到前一類問題時，往往會不知所措。”“我們反對‘題海戰術，反對針對某類考試或題庫的應試教育。但是做題畢竟是學生學習過程中比較主動的環節，學習物理，不做習題是不行的。但做習題不在于多，而在于精。”

我們要重視將原始物理問題引入教學。比如，我們在講解法拉第電磁感應定律時，通過對奧斯特實驗的分析，得出電和磁這對矛盾在一定的條件下相互轉化的規律。在講解光電效應方程時，我們沒有按照教材上的講法簡單地給出光電效應方程，而是拋出若干可能的因素給學生，比如光強、照射時間、光電流、入射光頻率、不同材料、截止電壓、電子最大初動能等等。首先分析電子為何會從金屬中逃出，這顯然是電子吸收了入射光的能量，克服了金屬的束縛。問題又來了，如何表示入射光的能量呢？電子是如何吸收光的能量的？有無可資借鑒的理論或者公式呢？能否用普朗克的公式試試呢？啟發學生分析應該從單電子的能量守恒去分析問題，取得了很好的教學效果。

在講解測不準關系時，我們先啟發學生如何測量電子的坐標，電子處在何位置，那么通過何種手段可以知道電子的位置呢？肯定要用光子去“看”電子。這樣一來光子與電子就要發生相互作用，導致電子已經不是原來的位置了，電子的動量也改變了。所以永遠無法找到可同時測量坐標和動量的最佳狀態。最后，我們以測量身高為例說明永遠也找不到最佳的測量時機。

在講解物質波時，我們特別強調了思想方法的重要性。1924年，法國物理學家德布羅意提出了物質波的概念和理論，把量子論發展到一個新的高度。德布羅意在長期思考后，把愛因斯坦的光量子理論推廣到一切物質粒子，特別是電子。德布羅意認為：“整個世紀以來，在光學上，比起波動的研究方面來，是過于忽略了粒子的研究方面；而在物質粒子理論上，是否發生了相反的錯誤呢？是不是我們把關于‘粒子的圖象想得太多，而過分地忽略了波的圖象呢？”德布羅意的思想方法是自然界在許多方面都是明顯對稱的。最后，我們還以父母—孩子—父母為例講解了到底是孩子還是父母的悖論。

在講解溫度公式時，我們介紹了朱棣文等的激光冷卻原子試驗，說明一切重大的發明創造都源于基本物理概念的突破。

物理教學應該既要著眼于物理知識的傳授，也要注重學生能力的培養，這不僅對提高學生在校學習質量具有事半功倍之效，而且對他們以后繼續學習有重要意義。

20世紀以來物理學發展迅猛，取得了非常突出的成就，一直是整個科學技術領域中的帶頭學科，是推動整個科學技術發展的最主要的動力和源泉，也成為了整個自然科學的基礎，對人類社會的發展以及社會文明的進步，產生了極其深遠的影響。正如楊振寧教授所說：“在20世紀，物理學產生了奧妙的觀念革命，從而改變了人類對空間、時間、運動和力這幾種基本概念的認識；深入探索了物質內部結構的奧秘，通過技術進步為人類生產力帶來了空前增長。”

參考文獻：

[1]吳水清.近代物理學在當今社會的地位和作用[J].現代物理知識，1993，（5）：46.

[2]丁亦兵，編譯.著名物理學家談超弦（五）[J].現代物理知識，1990，（4）：12-14.

[3]武秀榮，張俊芳.物理學與思維能力培養[J].有色金屬高教研究，1992，（3）：31-35.

[4]國家教委高教司.當代科學技術發展與教學改革[M].高等教育出版社，1996.endprint