研究型人才培養模式下大學物理課程教學改革與實踐

李 紅 楊新建

（中國石油大學（華東）理學院，山東 青島 266580）

1 研究型大學背景下，大學物理教學應注重培養學生的科研素質

人才培養是大學的根本任務，科學研究是現代大學的重要職能[1].研究型大學具有雄厚的師資，完善的教學與科研設施，特色鮮明的優勢學科，應該成為培養學術型人才的搖籃和積極開展原創性科學研究的基地[2].然而“我國現有的傳統課堂教學在培養學生創造力方面已經顯現出越來越明顯的不足，為了適應創造性人才培養的要求，勢必要對這種傳統教學方法進行改革.而現在看來，把本科生科研訓練融入課堂教學體系，教授和培養本科生的基本科研素養，以此提升學生的創新素質，可以說是現實情況下高等教育最佳的選擇.”[3]因此，作為研究型大學一門重要的公共基礎課，大學物理教學不僅要充分展示物理知識本身在其他自然學科中的基礎性和生產技術領域中的應用性，更要體現物理學家探索未知的方法和思想在科學研究中的指導性和通用性.授課過程不僅關心學生對知識的獲取和應用，更關注學生對科學的研究方法和思想的領悟以及對物質世界基本規律的感悟，注重學生科研素質的培養和創新心靈的啟迪.

2 大學物理課應如何適應研究型人才的培養

科學研究需要足夠的細心和耐心，還需要一定的技巧和悟性，更需要扎實的基礎知識和深深的熱愛作支撐，所以，雖然每個人都有從事科學研究的權利，但并非人人都適合做科研.鑒于此，大學物理教師在教學中應遵循先讓學生了解科研，懂得科研是怎么回事，引導學生理性地熱愛科研，掌握一定的研究方法，然后部分地、有選擇性地參與科研，將來有機會才可以從事科研，有所創造.具體做法如下。

2.1 改變教學觀念，引導學生感悟自然之美，熱愛物理，純粹“為學”

研究從熱愛開始.物理學是一門應用性很強的學科，能夠有效地解決實際問題是很多人著迷于物理研究的原因之一.然而物理學更迷人的地方，筆者認為是通過對物質世界規律的探索，使人們意識到大自然本身的美妙和神奇.電荷到底是什么？光速為什么是個常量？不可逆性的起源……諸多未解決的問題折射出大自然的無窮奧妙，也深深地吸引著每一個物理愛好者.這種對自然界本身運行和演化規律的欣賞和好奇應該成為學生學習的根本動力，而這種基于對自然界的熱愛和對自然現象本身的好奇而產生的學習興趣一旦形成，相信學生們也會如費曼般有著一種想知道為什么的強烈欲望，而發出“我想知道這是為什么，我想知道這是為什么我想知道為什么，我想知道為什么我想知道究竟為什么我非常想要知道為什么我想知道這是為什么”的感慨.

只想知道并探究到底是什么，到底為什么，而不是一味地或過多地關注知識本身及其應用，這樣的學習可以說是一種純粹的“為學”.可見，純粹的“為學”是一種基于對自然之美的欣賞和對自然界萬物運行和演化規律的好奇，而產生的強烈探索未知欲望下的求知行為.這種對問題追根究底的強烈的探索興趣一經養成，學生的學習過程就成了一個積極主動“上下求索”的過程，并進一步成為學生進行科學研究不竭的動力.這樣的學習和研究，不僅能獲得現有的知識和技能，還能有效地激發學生的創造性思維，使開拓新領域、發現新現象、創造新知識成為可能.

為了引導學生樹立純粹“為學”的理念，就要使學生意識到大自然的神奇，熱愛自然，熱愛解釋自然規律的物理科學.然而我們現有的教材對理論的闡述和應用舉例還是很抽象的；現在的大學物理教學目的也還處在由純粹的知識講解到注重應用的轉型期.所以，我們應該改變教學觀念，將費曼的教學目的“我講授的主要目的，不是為你們參加考試做準備——甚至不是為你們服務于工業或軍事做準備，我最想做的是給出對于這個奇妙世界的一些欣賞，以及物理學家看待這個世界的方式，我相信這是現今時代里真正文化的主要部分.也許你們將不僅對這種文化有欣賞，甚至也可能你們會加入到人類理智已經開始的這場偉大的探險中去.”作為大學物理教學的更高目標.這就需要教師本人對物理知識有所感悟，只有教師真正體會到了大自然的美妙和神奇，他的講述才具有靈氣和魅力，才能真正開啟學生求知的心靈，在學生心間埋下熱愛和探索的種子.

2.2 改變教學思路，引導學生思考，鼓勵學生提出基本的科學問題

為了使學生將來有可能終身從事科研，大學物理教師應該有意識地培養學生提出關于“是什么、怎么樣和為什么”等基本科學問題的能力.正如愛因斯坦所說：“提出一個問題比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許是一個數學上的或實驗上的技能而已；而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要創造性的想象力.”

如何才能在課堂上有效地引導學生提出問題？筆者通常采用的方法包括以下幾種.

（1）面對新的現象，引導學生提煉出關于“是什么、怎么樣”的基本科學問題.比如講完機械振動內容后，就要展開機械波的講解.此時可以先演示機械波的形成過程，讓學生們意識到研究機械波與機械振動的不同之處在于：研究對象由過去的一個質點轉換為現在的無窮多個質元；相同之處在于：參與機械波傳播的每個質元都做機械振動.有了這樣的認識，學生就可以提出諸如：機械振動是怎樣由振源一個質元的振動變成多個質元的振動的？（即機械波是怎樣形成的？）各質元的振動有什么樣的聯系？（即機械波是怎樣傳播的？）各質元的周期、振幅和能量怎樣？（即機械波的特點）等關鍵問題.同時讓學生們意識到：問題提出的具體與否還關系到解決的難易.如上，“各質元的振動有什么樣的聯系”與“機械波是怎樣傳播的”是等價的問題.但很明顯“各質元的振動有什么樣的聯系”要更具體，這樣的發問實際上為解決“機械波是怎樣傳播的”提供了思路，即從研究各質元振動之間的關系入手.

（2）在已有物理規律的基礎上，引導學生提出關于“為什么”的科學問題.比如，在講解完熱力學第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述之后，引導學生發問：“既然一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的，都具有方向性.那么它們之間是否具有一定的聯系？如果有，會是怎樣的呢？”進而提煉出待研究的問題：“一切與熱現象有關的實際宏觀過程不可逆性間的關系？”通過探討得到：“一切與熱現象有關的實際宏觀過程的不可逆性都是相互依存的.”有了這些規律，學生會自然地提出“為什么會是這樣的？微觀上到底發生了什么？”即熱力學第二定律的微觀本質問題.在此基礎上，進一步告訴學生，現在有很多關于“是什么”和“為什么”的問題人類還沒有最終解決.正如愛因斯坦所說：“科學決不是也永遠不會是一本寫完了的書.每一項重大成就都會帶來新的問題.任何一個發展隨著時間的推移都會出現新的嚴重的困難.”鼓勵學生敢于發問，勇于質疑，善于思考和研究，為科學而奮斗！

（3）查漏補缺，提出待研究的問題.比如在講完質點和質點系的動力學及其在剛體轉動中的部分應用之后，將其內容總結如圖1和圖2所示.

圖1 質點（系）動力學知識總結

讓學生仔細觀察兩部分內容，然后思考遺漏的尚未研究的內容.學生們會很快發現：無論質點還是質點系都討論了力對時間和空間的積累，而對于力矩只討論了對時間的積累，沒有討論對空間的積累效果.由此提出待研究的問題：以剛體的轉動為例討論力矩對空間的積累.在此基礎上，進一步給學生講解楊振寧和李政道發現弱相互作用宇稱不守恒的過程，讓他們深刻地意識到“查漏補缺，打破常規認識”在科學研究中的重要性.經過啟發，有的學生還提出：“為什么牛頓力學中關于力和力矩對時間和空間的作用效果是分開討論的，而不是同時討論力對時空的積累？是疏漏還是存在局限性？”并展開相關問題的學習和研究.可以看到，在鍛煉提出基本科學問題的過程中，學生的批判性思維也得到了鍛煉.

圖2 質點（系）動力學知識總結

2.3 改變教學方法，引導學生自主學習，運用科學的方法解決問題

“大學從來都不是靜態的，而是隨著環境改變和調整的機構.”[4]研究型大學背景下大學生的學習發生著改變，教師的教學也在發生著改變.正如密歇根大學第11任校長詹姆斯·杜德斯達所言：“大學教育正從一種建立在一個人早期的學位課程基礎上的‘以防萬一’式的教育，向一種在職業生涯中獲得知識與技能的‘隨時隨地’的學習方式轉變，再向一種按照學生的需要定制的‘正適合你’式的教育服務轉變.……在新的教學模式下，教師的任務將不再是確認和描述書本內容，而是教育和引導學生積極地學習.今天的大學生追求和需要一種不同的教育方式，互動和合作學習將逐漸取代被動、消極的講座和課堂學習.學習不只是研究和認真思考的過程，通過主動的發現和運用知識進行學習的效果會更好”.[5]可見，尋求一種啟發性、富有想象力的、影響深遠的教學方法對研究型人才的培養是多么重要.“科研式”的教學模式就是這樣的一種教學方法.

“科研式”教學模式的基本思想為：針對某一自然現象或實驗現象，引導學生提出明確的待研究的問題；通過分析討論，運用已有的知識給出解決問題的思路，包括如何建立合理的理想化模型或具有可操作性的實驗；通過合作討論進一步給出對現象的定性解釋和定量描述；在此基礎上，能夠解釋相關的實驗現象或者預言“新”的實驗現象，體驗創新；最后展開對現象本質問題的研究，尋求對宇宙深層次的理解.

仍以機械波的教學為例.（1）引導學生具體化研究問題：如前面一節所討論的通過對行波的演示，引導學生提出待研究的問題.“波的形成”比較容易解決，而要解決波是怎樣傳播的，就要描述清楚參與波動的各質元的運動情況，“而對于實際的波列，包含無窮多個質元，如何研究？”學生們通過觀察和推理，得到：無窮多個質元都作機械振動.要描述物體的機械振動，就要建立振動方程.要研究無窮多個質元的振動情況，就是要建立各自的振動方程.經過這樣的思考，學生們進一步明確提出待研究的問題：建立無窮多個質元的振動方程.（2）提出合理的理想化模型：“如何建立無窮多個質元的振動方程？”學生們經過討論給出以下思路：已知的振動形式中最簡單、最基本的是簡諧振動，如果無窮多個質元都作簡諧振動，問題便可以得到簡化；各質元均重復振源的振動，所以振動頻率相同，若再找到各質元振幅及相位間的關系，問題將進一步得到簡化.此時，教師可作如下引導：簡諧振動是否真實存在？什么情況下可把物體的振動看作簡諧振動？如果波在傳播過程中無能量損耗，各質元振幅的關系怎樣？經過這樣的點撥，學生們會很大膽地給出“簡諧波”的物理模型.為了建立各質元的相位關系，可以由學生獨立或合作學習波面、波線等基本概念.有了這些概念，學生便可得到：同一波線上各質元間相位差與波程差的關系并由此建立平面簡諧波的波函數.（3）利用現有知識預言新的實驗現象，體驗創新：建立起平面簡諧波的波函數之后，教師給出題設“有兩列相干波，波函數的表達式分別為求合成波的波函數.”學生們會很快給出合成波的波函數接著引導學生：“描述一下合成波中各質元的振動情況；如何得到這樣的波列？”學生經過討論預言了（駐波的）實驗現象并給出具體的實驗方法.接著教師做演示試驗并給出駐波的概念.“獲得答案很了不起，獲得能夠被實驗證實的答案就更了不起了.”[6]學生的創新體驗達到頂峰，他們開心極了，會迫不及待地自主完成駐波相關內容的學習.（4）整理回顧，進一步完善理論：通過對駐波的學習，學生們不僅掌握了行波與駐波的不同，而且給出關系式Δφ＝僅適用于行波.為了更深入地理解駐波，部分學生展開了對“半波損失”本質問題的學習和研究.

3 研究型人才培養模式下大學物理考核應夯實基礎知識，注重批判性思維，體現綜合素養

為了最大限度地督促學生自主學習，盡可能公平地對學生學習的全過程予以評價，同時鼓勵學生創新，各高校大學物理考試改革相繼展開.考核方式已由過去的“一考定乾坤”變為現在的“期中、期末統考與平時測評相結合；統考與科技論文寫作相結合；或者統考、科技論文寫作與試驗測試相結合”等多種形式.改革成效雖然顯著，但也出現了一些新的問題.（1）抄襲現象有擴大化趨勢：不僅上交的各章節的習題作業、實驗報告存在明顯的抄襲現象，甚至撰寫的科技論文也存在普遍的抄襲和拼湊現象.（2）盲目追求能力提升，忽視基礎知識的學習：隨著創新能力在各課程對學生的評價中所占比重的上升，以及學校各級對學生創新的高度重視，學生們逐漸意識到創新能力的重要性，紛紛投身創新、創業計劃，積極參加各類競賽和各種社團活動.真正靜下心來用心讀書的學生少了，很多學生甚至反映：太忙了，沒有時間學習.導致學生普遍基礎薄弱，研究生階段科研失去后勁.（3）輕視科研：現在許多教師的科研都是借助于現成的軟件，如MS、Gauss等.這些軟件由不同的模塊組成，學生只要了解其中部分模塊的功能，就可以通過改變相應的參數而獲得不同的結果.再對結果稍加分析，就可以發表文章了.部分學生天真地認為這就是所謂的科研，從而形成“創新不過如此”的看法.

為了克服以上弊端，研究型人才培養模式下大學物理考核應該有以下幾點作用.

1）要夯實學生的基礎知識

在閉卷統考中加大對基本概念、基本定理和定律的理解的考核力度，讓學生意識到：大學物理的學習遠非他們心目中的“考前突擊，記記公式，會做題”那么簡單；真正意義上的創新也遠非他們心目中的“換個研究對象，改改參數，再加以合理的分析”這么容易.新的理論和更為精準的測量是科學進步的標志，而這樣的進步又是建立在以前科學成就的基礎上.所以，只有靜下心來認真研讀，才能做到像費曼所描述的那樣：在所有可能的層面上體驗生活、感知宇宙，而不是僅僅停留在那些恰好符合人類感知能力的層面上.唯有用心思考，才能真正理解物理，才能真正懂得科研；唯有打下夯實的理論基礎，才會在科學研究的道路上走得更遠、更輕松.

2）要體現嚴謹求實、不斷進取的精神

大學生初涉科研，一定要讓他們養成認真扎實、實事求是的探究態度.懂得尊重他人的研究成果，堅決杜絕任何的造假行為.

3）要注重批判性思維和質疑精神

平時測評或科技論文寫作中，鼓勵學生“以否定性思維去檢討各種結論性前提”[7]，敢于質疑和批判已有的理論和現有的結論.盡量杜絕沒有任何創新，只是簡單的“復制、粘貼、拼湊或死記硬背”造就的“優秀”.讓學生們意識到“科學是認真的、嚴謹的、實事求是的，同時，科學又是創造的.科學的最基本態度之一就是疑問，科學的最基本精神之一就是批判.”[8]

[1]劉國瑜.大學學術發展的科學思考[J].中國高教研究，2009（3）：26-28.

[2]和飛.尊學與崇術：高校辦學理念的分野[J].高等教育研究，2005（6），26：17-21.

[3]鄔家瑛，錢輝.論本科生科研訓練存在的問題及解決思路[J].中國高教研究，2009（1）：69-71.

[4]菲利普·G.阿特巴赫.21世紀美國高等教育——社會、政治、經濟的挑戰[M].北京：北京大學出版社，2005：78.

[5]詹姆斯·杜德斯達.美國公立大學的未來[M].北京：北京大學出版社，2006：19.

[6][8]布賴恩·格林.宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義[M].長沙：湖南科學技術出版社，2013：55.

[7]展濤.我國研究型大學創新型人才培養的思考[J].高等教育研究，2011（1），32：7-13.