時間:2022-04-03 23:03:57
開篇:寫作不僅是一種記錄,更是一種創造,它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感,將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇工科物理論文,希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友,陪伴您不斷探索和進步。
【論文摘要】大學物理課是高校實施素質教育的一門重要課程。傳統的理工科物理必修課過于強調“理論性”、“系統性”、“邏輯性”、“應用性”,使物理學教育的育人功能不能充分發揮。因此有必要針對非理工科學生開設大學物理選修課來彌補普通物理教育的不足。本文對開設大學物理選修課的教學目標、教學內容、課程體系、教學方式和考核方式進行了分析和探索,有利于高等院校非理工科專業大學物理教學的實施。
在科學技術突飛猛進,人類已步入知識爆炸、高科技和信息時代的今天,隨著我國經濟的發展、市場的繁榮,高等教育面臨著如何適應社會主義經濟建設和社會發展的人才需求這一問題,首先是一個轉變觀念的問題。過去在教育教學過程中長期形成的一種潛意識的觀念,現在已經基本得到澄清,越來越多的人們認識到:大學本科要立足于培養復合型人才,而不是培養專家,本科教育主要是打好科學文化素質基礎,尤其是培養學生自主獲取知識和自我發展的能力。[1]
物理學是各門自然科學的基礎,其研究問題、解決問題的思想方法適用于一切科學研究。正如偉大的物理學家費曼所言:學習物理學,就是要學習怎樣由未知進到已知的科學求知方法,就是要學習如何嘗試和糾錯,就是要學習一種普遍的自由探索的創造精神。大學物理課是高校實施素質教育的一門重要課程。傳統的理工科物理必修課為了培養研究和應用型人才,是為理工科學生后續課程學習打基礎,所以很強調“理論性”、“系統性”、“邏輯性”、“應用性”,并且有統一的教學大綱和采用統一閉卷考試。受此制約,物理學教育的育人功能不能充分發揮。因此有必要針對非理工科學生開設大學物理選修課來彌補普通物理教育的不足。大學物理選修課對體現科學教育與人文教育的融合,特別對提高非理工學生的科學文化素質起著重要作用。
一、大學物理選修課教學目標
大學物理選修課程教學內容并不是理工科物理教學內容的縮減,不能把大學物理選修課程體系當作理工科物理體系的縮影。大學物理選修課的教學目標主要是力圖使學生在有限的時間內了解物理學的基本內容,即物理學研究的是什么;培養學生獨立探求知識的探索精神;提供當代大學生必不可少的現代觀念和思維方式;開拓視野,讓學生了解物理學前沿;了解現代科學技術的物理基礎;了解物理學與社會、環境、能源等方面的關系,物理對人類社會文明的進步有什么貢獻與影響;了解科學家創造性的工作特點和研究方法,獲得科學方法論的教益與啟迪。
二、教學內容和課程體系
針對這一目標,大學物理選修課的教學內容和課程體系應通過身邊的物理、生活中的物理以及工程技術中的物理直到最新科學動向(如高溫超導、納米材料、反物質世界等)導入物理基礎知識,應強調:
1、定性與半定量,對計算能力要求不高[2]
由于非理工科學生的數學基礎普遍不高,因此為了讓此類學生對表現物質世界的運動規律有明確直認識,應采取定性、半定量及適度的定量方法來闡述物理學的概念、理論和規律。注重教學內容中的語言描述,降低物理學科中的定量要求,給出清晰的和較寬闊的物理圖像、科學觀點和思維方法,并注意將研究方法、思維方法滲透其中,以使學生既學到知識又領會了方法。[1]
2、增加物理學史的講授,幫助學生正確理解物理原理和物理概念
每一個物理概念、每一條物理定律的形成都離不開當時的歷史條件,都少不了物理學家的科學思想的邏輯發展和歷史行程?;仡欉@些物理概念、物理定律的逐漸建立的歷史過程,可幫助學生正確理解概念的內涵,正確運用物理定律來解決實際問題。
3、從哲學角度考察物理學的思想根基古代物理學的理論形態實質上是自然哲學,它是未分化的包羅萬象的知識體系,把自然界當做一個整體而從總的方面來認識它。從16世紀起,自然科學開始從哲學中分化出來,物理學開始了它的近展時期。作為科學的世界觀和方法論,辯證唯物主義哲學在物理學研究過程中發揮著重要的作用。辨證唯物論認為,世界上一切客觀的東西都是永恒的運動和變化的,它從不把自身的理論當做一部不變結論的匯集,而看做是同樣必然地要不斷發展變化的斗爭。這樣的思想貫穿在物理學里,如:物理規律是普適的、場是運動變化著的、物質具有波粒二象性、能流是有方向的等等。
4、物理學方法論
在物理學的發展過程中,無數物理學家對物質世界的物理現象和事實進行科學實驗和科學思維,在建立物理概念、揭示物理規律的同時,逐漸形成了一整套研究物理學的科學思想和科學方法,從而產生了物理學方法論的科學。物理學的方法論是介于哲學原理和物理學理論之間,對物理學探索和物理學理論的建立和發展起指導作用的普適原理。課程中應向學生介紹研究物理學的行之有效的科學方法,如觀察和實驗、科學的抽象、理想實驗的方法、類比的方法、假說和模型的方法、歸納和演繹相結合的方法、數學公理化的方法等等,培養學生多維化、系統化和信息化的科學思維方式。
5、內容廣而新
覆蓋面要廣,除了介紹物理現象、物理規律的產生、發展、應用,更要闡明物理規律之間的相互聯系、物理學與其它學科的交叉發展和物理規律在生產實踐、生活實際和科技革命中所起的重要作用。當今世界科學技術迅猛發展,信息量擴大,知識更新速度快。物理學在近生了重大革命,出現了許多新的技術科學,并在實踐中獲得了重要應用。因此課程要充分體現近代物理學的內容以及當今某些物理前沿內容及其重大應用,以便學生對最新的物理學理論、應用及科技發展動態有一個全面的了解,這對學生的知識、能力、素質的培養來說,是十分必要的。三、教學方式與考核方式
1、教學方式
大學物理選修課不是進行系統的物理學理論知識學習與研究,而是從欣賞的角度,以科普的形式,力求輕松、有趣,側重身邊物理、生活中的物理及趣味物理,以消除學生的恐懼心理,這樣學生漸入狀態,學習的興趣和主動性會被激發和調動起來。在教學安排上,可以不強求系統性,不嚴格遵循物理學發展的順序,而是根據一些起源于物理學、現在已滲透到各學科甚至人文學科的概念、方法和技術開設若干專題講座,如航天技術、能源技術、信息技術、材料科學、物理學在醫學中的應用、地球系統、環境科學等。[3]
大學物理選修課的主要對象是非理工科學生,不需要講授繁瑣的理論推導過程,故傳統的“邊板書、邊講授”的方法不適用,而應盡量多地采用多媒體教學手段[4]。教師要花費大量時間學習和閱讀文獻,收集和制作課件、圖片、flas、音像影視資料,做到音像圖文并茂、生動直觀、引人入勝地傳遞教學信息,以便取得較好的教學效果。
2、考核方式
與強調“理論性”、“系統性”、“邏輯性”的理工科物理不同,大學物理選修課可以不采用解題、統一閉卷考試的方式來考核學生的學習情況,而可以采取多元化的考核方式:讓學生查找文獻撰寫專題論文;撰寫讀書報告、課程心得體會;由學生獨立完成演示實驗或自我設計探索性實驗;甚至分組研討某些物理問題或口試答辯等等[5]。
物理學是研究自然界最普遍規律的科學和最成熟的自然科學。當今世界科學技術以前所未有的速度發展,不同學科、不同專業領域相互交叉、相互滲透和相互融合的趨勢更加明顯。這要求課程結構要趨向綜合化,文理要相互滲透。開設大學物理選修課可以彌補普通理工科物理教育的不足,對非理工科學生融合自然科學與人文科學的知識結構具有啟迪思維、萌生感悟、提供思想方法、樹立創新精神和提高科學文化素質的促進作用?!緟⒖嘉墨I】
[1]徐婕,詹士昌,楊建宋.加強文科專業學生的科學素質教育[J].浙江工業大學學報(社會科學版),2005,4(2):180-184.
[2]周雨青.東南大學文科物理教學改革的反思[J].高等工程教育研究,2000(2):89-92.
[3]何曉燕,陳小鳳,李俠.大學文科學生物理通識教育問題探析[J].成都理工大學學報(社會科學版),2006,14(4):95-97.
具體地說,我?!按髮W物理”課程由必修和選修兩塊教學內容組成,在教學實踐中實現整體優化.由于課時所限,“工科物理”必須在保證基本要求的前提下,精簡學時,為后續選修課程騰出教學時間.我們利用多媒體教學手段提高課堂效率,課時由128學時調整為112學時.必修課后,同學根據專業需要和自身興趣,必須任選至少一門后續選修課程,同時計入公選課學分.多年來,經過凝練內容,總結經驗,漸進實施,已經形成大學物理Ⅰ(必修課)+X(選修課)課程方案.首先,注重主干課程“工科物理”的建設.1996年起,以“教學內容現代化”和“教學手段改革”為核心,圍繞教材、資源、方法、效果等要素,博采眾長,持續發展.我們整體優化教學內容,出版了適應教改要求的“十一五”國家級規劃教材《工科物理教程》;倡導多媒體綜合教學手段,1998年率先完成的大學物理電子教案在國內有一定的示范影響;加強輔助學習條件建設,組織編寫了《大學物理綜合練習》等資料,建設了內容豐富的網絡學習平臺.總之,對“工科物理”成熟的課程模式,我們博采眾家之所長,以資源建設為先導,教學內容和手段現代化為核心,深化課程內涵建設,成果豐富,分別于2004年和2000年獲江蘇省高等教育教學成果一、二等獎.其次,2005年以來,以素質教育和創新能力培養為中心,進一步強化系列課程建設,融合創新,力創自我之特色.新的課程體系教學內容包含現代物理知識、科學藝術交融、高新技術應用、創新實驗探究等.教學手段廣泛采用多媒體技術,所有課程都開發了多媒體電子教案,建立了網絡學習平臺,教學資源豐富.同時,針對不同課程的教學內容,探索以研究型教學為核心的多樣化教學方法.目前,“物理與藝術”已成為國家精品課程,并于2012年分別被遴選為國家精品視頻公開課和國家精品資源共享課;“工科物理”和“近代物理與高新技術”已建設成省級精品課程.系列課程建設成果于2011年獲江蘇省高等教育教學成果特等獎;2014年獲國家級教學成果一等獎.
2文理交融培養素質
科學教育與人文教育相互融合有利于高素質的人才培養,物理教學在這方面有獨特的優勢,并發揮著重要作用.新的課程體系建設體現了文理交融、科藝相濟的先進教育理念.首先,從2005年開始,經過深入的調研和大量的素材積累,我們在全國率先開設了“物理與藝術”選修課,教學內容主要是以藝術家和物理學家相互平行的視角,闡述人們對宇宙圖像的建立過程和理解;對物質運動的基本形式的認識;分析比較他們在創新意識和思維方法上的共同點,以達到對學生進行科學與人文素質培養和提高創新思維能力之目的.經過近10年的教學實踐,已經構成完整的課程教學體系,主要包括:自然哲學到物理學與繪畫的開端;喬托的“透視”與伽利略的“參照系”;牛頓與達•芬奇;現代科學革命與現代美術革命;光與色彩的意義;空間的意義與立體主義畫派;時間的意義與未來主義和超現實主義畫派;量子風云與抽象主義藝術;宇宙與人文;對稱與不對稱;混沌和分形與抽象表現主義畫派;東方的藝術之道與西方的科學之道等.簡而言之,我們追尋著物理和藝術的發展歷史,探討它們之間的相互聯系,教學的重點就在于揭示它們發展的每一次重大革命中的創新點.“物理與藝術”課程建設是一個符合現代教育理念,具有重要創新思想,在國內率先完成,并取得優秀教學實踐效果和師生廣泛贊譽的教學成果.由李政道先生親題書名,楊叔子院士作序的“十一五”國家級規劃教材《物理與藝術》(附課件光盤)出版后,在物理教育界產生重要影響,2012年被評為國家級精品教材.其次,開設的“文化物理”面向全校各專業學生(包括文科類),文理兼濟,特色鮮明.課程采取“案例”式教學,追尋物理學歷史發展脈絡,通過分析物理學重大發現的社會背景和深刻影響,凝練出科學文化與人文文化相融合的教學內容,培養學生對自然世界(宇宙)的情感、科學研究的態度、創新性的思維方式和崇尚人文科學精神的價值取向.國家級“十二五”規劃教材《文化物理》特色鮮明,全書不依靠數學公式,而是以科學意義的圖片代替方程,科學內涵的圖景理解概念.用簡潔的語言和發人深省的科學故事,在科學文化的視野下,鼓勵學生欣賞物理學和體味蘊涵其中的深刻思想.
3聯系前沿激發創新
為了適應科技發展,培養創新精神,進行工科物理教學內容現代化改革成為共識.自2000年起,我們以現代教育思想為指導,以近代物理的基本思想、基本方法及其在高新技術中的應用為主線,針對不同專業學生,開設了“近代物理與高新技術”課程.在面向航空主機類專業的“近代物理與高新技術Ⅰ”課程的教學中,我們將激光武器、紅外探測與隱身、巨磁阻材料、清潔能源等方面的發展和成果介紹給學生,并且注意本校學生的專業方向特點.教學中結合航空航天方面的高新技術發展的事例,引起了同學們的極大興趣,如高能激光、激光制導、激光推進,飛機和火箭等飛行器的紅外輻射特征及其隱身技術等,使課程既具有強烈的時代氣息,又具有航空航天特色.在面向電子信息技術類“近代物理與高新技術Ⅱ”課程教學中,我們注意加強半導體物理與微電子技術的教學,并將最新的微電子制備技術和測試分析技術介紹給學生.
在開展課程教學過程中,根據教學對象為大二、大三學生的特點,我們認真分析研究了他們已接受的數學、物理等方面課程學習的情況,精心編寫出版了《近代物理與高新技術》教材.全書從學生的實際出發,實施因材施教,注意不過多地涉及高深理論和技術細節,不強調理論的系統性和完備性,力求采用普通物理學的教學方法(即所謂的“普物化”)完成近代物理的教學.在內容處理上,適當鋪墊一些理論過程,既有一定的深入又不至于太難,又要淺出又不流于膚淺,使課程教學的深度、廣度、進度適合學生的知識水平和接受能力,使學生初步了解近代物理學和高新技術中的基本概念和方法、近代物理對高新技術的作用、當代高新技術的發展等,培養學生的科學素質和創新能力,為學生適應科學技術飛速發展打下基礎.在課程現代化建設中,我們認識到近代物理實驗可以培養學生運用近代物理的基本原理、基本方法的能力,初步掌握近代物理和高新技術中的一些基本實驗方法和技術手段.因此,我校利用“211工程”項目建設了近代物理實驗室,面向工科專業的學生開設了“拓展性近代物理實驗”課程.在原子核物理、原子物理、低溫物理、磁共振技術、微波技術、譜線分析、相對論、光信息處理、光纖通信等方面建立起基本的實驗手段,為適應培養新世紀高科技人才的要求提供了基本的實驗平臺.我們積極探索研究型實驗教學新模式.在形式上,不是要求學生簡單地重復或驗證實驗現象,而是組織若干個圍繞某一專題的物理實驗,比如,“STM實驗與納米技術”“狹義相對論和核物理技術”“光學信息處理技術”等8個專題性實驗,要求學生課前查找資料,自學專題實驗涉及的知識內容,然后自己動手,觀察和驗證現象,以科研訓練方式完成實驗,最終形成論文式的實驗報告.課程教學對培養學生的科學素質,形成現代自然觀和提高創新能力有顯著的作用.我們以“特色化、精品化、現代化”的設計思想建設了一個“物理演示與探究實驗室”,并開設“物理演示與探究”選修課程.
一方面,購置各類原理性演示實驗,以配合大學物理課堂教學;更為重要的是,我們貫徹科研與教學相互融合的先進理念,把本校若干項重要的科研成果中的物理原理提煉出來,在相關專家指導下,設計開發物理與科研相互結合的演示儀器,并通過申請校內“大學生科研訓練計劃”資助,鼓勵有興趣的學生參與完成.這一過程性、研究型教育的設計思想和實踐,不僅激發學生學習物理的興趣,而且使他們體會到物理知識對他們今后專業發展的重要性.目前,整個實驗室建設和特色演示實驗儀器的研制已經形成一個由學生參與,不斷發展、不斷積累和不斷完善的學習過程.近代物理實驗和演示實驗向所有選課學生開放.近幾年來,學生參與研制的實驗作品60余臺,26次獲國家或省級創新競賽獎.其中,“大場景360°環視動態顯示系統”“數字水墻”分別榮獲十二屆和十一屆“挑戰杯”競賽一等獎;“旋轉磁場演示儀”獲全國高校物理演示教學儀器獎;還有20余項成果在江蘇省高校大學生物理及實驗科技作品創新競賽中獲獎.
4實踐應用影響廣泛
教學內容的拓展和課程模式的變革是我們課程改革的核心內容.首先對選修課的設置和教學內容,根據教學實踐不斷調整、完善,最終形成目前成熟的課程群.其次我們綜合運用課堂教學、探究實驗、網絡平臺、開放課題等不同教學媒介,形成開放的、動態的、個性化的學習過程.針對不同課程特點,實現了由單一的物理知識學習模式向多元化、混合型學習模式的轉變(見圖2).特別強調指出,我們的傳統“工科物理”主干課程,和后續系列課程不是割裂的,而是相互促進,協同發展.后續系列課程的建設成果不斷融入到工科物理的教學中,反哺工科物理的教學改革,使得整個大學物理教學充滿活力.這種由單一的物理知識教育向提高素質、培混合型課程群養創新能力轉變的教學體系,激發了學生的學習積極性,不少同學選修2門以上的課程.
[關鍵詞]理論物理;課程群:教學改革;精品課程
[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097(2013)12-0123-03 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.12.024
一、引言
理論物理是從理論上探索自然界未知的物質結構、物質運動和相互作用的基本規律的學科。理論物理的研究領域主要有宇宙學、粒子物理與原子核物理、凝聚態物理、統計物理等,幾乎包括了物理學所有分支的基本理論問題。我院理論物理課程群包括《理論力學》、《電動力學》、《熱力學和統計物理》、《量子力學》、《數學物理方法》和《固體物理》六門主干課程,它們多數是物理學、應用物理、光信息、微電子、新能源和材料學等理工專業的重要必修課程。通過本課程群的學習和訓練,可以培養學生具有扎實數理基礎、良好科學素養和創新意識,掌握物理學的基本理論和方法,獲得相應的科學思維和基礎訓練,為理論物理、凝聚態物理、材料科學、電子科學、計算機等科學和技術領域培養創新人才和高級專門人才。
雖然我校理論物理各門課程的教學改革取得了一些很多成果,但是理論物理教學系統改革研究相對較少,較多為單一學科、某些方面的研究。為適應當代科技發展和高新技術產業人才的需求,有一些共性和新出現的問題,需要系統的研究和解決。這些問題這主要表現在:
(1)傳統思維定勢的影響:認為理論物理課程需要的基礎知識多、理論性強,部分學生認為課程枯燥、難學是正常的,沒有從學生的認知準備和心理準備出發解決這一問題;
(2)由于是集中教學,課程內容又是理論課,教學中不同程度存在著重理論、輕實踐,重共性、輕個性等問題,各課程任課教師之間也沒有很多交流;
(3)由于微電子、材料學和新能源是近幾年新上的專業,教學大綱和教學內容沒有很好體現這些專業的需求,沒有有效地聯系當代高新技術產業發展,教學方法不能完全適應創新型、應用型人才培養的要求。
如何以專業和就業為導向,針對理工科的不同特點,深化教學內容改革,既培養培養素質高、能力強的研究型人才,又培養基礎深厚、了解產業特點、符合高新技術產業發展需要的應用型人才,是理論物理教學研究面臨的重要課題。本研究在多年跟蹤問卷的基礎上,重新梳理和設計理論物理的每門課程,提出“點面體”三個層面的教學改革模式。并在此基礎上,實踐和完善了這一改革體系,取得了較好的教學效果。
二、跟蹤問卷調查的部分結果
自2011年起,我們連續三年對學院各專業的同學進行過《理論物理學習問卷調查》,共有1200多人次同學參加,針對各專業和前一年的問卷結果,問卷形式、內容和側重點也不盡相同,得到了許多翔實的意見和建議。比較一般性的問題有:
(1)大部分同學們覺得學習理論物理概念抽象,難以理解。2013年針對哪些課程的學習難度較大的調查,涉及5個專業,數學基礎、普通物理、理論物理等,有效問卷486份。可見,相對于其他課程,學生普遍感到理論物理課程較難。
(2)有關“覺得課程難度較大原因”的調查結果顯示:23.3%認為概念和原理太抽象,28.6%認為公式條件或范圍搞不清,22.6%認為數學解題能力不行,15.6%認為,老師上課內容基本聽不懂,32.5%認為老師講解能聽懂,但作業不能獨立完成。由此可見學生覺得學習理論物理課程難,原因很多,除了學習興趣,集中反映的問題還有自己的認知水平和學習方法等方面。2013年的調查結果現實,較多同學即使聽懂了基本概念和公式,接近三分之一的同學也不能獨立解題。有的同學雖然理解公式和規律,但仍需老師講解才能夠完成解題過程,這在《電動力學》和《量子力學》等分項問卷中,也得到了驗證。
(3)《數學物理方法》這門課程是理論物理的基礎課,但對于所有專業的學生來說基本都是難點,這在表一中就可以看出。雖然學生對于該門課程老師們的教授風格非常認可,但很多學生不能理解這門課程的用處,也難于把握學科的主要知識點,2012年調查結果顯示:有關“《數理方法》難度較大原因”的調查顯示,30.2%認為自己數學基礎不扎實,53.1%認為課程知識本身很難,51.7%學生認為數學問題解法多種但不知其目的,41.9%認為不知數學方程對應的物理問題。(問卷涉及5個專業,有效問卷360份),2013年的問卷調查也是類似的結果。
(4)每個專業的同學,均有甚至一半以上的學生,不看理論相關的書籍和文章,只是在考前才看書。在完成作業的方式上,學生多參考同學作業或參考答案,如何能夠使學生自覺性學習、更好理解課本知識,并靈活的運用到解題和未來科學研究中,成為值得教學中深思和改變的問題。
(5)學院所設專業中,除了新能源專業,多數同學并非第一志愿報考,這說明很多學生對于大學選擇專業上,不了解未來自己專業的發展方向,而且對于相對理論物理課程的學習有一定的懼怕心理。調劑過來的同學中,需要經過一段時間的專業了解和學習,才有可能對自己的專業感興趣,進而對理論物理產生興趣。
(6)基本上每個專業有考研意向的同學都在一半以上,并且絕大多數人希望考取專業相關方向的研究生,希望理論物理改革能與專業學習和考研結合起來。
問卷調查中還有其他很多有意義的結論。如,(1)從學生學習層面分析,有些同學沒有充分了解學習理論物理的重要性,不能對自己的學習給以準確的定位;雖然一些學生的學習的動機和態度都很好,但自己制定計劃不能很好地完成,說明自我控制能力需要加強;學生在學習理論物理的認知準備方面做的不充足或學習方法不恰當時,會給后續的學習帶來較大的困擾。(2)對于具體課堂教學,學生們希望老師增加課外相關知識的講解,以豐富課堂內容。如生活中的物理、現在物理動向、物理高新科技成果、物理學史等方面的內容,提高學生課堂學習的積極性,進而增加同學們對課程的積極性;老師不要一味講解,可以采用模型進行教學,或運用動畫模擬相關內容;多講習題,尤其是解題的思路和方法;增加課外實驗,培養學生的動手能力和實際處理問題的能力可以增加師生互動環節,組織課外研究小組等等。這些都對深化理論物理課程群教學改革有著重要的參考意義。
三、“點面體”結合的教學改革
理論物理課程群的改革,首先要理順課程群的層次:《數理方法》以《高等數學》為基礎,它又是其他理論物理課的基礎:理論物理中的四大力學分別以普通物理的《力學》、《熱學》、《電磁學》、《光學》和《原子物理》五門課程為基礎,也是學習《固體物理》,以及《高等量子力學》和《量子電動力學》等研究生課程的基礎,而且它們在不同專業中的地位和作用是不同的,所講授的內容也有所不同。而這些課程的層次和內容關聯,決定著學生認知結構的層次和關聯,需要在教學中認真分析和準備。
更重要的是,要深化理論物理教學改革,必須以促進人的全面發展、適應社會需要作為衡量教育質量的為標準,堅持“全面發展、彰顯個性、人人成才、服務社會”的培養思路,進行創新人才和應用型為人才主導的培養模式改革。所以,我們將理論物理課程群的改革,按照每一課程從知識點和教學點剖析,進而在課程層面將其教學改革系統化,最終進一步密切各課程銜接,實現理論物理課程群的立體化改革。主要做法如下:
1.點的方面改革,是理論物理課程群改革的著力點和基礎,需要做大量細致的工作。具體說:(1)不斷根據專業特點和培養人才需要,分析和調整各學科的教學知識點和掌握標準,進而全面修訂各學科的教學大綱和各專業的教學計劃;(2)為讓教師掌握講課要點和學生特點,大面積開展微課練習和公開課觀摩分析,提高教師教學的基本功;(3)通過課堂教學,以及輔導員和專業班主任,盡量了解學生個體的不同差異,以便因材施教,彌補集中教學的不足。
2.課程層面的改革。包括主要兩方面的內容:(1)主要是針對課程和專業特點,根據不同的教學要求,系統完善教學內容,并通過課程作業、網絡教學、專題講座和創新實驗等多種形式,將這一課程教學改革系統化;(2)理順課程群中各學科的內在聯系,密切各課程之間銜接,各課程教學改革相互借鑒,以適應課程、學生和專業學科的特點,改善和優化教學。
3.體的方面改革。是指“以人為本”完成課程群的改革,按照“寬口徑、厚基礎、重實踐、強創新”的原則,以鍛煉學生的獨立思考能力,表達能力、溝通能力、創新能力等為出發點,立體改革理論物理課程群,使之不僅適應不同專業特點,更符合學生的成才和發展的需要。它是建立在點面改革基礎上的,具體說有以下幾個方面:
(1)專業課程模塊化,以適應光電產業、新材料、新能源產業需求為目的的課程體系改革,設置專業基礎必修模塊,以及微電子、光電信息、新能源、材料物理等4個專業選修課程模塊。每個專業基礎必修和選修模塊中理論物理課程不同、教授的內容也不同;
(2)拓展課堂教學改革,在改善課堂教學的同時,采取課程論文為引導的研究性學習的方式,培養學生獨立思考的能力;所有理論物理課程都上網,以網絡課程和網絡輔助教學平臺,拓展和豐富學生的課外學習;
(3)在培養方法上,實行課堂教學與課程論文、創新實驗等研究性學習相結合,實驗教學與動手能力培養相結合,技能訓練與企業實訓相結合,開闊視野同學術交流相結合,創新能力與科學研究相結合,個性化培養與社會契合度相結合,在更大視野、更全面地提高學生的培養水平;
(4)評價方式上,卷面考試與課程論文相聯系,設計性實驗與基礎性實驗相聯系,綜合素質評價與創新性學分相聯系,制定學生素質評價制度,全面考核學生學業水平;
(5)在學生培養模式方面,打破現有班級編制,以選拔和個人志愿相結合的方式,設置創新人才實驗班、應用人才實驗班,采取小班(不超過30人)授課,每個學生都配有一名專業老師,指導參加創新項目:實驗班的每門理論物理課程都增加了學時,用于專題、探究和課程論文等教學環節;對優秀學生實行本碩連讀制度等等。
[論文摘要]文章通過對非線性物理在理工科本科教學中的現狀及存在的問題進行了分析,探討了非線性物理的教學改革與實踐,以提高非線性物理的教學質量。
非線性物理是大學物理的一個重要組成部分,而大學物理是所有理工科學生必修的一門基礎課程。非線性物理作為非線性科學最基本、最重要的現代知識,它是自然界普遍存在的非線性現象和規律,是人們對世界認識的提高和發展。非線性物理知識點跨度大,而且由于我國人才培養目標和教學改革的需要,非線性物理內容在大學物理學中占的比例呈增大趨勢。連續幾年的高校擴大招生計劃的實施,使得高校里理工科學生的素質差距拉大,甚至出現整體基礎水平偏低的情況??傊?,種種原因,致使學生們在學習非線性物理時倍感吃力,困難重重。為了適應我國教學改革的需要和高校學生現狀,有效地解決教學過程中出現的問題,需要對非線性物理的教學方法和教學手段進行改革,以及不斷探索與改進教材建設、課堂教學安排等。本文通過對目前非線性物理教學現狀的分析和探討,結合教學改革的實踐,對其中一些問題形成了初步的看法,特此提出,與同行一起商榷。
一、非線性物理教學的現狀
為適應現代科技的發展,使理工科本科生具備深厚理論基礎和開拓創新能力,提高學生的科學素質,非線性物理作為大學物理學的重要內容,在大學物理學教學改革中,增加或體現非線性物理的內容已成為專家學者們的共識。為此,許多專家學者做了積極嘗試,促進了非線性物理教學的發展,但目前非線性物理教學仍然存在一些問題:
1.在教學安排上,出現“無”或“少”。目前,在新一輪課程內容改革中,為了體現實踐性與應用性,理工科專業的大學物理課,學時一減再減,而大學物理學所涉及的內容多,給非線性物理學和關于物理學前沿的講授帶來很大的沖擊。其結果是造成在教學實踐中有關非線性物理學和物理學前沿的知識少講或不講。
2.在內容介紹上,出現“一多、三少”。在許多教材中,介紹非線性物理現象多,這得益于自然界的本質和典型的特征是非線性的?;煦缱鳛榉蔷€性物理的一部分,則是一切對初值敏感的非線性系統共有的特征和行為,費根鮑姆常數是混沌具有普適性的標志?;煦邕\動作為自然界中一種典型的運動形式,有著自己的規律和特征,有別于線性的規則運動和統計系統的隨機運動,有著自己的規律和特征,非線性物理理論也因此具有一套獨立的、全新的思想、語言、概念及方法。為此,目前,在非線性物理內容講授上,有關非線性物理現象的介紹,特別是有關混沌的發現、發展以及混沌基本理論的部分多。
介紹非線性物理控制的內容少。非線性物理控制——混沌控制與同步,經過十幾年的研究與發展,建立了眾多的控制方法,其中一些在實際應用中已取得顯著的效果。但是,由于它沒有典型控制理論的成熟理論體系和既定的方法與控制模式,再加上所需的數學工具深奧、繁雜,講授所用的時間多,學生難理解等,因此,在教學實踐中就出現了對于這部分內容講授少或避而不談的現象,使得一部分學生只知道自然界中存在非線性物理現象,而不了解非線性物理現象還可以控制與同步,形成“非線性就是無益”或“非線性等同于混亂”的不好理念。
介紹非線性物理的應用少。研究非線性物理的目的就是利用它為人類服務,但這些非線性物理應用技術還處于實驗室階段,沒有形成相應的產品,這就給介紹非線性物理應用帶來極大的困難,因此,出現少講授非線性物理應用或不講的現象。
非線性物理現象課堂教學的演示少。非線性物理控制理論研究的對象是非線性復雜系統,而描述非線性系統的數學工具是非線性方程,即研究非線性物理及高深的數學新概念。在非線性物理教學中,難以用實物實驗來進行教學演示,加上講授課時的限制,往往非線性物理現象課堂教學演示就被忽略了。
3.教材建設滯后。對眾多非線性物理教材研究分析后我們發現,當前很難找到一本較適合本科用的非線性物理教學專用的專門教材,更不用說理工科專用的教材了。目前,非線性物理內容往往只是作為一小部分編入大學物理學教材中,且居從屬地位。通過對理工科大學物理教材的學習和比較分析發現:一部分教材沒有把非線性物理作為大學物理學的一部分放入教材中;另一部分教材,僅僅把非線性物理作為一種科普性質的課后閱讀材料納入教材中。從目前非線性物理教材的建設看,不利于非線性物理的教學、普及,也不利于該學科的發展。
4.在非線性物理實驗教學中,出現“無”或“仿”。物理學是一門實驗科學,非線性物理實驗教學的目的不僅是讓學生掌握科學實驗的基本知識、方法和技能,更重要的是使學生可以觸摸到這個非線性科學的重要分支,讓學生了解這一“確定性和不確定性統一”的現象,理解非線性物理等混沌的內涵,激發學生學習非線性物理的興趣,使之知非線性物理、知混沌,并使用它來解決工作生活中的問題。由于非線性物理實驗,特別是非線性物理實物實驗對實驗條件要求特別苛刻,而且市場上的非線性物理成套儀器較少,因此,一些本科院校大學物理實驗教學中,沒有非線性物理實驗,使學生無法驗證非線性物理存在的真偽,更談不上理解非線性物理的特征。更多的院校是利用EDA軟件開出了仿真實驗,這雖有助于學生對非線性物理現象的了解,但這種了解也只是停留在計算機顯示器上而已。
二、非線性物理教學的思考與實踐
為培養高級科學技術人才,參與國際競爭,適應新世紀對人才的需求,在大學物理中增加非線性物理內容,是已形成共識的符合學科發展需要的必然趨勢,更高層次地講授非線性物理是大學物理學課程應盡的義務和職責,也是大學生科學素質養成的客觀需要。但是,從以上非線性物理教學現狀分析來看,非線性物理教學仍是一個需要不斷完善與加強的過程。根據多年的教學經驗和研究結果,筆者認為,要改變當前非線性物理教學中存在的問題,要做到以下幾點:
1.重視非線性物理教材建設。非線性物理教學的開展,最基本的參考材料就是教材。教材是教學內容和教學方法的載體,是教學的基本工具,是培養人才的基礎和方向。課堂教學過程是一個互動的過程,是將教師傳授知識、思想、方法與學生的分析、歸納、抽象等各方面能力的訓練進行整合的過程。要把混沌的基本內容、基本規律、思想方法傳授給學生,沒有適合的教材做基礎,是難以實現的。同時,有了教材,基礎較好、能力強、感興趣的學生可以在課余時間進行深入的學習和研究。因此,建設一批適合各種層次需要,特別是適合理工科本科需要的非線性物理學教材,是推動非線性物理學科教學與發展的關鍵,也是推動非線性物理在各方面應用的關鍵。
如果是受篇幅所限或因處于起步階段,非線性物理沒有被絕大多數學生所接受,則可以在大學物理學教材中,單獨安排一章非線性物理內容,以實現非線性物理逐步受到重視,被更多的學生所認識、理解并掌握之目的。 轉貼于 2.對非線性物理教學內容編排精簡到位。非線性物理作為一門學科,具有其基本原理、基本規律和思想方法,它的生存、發展依賴于生產生活和社會的需求,依賴于服務社會的質量。非線性物理正是人們認識自然界發展的結果,也正是因為它具有廣泛應用于各個領域的潛在價值而引起人們的關注。從理工科學生實際出發,非線性物理教學內容安排上應少而精,注重非線性物理應用內容的安排,繁雜的數學工具介紹要進行刪減,適量即可。
3.引入計算機仿真技術。在教學上多應用優秀數學工具軟件Matlab和EDA仿真軟件,對非線性物理現象及混沌控制與同步內容進行模擬和仿真,并在課堂教學中演示。例如,用Matlab模擬經典非線性物理模型Lorenz系統、Chen系統等,讓學生真正感受到“確定性系統存在不確定性”“蝴蝶效應”等非線性物理的特征;用EDA軟件,如Multisim仿真Chua電路、Liu系統的同步控制及應用實現等,體現非線性物理系統的應用性、可控制性、電路可實現性。同時,為了吸引學生,進一步提高學生學習非線性物理及混沌的濃厚興趣,要求并指導學生在課外進行相應的模擬與仿真。這樣,學生既學到了計算機仿真技術,又親身體驗了展示非線性物理現象的過程,充分體現了以學生為主體的教學原則,收效甚佳。
4.以選修課形式獨立開設非線性物理。非線性物理以獨立形式開課,在教學上形成一種既定的認識——非線性物理是一門獨立的學科。開課的課時可以根據不同學科、不同專業,進行適當安排。我們在理科類專業開出“非線性物理學導論”選修課,為51學時;工科類專業開出34學時的選修課。選該課的學生較多,收到了很好的教學效果。
5.非線性物理實驗教學應以仿真為主、實物實驗為輔。非線性物理實驗本身對實驗要求高,運用傳統的實驗設備,教師會遇到一些難題:市場上成套非線性物理實驗儀器少,即使有也只是經典現象演示儀,沒有非線性物理控制與同步及應用方面的實驗儀器,無法滿足實驗的需要;自行制作非線性物理實驗儀器所用元件參數要求較精確,難以實現;同時,如果所有開出的非線性物理實驗都以實物儀器進行,在教學時間安排上也無法滿足,因此,在教學實踐上一般只開出1~2個非線性物理實物實驗。而利用軟件(如Matlab,Multisim)對非線性物理進行虛擬實驗研究,可以減少實物實驗儀器少所帶來的壓力,提高實驗效率,使實驗不受儀器品種、性能、時間地點的限制;不需搭制錯綜復雜的實物電路,可以對新出現的非線性物理模型、新的控制與同步及應用進行仿真;沒有損壞儀器設備的擔憂。應用仿真模擬技術,學生可以自己設計電路進行實驗,充分發揮每個學生的聰明才智和創造能力,既提高了學生學習非線性物理的興趣,又加深了學生對非線性現象的理解,學生也可以在業余時間進行更廣泛的非線性物理實驗研究。所以,以仿真實驗為主、實物實驗為輔,非常有利于學生學習與研究非線性物理。
三、結束語
本文就非線性物理教學中存在的一些問題,結合教學實踐進行了分析與探討。非線性物理教學是一項系統工程,它不僅與教材建設、教學方法、教學課時以及教學手段相關聯,還與師資水平、學科自身發展與建設等相關聯。因此,在理工科本科非線性物理教學中,作為擔負培養學生科學素養的第一線教育工作者,我們有義務和責任把非線性物理的思想方向、框架,學習非線性物理的方法傳授給學生;引導學生去了解、學習這一方興未艾、蓬勃發展的學科;啟發學生在學習、工作、生活中應用它,實現優化和擴大學生知識面,夯實和鞏固學生理論基礎的目的,并形成理論聯系實際、學以致用的專業思想,從而提高學生的創新意識、創業能力等,為社會培養全面發展的高素質的物理人才。
[參考文獻]
[1]胡秀珍,趙巨東,等.《大學物理》教學改革的研究與實踐[J].內蒙古師范大學學報(教育科學版),2002(5).
【關鍵詞】工科研究生 數學課程 教學改革
【中圖分類號】G643 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2014)07-0048-02
一 研究生數學課程教學現狀
研究生創新能力的培養,是研究生教育的根本任務,創新能力是檢驗研究生教育質量的根本標志。工科研究生公共基礎數學課程體系和課程內容的改革直接影響到研究生的知識結構,影響到后續的科研過程中能否激發研究生的創新意識與創新能力。應該說研究生公共基礎數學課程體系在研究生培養中處于核心地位。目前,工科院校研究生公共基礎數學課程教學的現狀是:
1.數學系列課程設置的前沿性差、靈活性不夠
目前,多數工科院校在研究生一年級開設了《數理統計》、《泛函分析》、《矩陣論》、《數值計算方法》、《圖論》、《模糊數學》、《數學物理方程》、《隨機過程》等課程,其中只有1門或者2門為必修課程,其余為選修課程,學時為30~40學時不等。這些課程在一定程度上為研究生后續學習儲備了知識。但是,由于設置的課程穩定、研究生專業的限制、部分課程的知識結構又單一,課程內容不能反映知識的先進性和學科的交叉融合和滲透,反映不出學科領域內的前沿動態和共性,又由于教師的知識限制,難以在有限學時內講出學科的共性問題,必然影響研究生的綜合素質,導致培養的研究生創新能力較差。
2.知識性課程類型偏多,實踐性課程類型偏少
創新型社會要求培養大量的創新人才,要培養出具有創新能力的研究生需逐步提高其提出問題、發現問題、解決問題的能力,而目前研究生數學課程的設置和教學在理論上過于追求嚴密,忽視了工科研究生發現問題、解決問題的能力;忽視了數學作為研究生公共基礎課的本質;忽視了數學的實際應用,特別是有真實案例的、符合相關專業特色的實際應用問題,與專業課程銜接不緊密,缺乏針對性。學生學習缺乏興趣,學習的知識與專業實際聯系太少,不知道怎樣應用數學知識。因此,這就要求大力提高數學課程體系中實踐課程的比重,培養學生的實踐能力,重視數學知識的應用,促進研究生創新思維的形成和創新能力的提高。
3.教學方法單一,課程教學活動中學生的參與度不夠
教學方法被認為是實施創新教育的主要環節,課程學習對提高研究生培養質量具有非常重要的作用。但在目前的研究生數學教學中,主要還是采用傳統的教學方式,即教師全程講授,學生被動地聽記,毫無思考余地,課堂講授時間多,討論交流少;重知識傳授,忽視了研究生問題意識、批判思維、自主學習能力的培養;強調教師為主體,忽視學生的主體地位。從學生接受知識的系統性來講,這種授課方式起到了積極作用,然而,由于研究生在整個課程學習過程中基本上處于盲目接受知識的被動狀態,沒有時間、沒有機會積極思維以及創造性思維,并且這種教學模式限制了學生發散性思維及批判性思維的培養,學生的惰性、依賴性、追隨書本的習慣性思維難以改變。從培養學生的創新意識、創新能力來講,這種授課方式存在極大的弊端。
針對工科院校研究生公共基礎數學課程設置和教學現狀,我院從1995年以來,對研究生的數學基礎課程的設置和教學方法進行一系列改革和嘗試。如通過調查問卷,了解研究生的需求,增加了研究生需要而又是多學科交叉融合的課程,如《數據融合》、《小波分析》;對管理學的研究生減少了重理論的課程,增加了《系統建模方法與數學模型》課程;增加了前沿性的講座式課程,如《復雜網絡》等。又如,針對部分研究生課程,提出了一種“研討式”的教學模式,基于研討題目實踐背景和應用背景,提出問題,通過獨立思考、小組討論、課堂答辯及講評,在這一過程中不斷提煉、升華,從而得到更廣泛、更深入、更高層次的問題,并提出進一步討論的方向,達到不但要學好數學,更要學會用好數學的目的。另外,通過指導研究生參加全國數學建模競賽和后續問題的研討,增強了研究生利用數學知識解決不同領域問題的能力,提高了其綜合素質,為后續科研打下了扎實的基礎,使研究生數學建?;顒映蔀檠芯可囊豁椫匾目蒲袑嵺`。
二 構建合理的基礎數學課程體系,完善研究生知識結構
構建科學合理的數學課程體系,為研究生創新能力的形成打下基礎。創新性人才首先必須具有創新思維,而創新思維的形成必須以創新的知識結構和體系為基礎,這種知識結構的形成有賴于科學合理的課程體系,研究生數學課程體系是構建合理的知識結構的關鍵。
1.優化基礎課程設置,拓寬基礎理論
數學基礎理論課的設置應多強調其應用前景,實現理論的拓寬和加深,加強對研究生思考能力和判斷能力的培養;增設反映當代學科前沿、富有創造性、適應學科交叉的高水平課程。在構建研究生的課程體系時,加強基礎、拓寬專業,力求使數學各門課程在加深和拓寬研究生基礎理論、學科知識面和相關能力的培養等方面既有所分工、又相互補充,如增設場論、積分變換等工科常用的數學工具;優化課程設置,合并同一學科相近的課程,優化教學計劃,拓寬學生知識面,如將數值分析與數學建模中部分重疊內容進行整合;學習借鑒國內外先進教學理念,開設跨學科、實踐性強的課程。
2.加大選修課在課程設置中的比例,激發研究生創新思維
為了開闊研究生的視野、拓寬研究生的知識面、解決知識結構的個性問題、適應各種生源和專業研究方向的需要,應加大選修課在課程設置中的比例,給研究生以更大的選擇余地,鼓勵研究生多選課但不一定都要考試。事實上,許多課程都是互為補充的,知識是相通的。研究生教育的關鍵之一就是培養個性發展,只有個性得到充分發展,其潛能和探索欲望才能得到充分的挖掘和調動,才有可能在今后的科研活動中真正有所作為、有所創新。應緊密結合專業課程、交叉學科和跨學科擴大選修課的比例,把學科的新成果、新發現及教師自己的研究方向和見解反映到課程中來。選修課應結合研究方向設置,內容要涉及本專業或研究方向的最新成果,重視新概念、新思維、新動態。
3.加強數學建模教學,提高創新能力培養
當今科技發展速度越來越快,新產生的知識和科技成果總量呈幾何級數上升。在這個變化趨勢中,一個顯著的特點是學科數學化。數學在科技發展中的作用越來越突出,對高水平科技人員的數學素質的要求越來越高。數學建模是各學科之間的交匯點,各學科要促進自身的發展,要解決本學科大量的實際問題,特別是本學科重大的理論和實際問題都不開數學模型,即使從人才培養角度看,盡管不同學科對數學建模的需求迫切程度有差異,但數學建模在各學科的需求都是巨大的,數學建模素質是各學科對人才的共同要求。通過不同途徑獲取數學建模技術成了廣大研究生提高其數學能力和創新思維最有效的手段。另外,研究生畢業論文的質量也與研究生的數學建模技術有很大的聯系。在如今科學需要量化和向各學科交叉發展的階段,數學已經不僅是一個工具,而且還是一門技術,掌握好這把鑰匙,可以開啟其他領域的智慧之門。在一定程度上研究生數學建模的水平已經成為制約其學位論文的“瓶頸”。
三 改進數學課程教學模式
1.推行靈活多樣的課程教學模式
研究生教育的本質是創新能力培養,要求課程教學要從傳統的獲取知識轉變到培養能力,即加強對研究生批判性、創造性的思維能力,以及提出、分析、解決、評價問題等能力的培養,這就決定了研究生教學方法應根據教學內容,采用靈活多樣的教學方式,如講解與研討相結合、專題研討、學生主講、學生查閱資料,完成小論文等,這樣使教學過程成為師生互動、共同探討的過程,使學生充分地參與教學,激發學生積極思維、獨立思考,在相互啟發中提出創造性的見解和觀點,從而培養學生的科學思維能力、學習能力、研究能力和良好的溝通表達能力。倡導研討式、參與式教學,由教師先給出討論題目,研究生在課前查閱資料,在課堂上由研究生根據自己查找的資料進行討論、提問、發表自己的看法。在該教學方式下,每個人的信息得到了充分的互補,知識面得到了充分的拓寬,研究生在大量了解最新前沿知識的同時,大大鍛煉了獨立的思考能力以及發現問題和解決問題的能力。教學方式的選取因人而易,因課程而易,靈活多樣。
2.增加專題講座類課程,拓寬研究生視野
對部分新興出現的交叉學科,也可采用專題講座式教學模式,讓學生在短時間內了解學科前沿動態。專題講座類課程是由本學科教師及邀請的本領域知名專家擔任任課教師,以專題形式開展的教學。任課教師將自己、課題組或本學科領域最新的研究內容作為一系列問題提出,將前沿知識和最新的研究課題作為研究生課程的主要內容,使研究生通過專題講座課程了解學科前沿動態,激發研究興趣,培養其科學思維和創新能力,如復雜網絡等課程。
3.改進課程考核方式,注重研究生創新能力考核
研究生通過數學課程的學習不僅要掌握數學的基礎理論,更重要的是應具備獨立探求知識和獨立分析問題、解決問題的能力,因此,研究生數學課程學習的考核重點應是學生運用知識分析和解決問題的能力,這也決定了研究生課程學習考查形式的多樣性和靈活性。例如,可以通過閉卷或開卷考試,強化研究生系統、扎實地掌握所學的基礎理論知識;也可以是針對若干討論題,由研究生自主選擇后,在查閱大量文獻的基礎上寫出課程論文,并在課堂上作讀書報告,教師點評,使學生充分了解了學科前沿,同時鍛煉了學生自主學習和進行科研總結的能力。
參考文獻
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[關鍵詞]小班研討 工科 物理化學 教學改革
[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2014)05-0021-02
物理化學是大化工類各專業本科教學計劃中的一門專業基礎課程,是理論性、系統性、邏輯性都很強的一門課程。由于學科本身公式繁多、概念嚴格、推導復雜,容易導致學生學習困難,知識掌握不牢、理論與實際脫節等問題,對大化工類相關專業的后續課程的學習帶來不利影響。[1]長期以來,物理化學的學習一直是學生的難點。近年來,小班研討這種創新性的教學模式由于在激發學生的學習興趣和熱情、引導學生養成自主學習的習慣、培養學生的創新思維能力和知識交流的能力等方面具有優勢,逐漸被應用于許多學科的課堂教學。[2]
通過近幾年的教學實踐,我們認為,將小班研討應用于工科物理化學課堂教學時,教師要充分發揮在教學過程中的主導地位[3],合理地選擇研討內容,這樣才能發揮小班研討的上述優勢,達到既定的教學目標。結合本校工科物理化學教學的實際情況,我們對工科物理化學小班研討的研討內容,提出下列的思考并進行了實際的探索。
本校使用的教材是科學出版社出版的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《物理化學教程》。在該教材的框架體系下,我們認為工科物理化學課程除了培養學生具有扎實的基礎知識、良好的邏輯思維能力,建立科學的思維方法外,還應當突出基礎理論與實際應用并重、注重聯系實際的工科特色;并能夠關注學科發展前沿,理解新興領域的研究思路。因此,在小班研討的研討內容選擇上,就要兼顧上述三個方面。
此外,本校本科學生在二年級上學期和下學期學習物理化學課程,這時學生正處在由基礎課程到專業課程學習的過渡期,學生的理論聯系實際的能力和創新意識都較薄弱;同時,多數學生的口頭表達能力尚需鼓勵和培養。在研討內容的選擇上也需要考慮這個問題。
一、基礎核心內容的研討
對于熱力學、動力學、化學平衡和相平衡這部分基礎核心內容,在教學過程中,為了讓學生形成完整的知識系統,教師要站在整個學科的高度向學生講述物理化學的主要框架和思想方法。
首先,研討內容中學生的陳述內容可選擇對每章的重點進行歸納總結,討論內容可以選擇學生易于混淆的概念、定理和基本原理進行辨析。對基礎核心內容的難點問題,教師可通過擬定思考題的形式由學生進行討論。這樣做一方面可以夯實基礎,強化學生的自主學習能力,為理論應用于實際打下基礎;另一方面,可以逐漸培養學生的口頭表達能力和學術交流能力,使研討能夠循序漸進地越做越好。
其次,在基礎理論建立的過程中,通過分析科學家的研究過程、研究方法,可以學習科學家的邏輯思維方法。因此,從物理化學發展的歷史中,選取某些知識的起源、發展和完善的歷史作為研討內容,通過學科發展和背景的討論能促進學生對理論和公式的深刻理解,讓學生掌握系統的學科思想方法。此外,科學家的生平介紹,研究方向的確立與變化,也可作為研討內容,這樣可以激發學生的學習興趣和熱情。
此外,融合章節間的研討內容可以讓學生對所學知識融會貫通,培養學生綜合分析問題的能力。例如:以某一具體實例,將熱力學和動力學結合起來,研究化工生產的反應條件。首先采用熱力學中化學反應的等溫方程判定反應的自發性,再采用等壓方程優化反應溫度,結合動力學中溫度對反應速率的影響,在綜合考慮平衡轉化率和反應速度的基礎上,確定最佳反應溫度,反應時間等參數。這類的研討內容可以提高學生分析問題的能力。物理化學課程中有許多相似的邏輯關系,這種相似的邏輯關系背后隱藏著更深刻的內在聯系。例如,基于熱力學的狀態函數方法獲得的相變焓與溫度的關系,與化學反應焓變與溫度的關系極其相似;在相變熱力學中純物質氣液或氣固兩相平衡中,飽和蒸氣壓與溫度的關系,在化學反應熱力學中,標準平衡常數與溫度的關系,在化學反應動力學中,速率常數與溫度的關系,三者極其相似。這些沒有現成答案的研討可以活躍學生的思維,培養學生探索未知領域的意識和勇氣。
二、擴展內容的研討
工科物理化學的擴展內容為電化學、膠體化學和表面化學,這部分內容與科學研究和生產實踐聯系緊密,學生既可以用基本原理來解釋自然現象,又可以用基本原理來解決實際問題。這部分的研討內容相當豐富,也是探討的重點。
例如:在電化學領域內,研討腐蝕產生的原因以及應對策略,如陽極保護、陰極保護、鈍化等措施的應用;研討玻璃電極、離子選擇性電極、化學電源、電化學合成的原理、裝置和應用。在表面化學的學習中,研討表面活性劑,從表面活性劑的結構到表面活性劑的性質,再到用途,如作為劑、去污劑、增溶劑和乳化劑等;研討膜分離技術,基于膜具有較大比表面的特殊的表面性質,被應用于化工、食品、醫療、衛生等領域;研討具有巨大比表面的吸附劑和納米材料,它們的結構、性質和在工業生產和人民生活中的用途;可研討毛細現象,解釋“鋤下有水”,“棉布吸水”等自然現象;研討潤濕現象,解釋眼鏡起霧的原理,并采取有效措施預防。學習膠體化學時,研討解釋膠體穩定性的DLVO理論,找到膠體穩定存在的原因,從而制定出破壞膠體的措施或者穩定膠體的對策;研討電泳的原理,在分析化學、生物化學、臨床化學、毒劑學、藥理學、免疫學、微生物學、食品化學等各個領域的應用。
這部分的研討著重從基本原理的應用,到實驗裝置或生產設備的建立,再到工藝條件的選擇,能訓練學生將基本原理用于解決問題的習慣和能力,有助于學生形成系統發現問題、分析問題和解決問題的能力。
三、與專業相結合的學科前沿的研討
本校每年學習物理化學的本科生有1000多名,專業涵蓋大化工的許多專業,如冶金、材料、化工、環境、輕工等專業。大化工的不同專業的后續課程對物理化學知識的延伸和應用存在差異。比如,冶金和材料類的專業對相平衡知識應用較多,制藥和紡織等專業對膠體化學的知識應用較多。針對這一特點,小班研討的內容可視學生的專業特點而定,由學生自主選題,著重于工程應用和學科前沿。
在小班研討的實踐過程中,這部分的研討尤其讓教師深刻地體會到學生自身的巨大潛力和可塑性。例如:學習了相圖中的臨界狀態,引出新興的超臨界流體萃取技術,食品專業的學生主要研討用于萃取啤酒花、香辛料、植物色素和動物油脂等超臨界流體萃取的原理、裝備和工藝條件等;制藥專業的學生主要研討將之應用于中藥有效成分的提取和中藥的現代化;化工專業的學生主要研討天然香精香料和天然色素等的提??;環境專業的學生研討萃取污水中的有毒物質,如有機氯、有機硫等。關于電化學的應用,對環境科學和工程專業的學生,研討將電化學氧化、電化學還原、電凝聚和電滲析等方法用于廢水處理;對化工專業的學生,討論燃料電池、新型海洋電池的設計原理、工作方式等;對生物化工專業的學生,研討生物電催化、微電極傳感器的原理及應用。當學習表面張力的時候,研討內容對冶金專業可選擇表面活性劑用于礦石的浮選原理與應用;對紡織專業,可選擇荷葉效應對材料制作的啟迪;對于生物化工專業,新型的生物表面活性劑又是研究的熱點,由于它與環境具有兼容性,既無毒又可被生物降解,隨著人們環保意識的不斷增強,生物表面活性劑越來越受到人們的關注,需要研討生物表面活性劑的結構、制備、應用以及與傳統表面活性劑的優缺點比較等。在膠體化學中,微乳狀液的制備和應用,雙向凝膠電泳的技術及應用也是目前研究的新方向,可以提供給高分子材料專業的學生作為研討內容。
四、結論
在知識更新迅速和信息爆炸的時代,迫切需要掌握扎實的基礎知識,具備將基礎知識應用于實際的能力,能夠客觀分析各行業的實際需求,創新性地解決問題的人才。在近幾年小班研討的實踐中,我們逐漸發現,只有通過多層次、全方位、針對專業特色地精選研討內容,才能循序漸進地培養人才的綜合素質。在夯實學科基礎知識的基礎上,培養學生理論聯系實際的能力,能進一步提升學生的創新性思維能力,最大限度地發揮小班研討的作用。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 肖琦,黃珊.物理化學教學改革探索[J].大學教育,2012(5):81-82.
關鍵詞:物理教學;學生能力;提高
大學物理作為高?;A課程質疑,是鏈接自然科學與工程技術科學的重要橋梁。大學物理學科的學習,對物理學知識的探究、自然科學認知力的提高具有重要價值作用。同樣,物理學科的學習也有利于培養具備創新能力和科學思維方法,對高校學生綜合素質的提升具有積極的推動作用。大學生綜合素質的提高對于社會的發展來說至關重要,在實際物理教學中,由于高校專業課程安排的影響,以及物理學知識過于理論,使得依稀專業課程的教學中無法更好的融入物理學理論。從而導致很多高校學生不能夠理解大學物理教學的重要性,也就對該學科的關注度較低,缺乏學習興趣,教學質量難以提升。
學習興趣指的是學社對學習活動所產生的積極和追求的傾向。研究表明,興趣能夠對人的行動產生驅動力。一旦學社對學習產生興趣,其必然對待學習有一個積極樂觀的態度,并且會投入較多的精力投入到學習活動中去。偉大的科學家愛因斯坦就曾說過“興趣是最好的教師。”只有先培養學生學習物理的興趣,才能夠進一步的提升學習的能力,提高教學質量,培養出專業能力較強的人才。
一、從教學態度及語言上營造氛圍,提升學生學習能力
在物理教學實踐中,教師自身要形成自我獨特的教學風格,善于利用哲理、幽默的語言吸引學生的注意力,傳遞給學生積極的情感。這樣一來就能夠讓學生在上課過程中,保持愉悅的態度,從而讓學生能夠更樂于接受知識。在大學物理教學中,無論是對學生專業能力、創新能力的培養,都離不開情感的培養。因此,在物理教學課堂上,情感的培養很重要,課堂氣氛的營造也十分重要,這些對于學生學習興趣以及學習能力的提升都有積極的推動作用。
1.生動風趣,激發和提高學生的學習興趣。
教學是一門語言藝術,機智、風趣的語言往往是活躍學生思維的最好的手段。在物理教學課堂上,教師務必要以調動學生課堂學習積極性為核心,進行自我心理調整,在課堂上與學生進行充分的互動,調動學生積極、愉悅的情感,從而讓整個課堂體現出活力。事實表明,教師風趣的語言藝術,能贏得學生的喜愛、信賴和敬佩,從而對學習產生濃厚的興趣,即產生所謂"愛屋及烏"的效應。
2.教師授課時,要有豐富的情感,從而激勵學生的學習情趣。
豐富的情感,是課堂教學語言藝術的運用,也是教師道德情操的要求。一個教態自然的優秀教師,走進課堂應滿臉笑容,每字每句都對學生有一種熱情的期望。大多數學生的進步都是從任課教師的期望中產生的。富有情感色彩的課堂教學,能激起學生相應的情感體驗,能增強他們的理智感,能激發他們的求知欲,能使他們更好地感受和理解教材。
二、從直觀的實驗激發學生的興趣,提高學生的學習能力
物理學科是一門實踐性較強的學科?;谖锢韺嶒?,不僅能夠培養學生的實踐能力,同時也能夠進一步的培養學生的探究能力和創新能力。在實驗中學生能夠更為深入的發現物理學的奧秘,能夠讓學生體驗到科學原理的驗證過程。在整個實驗體驗的過程,學生充分的發揮了自己的動手能力以及與他人合作的能力,讓學生掌握探究性學習的方法,能夠培養學生自主學習的能力。
在應用型本科教育當中,更要加強分組實驗,以培養學生動手能力與創新能力,掌握系統的實驗方法與技能,對理工科專業的學生至關重要。除此之外,在實驗教學中還要調整一些實驗內容,比如增加實驗種類,分別通過演示實驗、綜合設計性實驗和虛擬實驗到達應用型教學的目的。
(1)通過演示實驗,演示具體的物理現象,從而培養學生的觀察分析能力,拓展他們的思維與視野。在教學過程中,結合演示實驗的現象,提升課堂教學效果。我們學校建有一個140平方米的演示實驗室,開設有40多種演示實驗項目,有效地利用這個演示實驗室的關鍵在于如何科學合理地開放。我們要求學生在學學物理課程的這1年時間里,必須到實驗室參觀學習。除了上課的學生參觀以外,新生一入學也可以以班級為單位預約到演示實驗室參觀學習。利用直觀而有趣的物理現象抓住學生的好奇心,激發他們對物理學規律和現象的探索興趣,為以后更好地學習物理課程奠定了基礎。
(2)通過綜合設計性實驗,以期充分調動學生探索問題的積極性,激發他們的創新欲望。教師要注意實驗題目的難度要適當,不僅要考慮學生具備的理論知識水平和實驗方面的基本能力,實驗原理涉及到的理論部分學生應有所了解,并根據查找的資料能總結出實驗原理;同時還要考慮到實驗室現有儀器設備情況和實驗教師的研究方向。學生也可自帶實驗題目,以學生為主,教師僅起指導輔助作用。在實施過程中,一定要給學生創設一個自由的、能充分進行探索的空間。
(3)通過虛擬實驗,與傳統實驗有機地結合在一起,組建仿真實驗平臺,從而緩解實驗教學的壓力,提高物理實驗教學的效果。大學物理仿真實驗通過計算機把實驗設備、教學內容、教師指導和學生的操作有機地融合為一體,通過對實驗環境的模擬,加強學生對實驗的物理思想和方法、儀器的結構及原理的理解,并加強對儀器功能和使用方法的訓練,培養設計思考能力和比較判斷能力,可以達到實際實驗難以實現的效果。
三、總結
人才培養模式的改革是高等教育發展中的重要理論和實踐問題,而學生自身的能力成為了其中的觀點。本論文論敘了興趣和實驗對學生能力的提高。興趣不僅僅是學生自己一個人的事,它需要老師的著重培養。實驗教學在培養學生動手能力、學習與認知能力,特別是提高創新意識和創新應用能力方面起著至關重要的作用,它也需要老師的努力與學生的配合。當然能提高學生能力的因素不僅僅只是本論文談到的這些。
參考文獻:
[1]羅瑩,李列明.基于互聯網的大學物理教學的量化研究――DGWI教學模式研究[J].物理與工程.2016(02)
[2]薛麗媛.大學物理教學中現代信息技術的有效應用[J].現代交際.2016(03)
論文關鍵詞:MATLAB,矩陣,自動化,教學方法
引言
MATLAB是MATrixLABorotory(矩陣實驗室)的縮寫。MATLAB語言是一種廣泛應用于工程計算及數值分析領域的新型高級語言,它在數值計算、符號計算、繪圖功能以及圖形化編程等方面有著非常強大的功能。同時MATLAB具有豐富的工具箱,包括符號數學工具箱、SIMULINK仿真工具箱、控制系統工具箱、信號處理工具箱、圖象處理工具箱、通訊工具箱、系統辨識工具箱、神經元網絡工具箱、金融工具箱等數十種,使其在工業研究與開發,數學、電子學、控制理論和物理學、經濟學、化學和生物學等學科的教學與研究中得到廣泛應用。MATLAB功能強大、簡單易學、編程效率高,深受廣大科技工作者的歡迎,自1984年由美國MathWorks公司推向市場以來,歷經二十多年的發展與競爭,現已成為國際公認的最優秀的工程應用開發環境。在歐美各高等院校,MATLAB已經成為線性代數、自動控制理論、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真、圖像處理等課程的基本教學工具,成為大學生、碩士生、以及博士生必須掌握的基本技能。
目前,國內大學的理工科專業都將MATLAB作為專業基礎課程,那么如何能夠讓學生在本課程的學習中提高興趣,掌握相關知識為后續課程搭建好學習和實驗研究的平臺就成為了本課程教學中的一個重要問題。本文結合作者MATLAB課程多年的教學經驗,對該課程的教學做以下探討。
1、掌握MATLAB語言的特點矩陣,把握細節教學
MATLAB提供了豐富的矩陣運算處理功能,是基于矩陣運算的處理工具,所有的變量都被看作矩陣,例如 C = A + B,A,B,C都是矩陣,是矩陣的加運算,即使一個常數,Y=10,MATLAB也看做是一個1′1的矩陣。對于矩陣的學習,關鍵是掌握矩陣元素的標識并靈活運用。在教學中,我們可以通過下面的矩陣使學生對矩陣的標識進行掌握中國知網論文數據庫。
(1)
掌握矩陣元素的基本標識之后,對于應用和提取矩陣中的元素,通過以下表格并演示運行結果來掌握。
舉例,如對于
A(:, 4)=
表1 矩陣元素尋訪
標識
使用說明
A(m, n)
提取第m行,第n列元素
A(:, n)
提取第n列元素
A(m, :)
提取第m行元素
A(m1:m2, n1:n2)
提取第m1行到第m2行和第n1列到第n2列的所有元素
A(m:end, n)
提取從第m行到最末行和第n列的子塊
關鍵詞:工科復變函數與積分變換;教學思想;教學內容;教學方法
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)22-0038-02
工科復變函數與積分變換主要是面向工科光電類、機電類、通信類、生物醫學類專業開設的一門專業基礎必修課程。盡管課程名稱綜合了復變函數論、積分變換兩門數學系的專業基礎課程,但從授課內容和對學生要求程度與數學專業的兩門課程截然不同。它也不同于大學其他數學基礎課程,如高等數學、線性代數、概率論與數理統計的教學,因為它主要是為后繼專業課服務的,受學時和專業課要求所限,講授時不可能像高等數學、線性代數、概率論與數理統計那樣面面俱到,不可能把每一個概念、定理都逐個講透。如何提高工科復變函數與積分變換的教學是一個值得探討的問題,我們就三方面進行討論。
一、教學思想方面
首先,工科復變函數與積分變換是專業基礎必修課程,是為后繼很多門工科專業課服務的,比如自動控制原理、信號分析與信號處理、醫學成像與圖像處理等專業課程。教學指導思想應遵循以下兩個基本原則。
1.強計算、弱證明。工科講授的復變函數主要內容體系分為復數與復變函數、解析函數、復變函數積分、復級數、留數理論、共形映射六大部分,其中解析函數、復變函數積分和共形映射部分涉及到很多的定理證明問題,比如復合閉路定理、閉路變形原理、平均值定理、最大模原理等,這部分對工科學生掌握起來偏難,可以淡化證明,簡單推導,對一些過難的定理可以作為自修內容,而對專業課涉及的留數理論、級數理論還有各種積分方法的具體類型題,計算則要詳細講解,重點推導。工科積分變換也是同樣,涉及到傅里葉積分展開定理證明、傅里葉變換推導、拉普拉斯變換推導、狄拉克函數背景和性質可以略講,給出結果即可,而對利用兩種變換的性質計算的類型題則應加強練習,熟練掌握。
2.重視工科復變函數與積分變換與后繼專業課的銜接。在自動控制原理、信號分析與信號處理、醫學成像與圖像處理這些專業課程中用到的大部分是積分變換的知識,講解過程中應注意提及要銜接內容,引發學生學習興趣,比如在講拉普拉斯變換應用時就可以強調信號輸入輸出實質就是將一類函數經過某種變換以另一類函數輸出。
二、教學內容方面
工科復變函數與積分變換的學時通常在32~64學時左右,要想每一部分內容都細致深入的講解是根本辦不到的,因此在內容講解上應該注意抓重點,常歸納,重應用。比如幫助學生歸納復變函數積分可以按積分曲線的不同分成閉合曲線和非閉合曲線兩大類,閉合曲線上的積分又可以分成:(1)定義法:即化復變函數的積分為實部、虛部兩個實變二元函數的曲線積分問題。(2)柯西―古薩基本定理。(3)利用已知結果求其他一大類積分,即在包含a點的圓周上做關于■的積分結果為2πi。(4)柯西積分公式。(5)高階導數公式。(6)級數法。(7)留數法,通過總結使學生對積分方法做到理解深刻。在重應用方面,工科復變函數與積分變換講解要盡可能避免數學的抽象,盡可能多的聯系實際,強調應用。比如講清復變函數實質就是一個平面穩定場,保角映射的應用就主要在平面場和平面流場上。傅里葉變換的物理意義實質就是物理上常用的頻譜概念。拉普拉斯變換的應用可以用于求解常系數線性微分方程初值問題及某些特別的微分、積分方程的初值問題,這種方法常在電路理論和自動控制理論的線性系統中應用。
三、教學方法方面
大多數工科院校在講授工科復變函數與積分變換這門課程時還停留在傳統的以老師講授為主的基礎上,教學效果并不理想,適當加入引導式、啟發式和討論式教學乃至案例實驗教學可以達到事半功倍的效果。
1.引導式教學。在教學過程中應通過問題引導式教學激發學生的學習興趣。比如提出研究復變函數和實變函數聯系的問題,在開始接觸時應不斷引導學生找出二者區別與聯系。以實數作為自變量的函數就做實變函數,以實變函數作為研究對象的數學分支就叫做實變函數論。以復數作為自變量的函數就叫做復變函數,而與之相關的理論就是復變函數論。解析函數是復變函數中一類具有解析性質的函數,復變函數論主要就研究復數域上的解析函數,因此通常也稱復變函數論為解析函數論。復變函數求極限,解析函數求導,求積分,級數展開都可以用實變函數的對應理論研究。
2.啟發式教學。啟發式教學是指教師在教學過程中根據教學任務和學習的客觀規律,從學生的實際出發,采用多種方式,以啟發學生的思維為核心,調動學生的學習主動性和積極性,促使他們生動活潑地學習的一種教學指導思想。比如啟發學生自己發現復變函數的主題研究對象是解析函數,重點是解析函數孤立奇點處的性質,級數展開,積分等等,讓學生自己總結出孤立奇點的三種類型及判別方法,以及前面提到過的積分求解的7種方法。啟發學生探索或查找復變函數與積分變換與物理、電學、控制理論中一些基本概念之間的聯系。這將引起學生學習這門課程的興趣,也為學好這門課程提供了有效的方法。
3.討論式教學。討論式教學的環節大致包括:設計問題、提供資料、啟發思路、得出結論。比如在工科復變函數與積分變換課程教學中可以結合討論式教學的模式和特點,就積分變換應用中的重點和難點問題,充分提供參考書、研究方法、例題等資料,引導學生自主進行辯論和思考,幫助其歸納得出積分變換應用的內容,可以以小論文的形式匯報并將此作為學生平時成績的一部分。
4.案例實驗教學。這是一個新嘗試,由于工科復變函數與積分變換課程學時所限,在正常的學期內不可能有時間進行上機實驗,因此可以將此部分留作假期作業,在學生掌握了基本的數學軟件使用后,留作一些運算或數值算例,比如利用Matlab工具箱進行復變函數圖形的繪制達到復變函數可視化的目的;再比如利用residue命令求復變函數的留數,利用laplace和ilaplace,fourier和ifourier命令求拉普拉斯變換及逆變換,傅里葉變換及逆變換,不但讓學生對所學內容有了進一步形象生動的理解,還讓學生在今后的專業課學習中多了一種研究工具。
總之,提高工科復變函數與積分變換教學質量要做到明確教學目標,確定教學思想,完善教學內容,活用教學方法,只有這樣才能把這門課程的教學質量真正得到提升,學生真正學習學懂這門課程,但是如何貫徹這幾點需要這門課程的任課教師做到適應課程教學的新形勢,以素質教育為核心,以學生為主體,不斷挖掘學生的潛力,不斷補充自己的教學能力。
參考文獻:
[1]劉向麗.復變函數與積分變換[M].北京:機械工業出版社,2009.
[2]周晨星,姜淑珍.復變函數論教學內容與教學方法的新探[J].長春師范學院學報,2005,(11).
關鍵詞:文科物理;教學研究;科學素質
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)46-0187-02
一、開設文科物理的意義
物理學是一門研究物質基本運動規律的學科。在自然科學的發展歷史中,物理學的每一次重大的發現和突破都引發了新領域、新方向的發展,甚至產生新的科學技術,給人類文明帶來新的改變。物理學的發展現在已經延伸到各個學科領域。例如,生物物理、醫學物理、天體物理、復雜網絡、信息熵等。然而由于我國教育體制的原因,文理科分科時間較早,很多學生在高中就放棄了物理這門課程。因為完全不了解物理學內容,大多數文科生對物理學敬而遠之,甚至片面地認為物理、化學等自然科學是西方文化發展的產物,文科生只要學好中國傳統文化就好。物理學是關于自然的學問,生活在這個浩瀚無垠、結構壯觀的宇宙中的人類,每人都有必要認識自然、了解自然[1]。科學無國界之分,也無群體之分。
隨著社會的進步、科技的高速發展,國家對高素質、全方位人才的需求增多,各類文理交叉專業大量涌現。很多金融企業在招聘人才時,對有理工科背景的大學生更歡迎。越來越多的高校開始關注大學生的人文素質和科學素質的綜合培養,文科物理的開設可以滿足高校綜合素質培養的要求。南航金城學院在建院之初就面向經管類、工業設計類學生開設了文科物理。
二、教材的選擇
目前各大高校均已開設文科物理課程。不同高校由于學生的基礎差異、專業特色不同,在教學過程中,教師對文科物理的教學內容選擇、對學生的要求都不一樣。大多數學生主要靠書本自學獲取系統知識,因此選擇適當的教材是教授好文科物理的關鍵。文科物理教材普遍均是以物理學知識體系為主線,主要分成力學、熱學、電磁學、光學、相對論和量子力學幾部分[2],每部分內容穿插物理學發展史和物理學研究方法,從人文文化和科學文化的高度把有關的內容組織起來。當前使用較多的文科物理經典教材主要有倪光炯的《物理與文化―――物理思想與人文精神的融合》、趙崢的《物理學與人類文明十六講》、施大寧的《文化物理》等。其中倪光炯的《物理與文化》適合60學時左右較長學時的學習,而施大寧的《物理與文化》適合40學時左右的文科物理教學使用。文科生的思維方式不同理科生,教材的趣味性很重要,優秀的文科物理教材可以把物理與文化有機結合起來,從文科生的視角觀察分析自然規律。從近幾年學生的學習反映情況來看,金城學院的學生比較適合施大寧的《文化物理》。
三、教學方法探究
文科生的數理基礎不同于理科生,因此文科物理教學方法絕不能照搬理科物理。考慮到文科學生在將來的工作生活中應用物理專業知識的可能性不大,他們不需要掌握復雜的物理建模[3]。因此,文科物理知識的重點應該放在基本物理現象的展示及初步規律的探討上,教師在授課的過程中應該注重物理文化的傳播,避免物理定律繁雜的推導。具體注意事項分以下幾個方面論述:
1.教師們在介紹物理知識的過程中可以多結合生活中直觀的物理體驗,講述典型事例的應用。例如我們在介紹動量定理的時候,可以通過投擲標槍、逆風行舟的例子在闡述動量定理的應用。在介紹角動量守恒定律時可以播放花樣滑冰、貓下落、旋轉座椅等相關視頻,電磁學中我們可以引入微波爐、電磁爐工作原理。熱學中介紹蒸汽機機、冰箱的物理原理。讓學生通過直觀形象的事例了解物理顯現和物理知識的應用。
2.文科物理教師在授課過程中可以多引入物理學史和物理人文趣事。很多高校教師在教學過程中均發現,相比于直接介紹物理原理和公式,學生更愿意聽老師介紹物理學上的逸聞趣事,通過故事打開話題,再引入到物理知識上來,教學效果會有明顯提高。例如,我們在開始學習電磁學時,不妨先告訴學生電學和磁學的發展歷程,從奧斯特到麥克斯韋,把關鍵人物和相關重要突破闡述清楚,可以和學生聊一聊法拉第的成長奮斗史,安培的主要貢獻,等等。
3.物理歸根結底是一門實踐學科,理論和實驗的結合非常重要。因此,文科物理的教學要安排相應的實驗內容,讓學生自己動手、動腦,調解實驗設備,觀察實驗結果,學習相關理論,比純理論教學效果要好很多。
4.近代物理部分,因理論知識較深,公式推導較煩瑣,文科物理教師在授課時應該多注重概念的描述,避免物理模型的計算。我們可以多介紹近代物理的作用和具體包含的內容、相關物理學家的貢獻、近代物理對現在科技的影響等。同時,物理學科前沿發展的狀況也可以引入文科物理課堂。例如,目前比較熱門的引力波,什么是引力波、如何產生;宇宙的起源,宇宙大爆炸模型,宇宙的衍生,什么是黑洞、暗物質的存在等等,這些知識的介紹可以大大提升學生的學習興趣。因此,文科教師自身要非常熟悉并了解物理學科前沿以及當前熱門的科學話題,了解當前科技動態,并在課堂中能夠將復雜的物理問題深入淺出、言簡意賅地傳授給學生。
5.教學方式上,盡量少板書,多利用多媒體。文科物理的教學不需要太多的邏輯推理和公式推導,一些物理現象可以用直觀的動畫和視頻向學生展示。例如,介紹波動部分的橫波縱波概念時候我們可以直接用動畫播放,給學生的印象更深刻、直觀。多媒體課件在制作過程中,應該盡量避免大幅度的文字敘述,多一些圖片,文字部分可以口頭敘述。
另一方面,文科生的學習方法和思維習慣不同于理工科學生[4],而目前高校教授文科物理的教師均是理工科出身。這就要求教師正視文科物理與理工物理的差異,不斷充實人文知識,具備豐厚的文化底蘊,并做到自然科學和人文科學的融會貫通[5]。在考試方法上,我們也不能照搬理科物理?,F在的學生課堂學習的狀況不如以前,由于手機、電子設備的影響,很多課程很難把學生的興趣調動起來。這也是目前很多高校面臨的嚴峻問題。文科物理的教學更應該注重課堂的參與,而不是通過簡單的概念考察,讓學生考試前背一背、看一看就好。教師在授課過程中可以多開展一些討論課,讓學生自己搜集資料,參與討論,了解相關知識。另外,每部分內容授課教師可以給學生布置一些選題,讓學生以小論文的方式提交作業,記入最終成績。
從以上情況可以看出,由于文科物理教學內容和教學對象的特點,文科物理的授課教師要求也更高。文科物理教師需要做到文理兼備、知識淵博、深諳人文和科學文化。文科物理教學的核心是培養提高文科類學生的科學素養,在學好本專業的同時,通過對自然科學的認識和理解,能夠用科學的思維方法思考和看待自然世界,建立合理世界觀、價值觀。文科物理的教學宗旨是通過文理知識的交叉融合,培養出全面發展的綜合性人才。
參考文獻:
[1]施大寧.文化物理[M].北京:高等教育出版社,2011.
[2]倪光炯,王炎森.物理與文化――物理思想與人文精神的融合[M].北京:高等教育出版社,2005.
[3]王小力,李宏榮,等.文科物理課程的內容設置與教學方法改革[J].中國大學教學,2010,(9):37-39.
[關鍵詞]復合型應用人才培養模式
[作者簡介]李春艷(1978-),男,湖北荊門人,重慶科技學院數理學院,講師,碩士,研究方向為算子理論與小波分析。(重慶401331)
[中圖分類號]G648.2[文獻標識碼]A[文章編號]1004-3985(2012)18-0037-02
我國在圓滿完成了“十一五”規劃的各項任務之后,國民經濟水平和社會發展水平都有了顯著的提高,社會主義市場經濟體制日益完善。人才,作為支撐社會主義市場經濟發展的一個重要資源,在過去的五年里為我國國民經濟的可持續發展提供了堅強的保障。在“十二五”規劃中,怎樣培養能夠適應我國經濟結構戰略性調整所需的大量應用人才是擺在高校面前的一個十分重要的課題。普通工科院校作為我國高等工程教育體系中的一部分,在應用人才培養方面理所當然承擔著重要的歷史使命。
一、我國現階段高等工程教育體系的現狀分析和復合型應用人才的內涵
我國現有各類普通高校兩千三百多所,其中高等工程教育分別由專門的工科院校、綜合性大學中的工科院系和部分專業性大學(如師范、農業類院校等)中的工科專業承擔。目前,我國的高等工程教育體系大致可以分為三個層次:一是以培養工程理論研究人員為目標的理工研究性大學和綜合性大學;二是以培養大量工程應用人才為目標的普通工科院校;三是以培養工程技術工人為目標的工程職業技術學院。在這三個層次中,第二層次的院校數量處于第一、三層次之間,但在工程應用人才培養體系中卻處于一個非常重要的位置。這是因為,普通工科院校所培養的工程應用人才始終處于生產的第一線,扮演著生產技術員的角色,擔負著工業生產過程中的技術保障任務。從某種意義上說,他們的能力和素質決定著我國工業生產的效率、產品的質量和產品的市場競爭力。因此,把他們培養成怎么樣的人以及怎樣培養他們,是普通工科院校面臨的一個重要而又緊迫的課題?!笆濉逼陂g,我國將不斷提高工業發展的水平,在改造原有工業的基礎上重點發展新一代信息技術、節能環保、新能源、生物、高端裝備制造、新材料、新能源汽車等新興產業。這種經濟結構的戰略性調整必將帶來對工程人員的新要求。我們不難發現,每個新興產業都不同于原有傳統的單一產業,它是一個龐大而又復雜的工業系統,需要多學科、多個行業的支撐。這就要求我們的工程人員不僅僅只是某個方面的“專家”或“能手”,還必須了解與他所從事的行業相關聯的理論和實踐知識。因此,培養“復合型應用人才”應該成為普通工科院校的人才培養目標。
所謂“復合型應用人才”,是指具有兩種或兩種以上學科背景相互滲透的知識結構,具有寬厚的學科基礎、良好的職業技能和協調發展的能力素質,從而具備寬廣的就業口徑和適應面的人才。其特點體現在以下幾個方面:
1.寬厚的工科基礎。復合型應用人才應該具有兩個及兩個以上相近工科專業的知識背景,能夠同時掌握幾個專業的基礎理論知識,并且能夠利用這些知識解決相關領域的實際問題。
2.熟練的職業技能。具有熟練的職業技能的“復合型應用人才”可以深入到工業生產的第一線,發現并解決工業生產過程中的具體技術性問題,從而提高生產機器甚至整個生產線的生產效率。這是復合型應用人才區別于工程理論研究人員的重要特征。
3.全面協調的能力素質。全面協調的能力素質包括了兩個方面:一是健康的心理素質和良好的文化素質。二是自主學習的能力,開展創新活動的能力和組織協調能力。全面協調的能力素質已經成為現代工業對工程人才的要求中必不可少的組成部分。
二、復合型應用人才的培養模式研究
作為一所西部地方工科院校,我校(重慶科技學院)從2005年開始,以“理工科綜合教學改革試點班”為載體對“復合型應用人才”培養的模式進行了積極的探索和實踐。
1.培養模式的總體設計思想。為了探索人才培養新模式,提高人才培養的質量,促進當前地方工科院校教育教學改革,按照學科打通的原則進行人才培養,以打破專業界限,形成學科交叉的育人環境,以培養學生扎實的數理基礎、寬厚的工科知識結構、熟練的職業技能,使學生具備全面協調的能力素質,以適應現代化工業生產對“復合型應用人才”的需求。
2.培養模式的設計方案。(1)綜合班的組建方案。綜合班的學生在當年的工科主干專業新生中進行選拔。選拔范圍包括石油、冶金、機械、化工等專業。選拔采取筆試和面試相結合的方式,并參考學生的高考成績。筆試主要考查學生的數學、英語基礎。面試主要考驗學生的心理素質、文體專長和創新能力等。(2)綜合班的教學設計方案。綜合班采取“A+B+A”或者“A+B”模式?!癆”表示集中學習學期數,“B”表示分專業學習學期數。綜合班的第一階段采取單獨組班,集中學習的方式,學校委托某個學院進行日常管理,A=3或4。第二階段,學生分散回原專業學習專業方向課,鼓勵學生選擇其他專業作為輔修專業,B=4或者5。第三階段,學生可以選擇在原專業完成畢業設計(論文),也可以選擇回綜合班與其他專業同學共同完成畢業設計(論文),A=0或1。(3)綜合班的課程設計方案。在第一階段,集中開設數學、英語、物理、制圖等工科基礎課以及其他按照教育部要求必須開設的平臺課。綜合班將強化數理基礎、工科基礎和語言基礎三大基礎,確保來自不同專業的學生具備學習專業課所需的基本的數理和語言工具。同時,合理地選擇、開設石油、冶金、機械、化工等專業的一些專業基礎課。在第一階段結束后,學生回到原專業學習專業課程。在第三階段,由老師提出一些跨學科的畢業論題或畢業設計,由學生自主組建合作團隊來完成。(4)綜合班的能力培養方案。積極鼓勵綜合班學生參加各種社會團體活動和全國性的各種形式的學科競賽,例如數學建模大賽、挑戰杯創業大賽、電子設計大賽等。
3.培養模式的有效性評估方案。對反映人才培養質量的一些關鍵性指標進行跟蹤,并與全校的平均值進行比較,通過比較的結果來對此種培養模式的有效性進行合理的評估。
三、復合型應用人才的培養模式的實踐
從2005年開始,我校連續4年通過“綜合班”這個載體對“復合型應用人才”的培養模式進行了實踐。
1.組建優秀的管理和教學團隊。根據復合型人才培養模式的總體設計方案,學校委托某個學院對綜合班實施日常管理。該學院按照學校的要求,充分利用全校的優質資源,為綜合班打造管理團隊和教學團隊。首先,從各學院聘請具有高學歷和高職稱的中青年教師擔任學生導師,指導學生大學期間的學習和生活,為學生的選課、職業規劃、心理疏導等等方面提供幫助,并且還定期給綜合班作相關專業的學術報告,讓學生了解各個專業最新的發展狀況。其次,要求各院系選派富有創新精神和改革意識的人擔任綜合班各門課程的主講教師,并鼓勵這些教師在教學過程中大膽地進行教學手段、教學方法和教學思想的改革。
2.制定了獨特的人才培養方案。按照培養“復合型應用人才”這個目標,在廣泛調研和充分論證的基礎上,學校制定了綜合班人才培養方案。第1~3學期為學生集中學習階段,主要完成公共基礎課、專業基礎課和集中實踐課三個模塊的課程學習。第4~7學期為學生分散學習階段,學生回原專業學習專業課程或到其他相關專業學習輔修課程,并繼續保留綜合班建制,學生定期集中匯報學習情況。第8學期為畢業實訓或實習階段,學生可以自由選擇獨立或聯合團隊進行畢業設計。人才培養的具體要求為:學生通過培養,應該具有良好的思想品德修養和健康的體魄、良好的心理素質與文化修養;具有扎實的數理基礎,受到嚴格的數理思維和方法訓練;掌握了工科大類基礎課的基本理論和基本技能;具有較強的語言聽說寫能力和文化交流能力;具有綜合利用所學知識進行創新活動的能力。
3.構建合理的課程教學體系。課程教學改革的關鍵是解決教師“教什么,怎么教”,學生“學什么,怎么學”的問題?!熬C合班”的課程教學改革在保證大學學習的第一階段課程通識性這一基本特點的前提下,盡量滿足各個專業學生后期專業性和前沿性特點明顯的后續課程的需要,同時注重對科學方法的訓練,以培養學生的探究性,增強運用所學知識解決實際問題的能力。為了實施人才培養方案,綜合班對第一階段的課程體系進行了精心的設計,構建合理的基礎課程體系?;A課程是體現大學教育通識性特點的核心載體,其作用在于培養學生堅實的理工科基礎、良好的科學素養和人文素養,使學生成為全面發展的工程應用人才。由于綜合班學生來自不同大主干專業,這些專業的人才培養方案中對數學、大學物理等基礎課的要求基本上是相同的。因此,我們在充分考慮各個專業具體要求的情況下,對這些課程的教學要求進行了修訂,以綜合班為平臺進行教改實踐。將只針對某幾個專業的專業基礎課變為綜合班所有專業的基礎課,例如大學化學、制圖、電路、力學等課程。同時增設大學語文、英語口語等語言文化課程。在實驗教學方面,開發了開放式實驗平臺,在綜合班進行以自主學習為主的實驗教學模式的探索與實踐。
4.建立有效的評估方案。有效的評價方案是確保人才培養質量的制度保障。有效的評估方案由以下三個部分組成。第一,課堂教學的有效性評估。主要體現在以下方面:學生的出勤率,學生對授課教師的滿意率,教師申請課堂教學改革的項目數,學生參加全校性公共基礎課課程的統考成績等。第二,學生科學實踐能力培養的有效性評估。這方面的評估包含了以下指標:英語和計算機等級考試的通過率,參加數學建模、電子設計大賽等學科競賽的獲獎數量,畢業設計的優秀率等。第三,學生遠期發展能力的評估。建立畢業生信息跟蹤系統,及時收集學生發展狀況和市場對畢業生的反饋意見,并通過這些信息來評估人才培養質量和學生遠期發展能力。通過對連續三屆綜合班部分指標的監測表明,綜合班學生在各項指標上都高于全校的平均水平,尤其在各種學科競賽中,綜合班學生在綜合運用知識解決實際問題的能力方面具有顯著的優勢。
四、實踐的意義
通過實踐,我們進一步明確了培養“復合型應用人才”應該是普通工科院校的人才培養目標。綜合班培養模式是探索“復合型人才”培養模式的具體實踐,為其他一般工科院校探索“復合型應用人才”的培養模式提供了借鑒。連續三年的綜合班試點,為我們積累了“復合型應用人才”培養的大量有益經驗。這些經驗為我們今后將“復合型應用人才”的培養放在學分制這個大平臺上來實施,以突破綜合班只能讓小部分學生受益的局限性,為建立一種既能貫徹綜合班培養模式的人才培養理念,又能克服綜合班培養模式不足的更好的培養途徑提供了指導。
[參考文獻]
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以物理原理為支撐的眾多先進技術或儀器,無一不被其他學科所利用。在卓越工程師計劃和專業認證的要求中,明確基礎實驗課在培養學生應用物理學知識解決實際工程問題。通過增設綜合研究性實驗項目教學方式,利用物理學知識及物理實驗方法及儀器使用,交叉結合“卓越計劃”相關專業,開闊視野,提升該專業學生的創新能力。比如生化專業學生研究通過激光照射、高頻振蕩、X射線輻射后的植物種子生長特性(2012年春萌、新苗計劃);機械專業同學通過研究共振特性來清除高壓傳輸線上積雪問題(2008年挑戰杯);輕工學生通過光譜表征研究防偽油墨(2013年新苗);電氣專業學生的人體感應臺燈(2012年物理創新競賽)、海洋溫差能量研究(2013年物理創新競賽)等等,不勝枚舉。增加學生自主研究的綜合研究性實驗項目,將為提升學生核心能力、工程素質培養提供了一個很好的平臺。
二、研究性實驗教學模式及理念
目前實驗教學的模式總體來說比較傳統,實驗課堂上實驗教師是實驗課的主體,詳解原理、介紹儀器、安排實驗內容、規定步驟、囑咐注意事項等,學生基本上只要按部就班驗證規律即可。很難使學生參與實驗活動的主觀能動性體現出來,學生的實驗興趣和積極性很難激發出來,對學生實踐鍛煉的效果有所影響。研究性實驗實驗是在傳統實驗教學基礎上,學生具有一定的基礎物理學知識和基本操作技能之后,確定比較開放的實驗主題,實驗主題可以是老師指定或學生自擬,3到4人一組,學生應用物理實驗方法及儀器設備,通過對實驗進行全面分析,查找資料、制定實驗方案、選擇儀器設備、實驗裝置圖設計、實驗內容步驟制定等等,完成實驗并對過程及結果分析小論文,最后總結交流。研究性實驗對實驗教學模式和實驗室的硬件條件及實驗室的管理提出更高的要求,課程設置上需要給定2到3周的開放時間,實驗室也相應的開放。對實驗所需的耗材購買等都需要作合理安排,完成一項綜合性實驗,相對于傳統實驗而言,對學生實驗創新能力的提升有獨特的作用。
1.研究性物理實驗課著重體現與其他專業的交叉融合。
作為基礎實驗課,大學物理實驗為各個專業學生提供了基礎的實驗訓練,著重培養學生的實驗方法、實驗規范、數據處理分析等能力。但就目前的大學物理實驗教學而言,僅限于自身的知識體系,與其他工科專業知識應用的聯系上不夠緊密,導致學生在物理實驗的功用認識上有所偏差,認為可有可無。因此,在現有實驗的基礎上,更新實驗教學內容,淘汰陳舊落后的實驗,增加研究性物理實驗,加強物理實驗課的知識輻射勢在必行,也是為服務各工科專業所必需的調整。在研究性實驗主題選擇上需要按照各工程專業認證要求,根據學生專業特點有所區別。
2.研究性物理實驗要充分利用先進的現代教學技術。
信息化技術的演變進入了大數據時代,基于計算機和傳感器及海量信息交互的物理實驗模式已經成為無法忽視的未來,在大大節省傳統實驗過程的記錄、觀測、計算、分析時間的同時,把實驗的重心落在問題的假設、分析、思考上,更象工程師一樣思考探索問題和方案。研究性物理實驗的主題比較開放,也就意味著需要大量的背景理論知識、實驗儀器使用、實驗方法等著學生自己去查閱、借鑒。同時,物理實驗教學管理的信息化和教學手段利用新技術上也要跟上,至少有一個學生交流的網絡平臺。
3.開放式研究性實驗創新實踐基地平臺建設。
以理學院應用型人才培養開放創新實踐基地平臺為基礎,以學生項目申請、學科競賽為方向,為參與研究性物理實驗學生提供一個平臺,增加其完成項目的積極性,通過完成系統的培訓,從中挑選出優秀的隊伍,進行有針對性的強化培訓,鼓勵申報各級學生科技立項,如春萌、新苗計劃、國創計劃、挑戰杯等。組織學生實驗競賽活動,參加大學物理創新競賽等競賽。也可以吸收基礎好、有一定科研能力的優秀學生參與老師的科研項目。
4.研究性物理實驗設置的關鍵問題:
4.1教學大綱問題,物理實驗在鞏固基礎實驗的同時,增加2到3周的相對開放的研究性實驗,因此在大學物理實驗教學計劃教學大綱上作怎樣調整是個關鍵。
4.2研究性自主實驗的管理問題及成績考核問題,增加了研究性實驗項目,期末考核也應作相應的調整,建立一套能綜合考核大學物理實驗課程指標,通過考勤紀律、實驗報告、創新能力、研究性學習效果(科技立項、競賽獲獎情況等)。
4.3與各工科專業相應的交叉研究性實驗題目選擇問題。各工程專業認證要求及特點有所不同,相應的研究性實驗主題需要作不同的設計,緊貼專業特點。
4.4教學管理、信息化教學手段和先進測量分析技術、交流平臺建設的問題。劃分教學及日常管理職責,滿足開放自主條件下的實驗運行的有序進行,保證交流平臺的有效性。
三、結語