淺談“大學(xué)物理”課程教學(xué)中的科教融合*

謝東

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610031)

科研和教學(xué)是推動(dòng)高校發(fā)展的兩翼,是高校人才培養(yǎng)的兩大支柱,只有將兩者有機(jī)融合,才能創(chuàng)建良好的育人環(huán)境,培養(yǎng)出創(chuàng)新型的人才．“科教融合”的育人理念現(xiàn)已得到共識(shí)，但是“科教融合”的具體形式和實(shí)現(xiàn)途徑還是一個(gè)需要不斷探索的課題．筆者認(rèn)為“科教融合”從大的方面來講需要合理的政策、方針以及評(píng)價(jià)機(jī)制來保證，從“小”的方面來講卻可以體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)，比如一門課、一個(gè)實(shí)驗(yàn)或者一個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中．筆者主要從事工科“大學(xué)物理”課程的教學(xué)工作，也從事一些生物、材料交叉的科學(xué)研究工作．

下面僅就這門課程中如何實(shí)現(xiàn)科教融合，淺談一下自己的看法．

1 通過“大學(xué)物理”課程讓學(xué)生了解科研最本真的含義

科研是什么？對(duì)大一新生來講可能高深莫測或遙不可及．而了解科研最本真的含義，對(duì)于他們本科4年的學(xué)習(xí)，甚至對(duì)其今后的職業(yè)生涯都是非常有益的．“大學(xué)物理”課程的學(xué)習(xí)，也是對(duì)物理學(xué)史、科學(xué)史的一次梳理．課堂上我們會(huì)談到許多物理學(xué)家，可以利用物理學(xué)家們的貢獻(xiàn)和故事讓學(xué)生了解到科研最本真、最樸素的含義．對(duì)此,文獻(xiàn)[1]已有很好的概括和闡述，筆者深表認(rèn)同，在此引用它的論述以饗讀者．

比如文獻(xiàn)[1]說通過牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的故事，就可以告訴學(xué)生，科研首先是生活．牛頓當(dāng)年在思考為什么蘋果只會(huì)從樹上往地面上掉，而不向天上飛的時(shí)候，并未想過他所思考的這個(gè)問題其實(shí)已經(jīng)是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)最前沿的科研工作了,他的研究正是來自生活中碰到的具體事件，來自于人類單純的對(duì)于生活和世界的好奇．再比如通過愛因斯坦可以告訴學(xué)生，科研就是勞動(dòng)．愛因斯坦曾經(jīng)說過“成功=艱苦勞動(dòng)+正確方法+少說空話”，這不僅是愛因斯坦成功的秘笈，更是人類在任何一個(gè)領(lǐng)域，從事任何探索都行之有效的一種實(shí)踐方法．科研就是一種樸素的勞動(dòng)，而不是別的任何一種華而不實(shí)的行為．愛因斯坦關(guān)于成功的秘籍放在當(dāng)今仍然是管用的，如果非要在后面補(bǔ)充點(diǎn)什么，那么可以加一句“少看手機(jī)”．再比如以泡利為例，可以告訴學(xué)生科研還是自由、平等和質(zhì)疑；以康普頓、 狄拉克為例，告訴學(xué)生科研是發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，并且將這個(gè)事實(shí)簡練地陳述出來；以玻爾為例，使學(xué)生明白科研就是善于總結(jié)前人所發(fā)現(xiàn)的知識(shí)，并且將之綜合后開創(chuàng)出一個(gè)新的天地；以德布羅意為例，告訴學(xué)生科研是善于巧妙而大膽地推廣；以費(fèi)曼為例，告訴學(xué)生科研就是生活中保持對(duì)于最常見事物的好奇之心，等等．

簡而言之，通過“大學(xué)物理”課程的教學(xué)，讓學(xué)生了解到科研最本真、最樸素的含義，這是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一條重要途徑．中國工程院院士岑可法在談到工科人才培養(yǎng)質(zhì)量時(shí)就指出，作為研究型大學(xué)，工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)將不僅僅是“工程師”，而應(yīng)是具有較強(qiáng)創(chuàng)新和科學(xué)研究能力的工程師，或者稱為“工程科學(xué)家”的工程師[2]．很顯然要想成為“工程科學(xué)家”，除了過硬的專業(yè)知識(shí)，還須具有較高的科學(xué)素養(yǎng)．“大學(xué)物理”課程的教學(xué)是提高工科學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一條重要途徑．

2 盡量采用啟發(fā)式和討論式教學(xué)將經(jīng)典內(nèi)容與前沿問題有機(jī)聯(lián)系

物理學(xué)被稱為科技之母，今天的許多科學(xué)技術(shù)都是從物理學(xué)派生出來的．現(xiàn)代科技中的一些基本原理，可能在一兩百年前的物理學(xué)中就已經(jīng)建立．而物理學(xué)中幾百年前的難題，或許現(xiàn)在也還沒有完全解決，為什么還沒有解決？難點(diǎn)何在？今后努力的方向在哪兒？在“大學(xué)物理”的課堂中盡量采用啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)，不僅可以使學(xué)生學(xué)到基礎(chǔ)的知識(shí)，又能拓展他們的思路，啟發(fā)他們的創(chuàng)新欲望和能力，為今后開展創(chuàng)新工作提供方向．

現(xiàn)有的教科書，教學(xué)資料可能都是幾十年之前的成果，最新的研究成果往往未能及時(shí)呈現(xiàn)，所以我們必須做好終身學(xué)習(xí)，及時(shí)補(bǔ)充本課程最新研究成果的準(zhǔn)備．比如稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子是50年前物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型就預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，但是直到2013年這種粒子才被真正發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)[3]．課堂上及時(shí)給學(xué)生補(bǔ)充介紹這一段內(nèi)容是非常必要的．再比如，光速不變是愛因斯坦相對(duì)論中最核心的假設(shè)，雖然愛因斯坦有如此之高的威望，但是人們對(duì)于超光速的研究卻從來沒有停止過．超光速的研究，正是物理學(xué)的一個(gè)前沿研究課題．一些物理學(xué)家指出，一旦有粒子確實(shí)被證實(shí)跑過了光速，那將徹底改變?nèi)祟悓?duì)整個(gè)宇宙存在的看法，甚至改變?nèi)祟惔嬖诘哪Ｊ剑?/p>

筆者在“大學(xué)物理”的課堂中講了一道習(xí)題：“距海岸(視為直線)h處有一艘靜止的船，船上的探照燈以ω的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，求探照燈光束與岸邊成α角度時(shí)，探照燈照射在岸邊的光斑P沿岸邊的移動(dòng)速度．”通過計(jì)算可知，探照燈光斑沿岸邊移動(dòng)速度表達(dá)式為

式中當(dāng)α逐漸增大并接近90°時(shí)，光班P點(diǎn)移動(dòng)速度會(huì)趨于無窮大，這自然涉及到超光速問題．筆者就此組織學(xué)生討論超光速的話題，引起了學(xué)生們的極大興趣．有關(guān)超光速的最新研究進(jìn)展筆者在課堂上也及時(shí)向?qū)W生們介紹，比如2011年11月18日歐洲核子中心宣布檢測到中微子速率超過光速，以及2012年3月又宣布先前測量有誤[4]，中微子運(yùn)動(dòng)速率與光速接近，但仍然沒有超過光速等事件都在第一時(shí)間向?qū)W生們做了介紹．

及時(shí)補(bǔ)充本課程相關(guān)科學(xué)研究中的最新前沿成果或事件，不僅豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，更重要的是讓學(xué)生理解到科學(xué)研究本身就是一個(gè)不斷尋求真理的過程．

3 利用科研資源反哺教學(xué)從“大學(xué)物理”課程的教學(xué)中尋找科研靈感

利用自身的研究成果或者科研資源反哺教學(xué)是科教融合的一種重要形式．雖然筆者研究的方向(生物、材料交叉學(xué)科)與本課程內(nèi)容相差較遠(yuǎn)，但是筆者所用的一些科研資源、科研工具卻可以為本課程的教學(xué)服務(wù)．物理學(xué)中一些物理定律的實(shí)驗(yàn)演示，因受場地、器材、經(jīng)費(fèi)的限制，難以在課堂上展開，但是通過一些有限元軟件開展模擬實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行參數(shù)化研究卻非常方便省時(shí)．

比如，講到電磁感應(yīng)定律時(shí)，有一個(gè)非常有趣的實(shí)驗(yàn)，就是銅管中的磁鐵下落實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，可以看到磁鐵在銅管中非常緩慢地下落．究其原因，一般課堂上只能做定性的解釋．但是筆者通過科研工作中用到的一款多物理場模擬軟件卻可以定量算出磁鐵下落時(shí)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及當(dāng)磁鐵的質(zhì)量、初速度、銅管的直徑等參數(shù)變化時(shí)對(duì)磁鐵下落情況進(jìn)行參數(shù)化模擬研究．再比如，講到量子力學(xué)時(shí)，由于數(shù)學(xué)的困難，課本里能夠介紹的例子非常有限，幾十年都不曾改變．那么量子力學(xué)的威力如何體現(xiàn)？這時(shí)告訴學(xué)生，可以利用根據(jù)量子力學(xué)原理編成的第一性原理軟件開展數(shù)值模擬研究，并向?qū)W生介紹自己科研工作中用過的這種模擬軟件Materials Studio的功能及使用情況，對(duì)感興趣的學(xué)生，邀請他們以后加入自己的研究小組．

除了科研反哺教學(xué)，在教學(xué)中也能找到科研的靈感．比如，筆者通過一款偏心電機(jī)共振儀向?qū)W生演示共振的原理時(shí)，受到啟發(fā)，發(fā)明出一種基于懸臂梁共振技術(shù)的薄膜彎曲疲勞測試方法，獲得國家發(fā)明專利授權(quán)[5]，利用該方法研究的成果也在國際期刊上發(fā)表[6]．此外，教學(xué)要求深入淺出，這需要對(duì)知識(shí)有再提升和凝練的過程，需要拓展自己的視野．教學(xué)過程使得教師對(duì)基礎(chǔ)理論有更好掌握，客觀上也會(huì)起到促進(jìn)科研的作用．

4 總結(jié)

利用科研促進(jìn)教學(xué)，利用教學(xué)帶動(dòng)科研，是現(xiàn)代大學(xué)發(fā)展的趨勢所在．也許我們的研究方向與教學(xué)內(nèi)容并不相同，但用心去尋找二者之間千絲萬縷的歷史淵源與聯(lián)系，就能在自己的教學(xué)中實(shí)踐“科教融合”的育人理念．