卓越人才培養(yǎng)視閾下大學(xué)物理課程思維能力的培養(yǎng)

于肇賢+劉鳳敏+胡紀(jì)平

摘要：本文結(jié)合我們?cè)诖髮W(xué)物理教學(xué)中的實(shí)踐，介紹了我們?cè)谧吭饺瞬排囵B(yǎng)視閾下大學(xué)物理課程思維能力的培養(yǎng)方面的一些探索和具體做法。

關(guān)鍵詞：卓越人才培養(yǎng)；大學(xué)物理課程；思維能力的培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）05-0203-03

一、引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是我國(guó)全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的一項(xiàng)重大舉措。2010年以來(lái)，教育部在全國(guó)200多所高校眾多學(xué)科專(zhuān)業(yè)實(shí)施了卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，培養(yǎng)了一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。卓越人才需要具備社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新性、應(yīng)用性和國(guó)際化四個(gè)可觀測(cè)的基本素質(zhì)特征。卓越人才的能力標(biāo)準(zhǔn)方面包括：溝通合作能力、獲取運(yùn)用知識(shí)能力、克服困難（危機(jī)處理）能力、尋求把握機(jī)會(huì)能力。卓越人才培養(yǎng)的重點(diǎn)是創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，即改革現(xiàn)有的課程教育體系，充分發(fā)揮課程教育對(duì)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的價(jià)值和意義。

當(dāng)前，我國(guó)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(jì)劃供給，變?yōu)樾袠I(yè)需求驅(qū)動(dòng)；由高校支持服務(wù)，轉(zhuǎn)向服務(wù)與引領(lǐng)同步；發(fā)展方式由外延式發(fā)展，轉(zhuǎn)向以質(zhì)量提升為核心的內(nèi)涵式發(fā)展；教育改革由單項(xiàng)教育教學(xué)改革，轉(zhuǎn)向體制機(jī)制創(chuàng)新的綜合改革。

根據(jù)高等教育發(fā)展的時(shí)代要求，高校在定位上要考慮國(guó)家戰(zhàn)略、行業(yè)需求、學(xué)校優(yōu)勢(shì)、學(xué)生發(fā)展；專(zhuān)業(yè)建設(shè)要由學(xué)科體系出發(fā)向應(yīng)用需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變；教師要在研究中教，學(xué)生在探索中學(xué)，致力于建構(gòu)相互尊重、互相探究的學(xué)習(xí)共同體；教學(xué)內(nèi)容要緊密結(jié)合時(shí)代要求，要關(guān)注“互聯(lián)網(wǎng)+”，也要兼顧人文和情感，通識(shí)課程與職業(yè)素養(yǎng)教育并舉。

二、大學(xué)物理課程思維能力的培養(yǎng)

（一）物理學(xué)的重要性

1.物理學(xué)的發(fā)展推動(dòng)自然科學(xué)的發(fā)展。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)，物理學(xué)中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法是檢驗(yàn)自然科學(xué)真理性的標(biāo)準(zhǔn)。物理學(xué)研究的規(guī)律是事物和現(xiàn)象的基本性與普遍性，其基本概念和基本定律是自然科學(xué)很多領(lǐng)域得以發(fā)現(xiàn)發(fā)展的基礎(chǔ)?？茖W(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的巨大的發(fā)展也得益于物理學(xué)的發(fā)展。諸如核能的開(kāi)發(fā)利用、航空和航天技術(shù)、太陽(yáng)能和潮汐能的利用、納米技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等等，這些新的自然科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)拓展，都是在物理學(xué)發(fā)展的推動(dòng)下，伴隨著自然科學(xué)的不斷進(jìn)步而產(chǎn)生的。從更深層次上分析，物理學(xué)的發(fā)展和完善不僅推動(dòng)了整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展和完善，同時(shí)也推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。

2.物理學(xué)是現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。從近代開(kāi)始，電磁學(xué)的誕生和電磁理論的建立，出現(xiàn)了電報(bào)、電話(huà)、廣播、電視等信息傳播手段，光物理、聲學(xué)物理、原子分子物理以及光電子技術(shù)、激光技術(shù)等對(duì)信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了空前影響，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)更是促進(jìn)了信息處理技術(shù)的進(jìn)步，信息技術(shù)的每一次重大更新變革都與物理學(xué)密切相關(guān)。激光的出現(xiàn)對(duì)通訊技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是顛覆性的。激光出現(xiàn)后，非線性光學(xué)在激光技術(shù)信息處理和存儲(chǔ)、計(jì)算技術(shù)等方面得到蓬勃發(fā)展。能源科學(xué)的發(fā)展完善也離不開(kāi)物理學(xué)。如：物理學(xué)中的核物理和高能物理學(xué)是原子能開(kāi)發(fā)和利用的基礎(chǔ)，凝聚態(tài)物理和光物理學(xué)是太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)。空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展直接體現(xiàn)了物理學(xué)研究的水平高低。我們知道，物理學(xué)是衛(wèi)星和火箭發(fā)射、運(yùn)行、控制的直接理論基礎(chǔ)，天體物理、大氣物理和地球物理是空間技術(shù)的重要理論背景和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。材料科學(xué)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ痪褪俏锢韺W(xué)基礎(chǔ)研究的新理論、新發(fā)現(xiàn)、新效應(yīng)和新實(shí)驗(yàn)技術(shù)。隨著高溫超導(dǎo)、半導(dǎo)體超晶格物理、新型晶體和晶體學(xué)、新型磁性材料物理、超微粒子材料物理等物理學(xué)分支的進(jìn)一步研究，必將極大地推進(jìn)材料科學(xué)的向前發(fā)展。近年來(lái)物理學(xué)家對(duì)反物質(zhì)的研究，將會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)新的能源。

3.物理學(xué)是各種高科技人才科學(xué)素質(zhì)的基本要素。著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼說(shuō)過(guò)：“科學(xué)是一種方法，它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到什么程度（因?yàn)闆](méi)有事情是絕對(duì)已知的），如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性，證據(jù)服從什么法則，如何去思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象。”愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考與工作，他必定會(huì)找到自己的道路。”

大學(xué)物理課程是以物理學(xué)基礎(chǔ)為內(nèi)容的一門(mén)學(xué)科，對(duì)于理工科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，它是一門(mén)非常重要的通識(shí)性必修基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)大學(xué)物理可以使學(xué)生獲取物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握物理學(xué)研究問(wèn)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(jì)算的能力，獲得獨(dú)立獲取知識(shí)的能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，可以使學(xué)生開(kāi)闊思路，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)適應(yīng)能力，提升科學(xué)素養(yǎng)，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，樹(shù)立辯證唯物主義的世界觀和方法論。同時(shí)大學(xué)物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的課程，有其獨(dú)特的思維與推理方法，在培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識(shí)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(yǎng)

1.培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。大學(xué)物理課程可以訓(xùn)練學(xué)生獲取知識(shí)、組織知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)，讓學(xué)生掌握科學(xué)史上解決問(wèn)題的正確方法：一是在原有理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)提出合理的假設(shè)，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(xué)生理解物理，也需要理清歸納法和演繹法的應(yīng)用范圍、應(yīng)用內(nèi)容，闡述在學(xué)生能力培養(yǎng)方面所起的重要作用，提出處理復(fù)雜問(wèn)題的一般方法。從基本的物理現(xiàn)象出發(fā)，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，建立相應(yīng)合理的物理模型，得到有實(shí)際物理意義的結(jié)果。

通常學(xué)生學(xué)習(xí)物理的思維方式有三種：第一種思維是，問(wèn)“這是什么？那是什么？”，就是人本能的求知欲。這是人最簡(jiǎn)單的思維方式。第二種思維是，問(wèn)“為什么？”，產(chǎn)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(zhì)的升華。第三種思維是，如果老師告訴他這道題選A，他會(huì)問(wèn)“為什么是A而不是B？如果是B會(huì)怎么樣？如果是C又會(huì)怎么樣？B和C錯(cuò)在哪里呢？”，如果孩子把思維觸角延伸到這個(gè)層次，我們說(shuō)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(ài)因斯坦拋棄了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，得出了狹義相對(duì)論；普朗克否定了傳統(tǒng)的能量是連續(xù)的觀點(diǎn)，得出了量子論。愛(ài)因斯坦和康普頓分別成功地解釋了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，使得光的粒子性又“復(fù)活”了，為上世紀(jì)奠定光的波粒二象性提供了支持。

2.注重物理學(xué)史教育。物理學(xué)史是一部人類(lèi)對(duì)自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史，表明了物理學(xué)發(fā)展過(guò)程，其中涉及許多科學(xué)家和他們的科學(xué)成果。通過(guò)學(xué)習(xí)物理學(xué)史，不但能增長(zhǎng)學(xué)生的見(jiàn)識(shí)，加深其對(duì)物理學(xué)的理解，更重要的是通過(guò)學(xué)習(xí)物理學(xué)史，使學(xué)生開(kāi)闊眼界，從前人的經(jīng)驗(yàn)中得到啟發(fā)。在教學(xué)中生動(dòng)而真實(shí)地引入物理學(xué)史，再現(xiàn)當(dāng)時(shí)的物理事件，使學(xué)生深受感染，教學(xué)效果明顯提高。例如，量子力學(xué)的發(fā)展史是物理學(xué)上最激動(dòng)人心的篇章之一。在講解量子力學(xué)時(shí)，通過(guò)概述量子力學(xué)的發(fā)展，再現(xiàn)量子論發(fā)展由一個(gè)不起眼的線索開(kāi)始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛的傳奇的物理事件。讓同學(xué)們?cè)谖锢碇R(shí)的海洋中聞到藝術(shù)的芬芳，激發(fā)了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。在講解麥克斯韋電磁場(chǎng)方程時(shí)，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(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理時(shí)，我們介紹了磁單極的概念。告訴學(xué)生，一旦將來(lái)實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了磁單極，則現(xiàn)有的方程要被改寫(xiě)。在講解薛定諤方程的解時(shí)，我們介紹了1984年英國(guó)布里斯托爾大學(xué)Berry關(guān)于幾何相位因子的工作，指出真理的相對(duì)性。

著名物理教育家趙凱華教授指出：“在我們的教學(xué)中，同一問(wèn)題，既可以把原始的物理問(wèn)題提交給學(xué)生，也可以由教師把物理問(wèn)題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后再提交給學(xué)生。習(xí)慣于解后一類(lèi)問(wèn)題的學(xué)生，在遇到前一類(lèi)問(wèn)題時(shí)，往往會(huì)不知所措?！薄拔覀兎磳?duì)‘題海戰(zhàn)術(shù)，反對(duì)針對(duì)某類(lèi)考試或題庫(kù)的應(yīng)試教育。但是做題畢竟是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中比較主動(dòng)的環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)物理，不做習(xí)題是不行的。但做習(xí)題不在于多，而在于精。”

我們要重視將原始物理問(wèn)題引入教學(xué)。比如，我們?cè)谥v解法拉第電磁感應(yīng)定律時(shí)，通過(guò)對(duì)奧斯特實(shí)驗(yàn)的分析，得出電和磁這對(duì)矛盾在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。在講解光電效應(yīng)方程時(shí)，我們沒(méi)有按照教材上的講法簡(jiǎn)單地給出光電效應(yīng)方程，而是拋出若干可能的因素給學(xué)生，比如光強(qiáng)、照射時(shí)間、光電流、入射光頻率、不同材料、截止電壓、電子最大初動(dòng)能等等。首先分析電子為何會(huì)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(wèn)題又來(lái)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(wú)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(fā)學(xué)生分析應(yīng)該從單電子的能量守恒去分析問(wèn)題，取得了很好的教學(xué)效果。

在講解測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系時(shí)，我們先啟發(fā)學(xué)生如何測(cè)量電子的坐標(biāo)，電子處在何位置，那么通過(guò)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(lái)光子與電子就要發(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子已經(jīng)不是原來(lái)的位置了，電子的動(dòng)量也改變了。所以永遠(yuǎn)無(wú)法找到可同時(shí)測(cè)量坐標(biāo)和動(dòng)量的最佳狀態(tài)。最后，我們以測(cè)量身高為例說(shuō)明永遠(yuǎn)也找不到最佳的測(cè)量時(shí)機(jī)。

在講解物質(zhì)波時(shí)，我們特別強(qiáng)調(diào)了思想方法的重要性。1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了物質(zhì)波的概念和理論，把量子論發(fā)展到一個(gè)新的高度。德布羅意在長(zhǎng)期思考后，把愛(ài)因斯坦的光量子理論推廣到一切物質(zhì)粒子，特別是電子。德布羅意認(rèn)為：“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在光學(xué)上，比起波動(dòng)的研究方面來(lái)，是過(guò)于忽略了粒子的研究方面；而在物質(zhì)粒子理論上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把關(guān)于‘粒子的圖象想得太多，而過(guò)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(duì)稱(chēng)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(shí)，我們介紹了朱棣文等的激光冷卻原子試驗(yàn)，說(shuō)明一切重大的發(fā)明創(chuàng)造都源于基本物理概念的突破。

物理教學(xué)應(yīng)該既要著眼于物理知識(shí)的傳授，也要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，這不僅對(duì)提高學(xué)生在校學(xué)習(xí)質(zhì)量具有事半功倍之效，而且對(duì)他們以后繼續(xù)學(xué)習(xí)有重要意義。

20世紀(jì)以來(lái)物理學(xué)發(fā)展迅猛，取得了非常突出的成就，一直是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科，是推動(dòng)整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最主要的動(dòng)力和源泉，也成為了整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展以及社會(huì)文明的進(jìn)步，產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。正如楊振寧教授所說(shuō)：“在20世紀(jì)，物理學(xué)產(chǎn)生了奧妙的觀念革命，從而改變了人類(lèi)對(duì)空間、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)和力這幾種基本概念的認(rèn)識(shí)；深入探索了物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步為人類(lèi)生產(chǎn)力帶來(lái)了空前增長(zhǎng)?！?/p>

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