基于“教學研”一體化的大學物理教學模式探索

劉云云，王加迎，梁蘭菊

（棗莊學院光電工程學院 山東 棗莊 277160）

現如今，信息技術爆炸式發展，為了在新一輪科技革命與產業變革中擁有話語權，我國大力推進新工科建設，探索形成領跑全球工程教育的中國模式和經驗，助力高等教育強國建設。和傳統工科相比，“新工科”除了對傳統工科專業的升級改造，還注重學科的可用性、綜合性以及學科的交叉性、融合性[1]。各高等工科院校積極響應國家號召，提出一系列建設性思路，如“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[2-4]。“新工科”的核心是提高人才培養質量，為新時代的發展提供源源不斷的動力[5-7]。為此，要求教師不僅要做好教學的本職工作，還要將新理論、新方法、新思想融入課堂教學，讓學生了解學科特色以及前沿發展，激發其學習的積極性、主動性，始終堅持以科興教、以教興科的發展戰略。

大學物理作為高等院校理工科各專業的必修基礎課，是研究物質世界的基本結構、相互作用和普遍運動規律的學科[8]，是一切自然科學的基礎。物理科研則是利用最新的科研裝備和手段通過研究物質的基本性質、運動規律、能量轉化等現象，揭示了人類對客觀世界的最新認知[9]。它為發明創造新技術、新產品提供了理論依據，助力創新型人才的培養。創新型人才在探索未知、促進社會發展以及人類文明進步等方面都具有極大的推動作用。

大學物理教學內容具有極強的理論性，概念公式多、學生理解困難，當前傳統以課堂教學為主的教學模式只能讓學生“溫故”“知新”，想進一步實現“創新”的跨越，須對傳統教學模式進行改革，將科研納入當前的教學工作中。本文提出“教學研”一體化教學模式，以大學物理光學部分“光的衍射”為例，淺談在教學中引入科學研究的實例，力爭打造教學研一體化的高效課堂。

1 大學物理課堂教學現存的問題

如今各大理工科院校均設立了大學物理教學教研室，以教學為主，很少有學校同時設立對應的研究室，教學與科研脫節現象嚴重。具體表現如下：

長期從事教學工作的教師有比較豐富的教學經驗，但是缺乏科學研究的實踐。他們缺乏對新事物的感知力，對當代物理學科中的新發展和新成果了解甚少，而這些新發展與新成果正是物理學基本原理的實際應用，卻不能及時反映到教學內容中，這對于加深學生對物理學基本原理的理解，開闊學生的視野，激發學生的學習興趣都是極為不利的。

從事科研工作的教師往往有扎實的理論基礎、較強的實踐能力，其對新鮮事物比較敏感，能很好地洞悉物理學領域的新發現、新思想以及新成果。但因科研工作的需要或其他各種原因，他們無法參與基礎課的教學工作，不利于教學質量的提高，這無疑與“新工科”的核心思想相悖。

2 教學研一體化大學物理課堂教學的改進措施

為了培養符合新工科要求的創新型復合人才，提高基礎課教學質量，改變以教學為主的傳統教學模式，形成教學研一體化并促進它們相互結合，須對現有的教學模式進行改革。具體如下：

2.1 “化整為零”，改變一位基礎課教師完成整個學期大學物理教學內容的現狀

眾所周知，大學物理是一門包含力、熱、電、光、磁等內容的學科。目前，絕大部分高等院校均是由一名教師負責整個學期的教學內容。對于多年從事科研工作的教師來說，他們往往只對大學物理中的某一或某幾部分內容極為專業，可以做到侃侃而談，而并非對整個物理學的內容都能做到信手拈來。對此，我們應該充分發揮他們各自的專業優勢，讓不同方向的教師承擔自己擅長領域的物理教學工作，這樣既可以避免承擔過于繁重的教學任務，又可以更好地將科研融入教學中，做到教學研的相互結合。

2.2 構建“互幫”機制，打破以往基礎課教師和研究室教師各自獨立的局面

對于基礎課教師和研究室教師來說，他們分別有著豐富的教學經驗和最前沿的知識，如何將兩者結合起來，做到1+1>2？為此，我們提出構建“互幫”機制，建立隸屬于基礎課教研室和研究室的課題組，既可以方便基礎課教師積極參與科研工作，又有利于擅長科研的教師向基礎課教師汲取教學經驗，兩者之間互相滲透，取長補短，讓越來越多的教師成為教學和科研的雙重骨干，從而實現教學研一體化教學。

2.3 搭建“一對一幫扶”機制，避免出現老教師和年輕教師斷層的現象

對于老教師而言，他們往往有比較豐富的教學經驗，而年輕的教師尤其是剛剛博士畢業新入職的教師，他們嚴重缺乏教學經驗，但是往往有比較活躍的思維和前沿的思想。為此，我們可以搭建“一對一幫扶”機制，讓有豐富經驗的老教師和有活躍思維的新教師形成一對一的關系，一方面讓年輕的教師去聽老教師的課汲取經驗，同時老教師也要去聽新教師的課并對其提出意見，以此提高新教師的教學能力；另一方面年輕教師可以將專業領域最新的科研動態分享給老教師，再將這些最前沿的科研成果帶到課堂教學中，讓教學研一體化的教學模式得到切實落實。

3 教學研一體化的大學物理課堂教學案例

對現有的以教學為主的大學物理課堂教學進行改革，打造教學研一體化教學模式。下面以大學物理光學部分“X 射線的衍射”一課為例進行分析說明。

3.1 教

①首先向學生講解X 射線的定義。X 射線是由高速電子撞擊固體時產生的；由于這種射線不受電場或磁場的影響，所以它在本質上和可見光一樣，是一種電磁波。它的特點就是波長極短，穿透力極強。

②要求學生了解X 射線的基本原理。在X 射線的照射下，晶體中每個格點將成為一個散射中心。由于各原子在空間周期性地排列著，且各原子散射光的頻率和入射光相同，所以各散射光是相干的，它們將在空間發生干涉。為此，先考慮每一個原子的衍射，再考慮各原子的疊加。具體包括：同一晶面上各原子間的干涉（點間干涉）和不同晶面之間的干涉（面間干涉）。

a.點間干涉：同一面上各散射光的干涉只需考慮在衍射角等于掠射角方向的0 級主極大。

b.面間干涉：不同面上反射出的平行光疊加后是加強還是削弱，取決于相鄰兩光束之間的光程差。

對于多光束干涉來說，干涉加強條件為：

③X 射線衍射的應用：（a）X 射線光譜學，從連續譜中找出；（b）X 射線晶體分析，已知，研究晶體結構。

3.2 研

X 射線衍射作為一種分析測試手段，既可以定性地分析材料的結構，也可以定量地分析材料的成分。下面是在實驗室制備的某一種晶體材料的X 射線衍射圖（p13）。

圖1 （a）是自制晶體樣品的X射線衍射圖，圖中的各個峰就是由于光的衍射而形成的，稱為衍射峰。圖1（b）是CaLaGa3O7這個物質標準的X 射線衍射圖，這個是數據庫提供的。在標準圖中的每一個衍射峰都對應晶體的某一個具體晶面。通過對比兩個圖中各個衍射峰的位置有沒有變化，就可以知道自制樣品是不是純相CaLaGa3O7。如果兩個圖中各個衍射峰的位置都能夠很好地吻合，就說明合成了純相的CaLaGa3O7，也就是兩者的結構是一樣的，如圖1所示；如果自制材料樣品圖中出現了一些新衍射峰，則說明合成的材料其結構發生了變化，并沒得到純相的目標產物。如圖2 所示，在CaLaGa3O7中摻入Lu3+，通過與CaLaGa3O7的X射線衍射圖對比可以發現，Lu:CaLaGa3O7材料的X射線衍射圖中出現了一些新的衍射峰，說明合成的Lu：CaLa-Ga3O7并不是純相。

圖1 （a）CaLaGa3O7 晶體的X 射線衍射圖和（b）CaLaGa3O7 的標準X 射線衍射圖

圖2 （a）Lu:CaLaGa3O7 與CaLaGa3O7 晶體的X 射線衍射圖

3.3 學

以上只是簡單地從X 射線衍射圖定性分析新物質的結構，此外還可根據X 射線衍射圖分析物質的成分，學生可在課后自行查閱資料了解X 射線還有哪些具體的應用并據此寫一篇不低于500 字的小論文。通過以上課本知識的學習，學生可了解X射線衍射現象和布拉格公式的物理意義。

通過上述實例，在講授X射線衍射時引入X射線在科研中的實際應用，不僅可加深學生對課程教學的理解，還可使學生了解專業前沿知識，體驗科學探索的樂趣，掌握科研的方法，并有所創新和發明。

4 結語

在大力推行新工科建設的背景下，為培養符合新時代的創新型人才，結合大學物理課堂自身的特點，本文系統地分析了大學物理課堂教學中存在的問題，即以教學為主和教學與科研嚴重脫節的問題。為了解決以上問題，提出教學研一體化的教學模式，通過“化整為零”、構建“互幫”機制和搭建“一對一幫扶”機制，使以上教學模式得到有效落實，以推進大學物理課堂教學高質量發展，并以“X 射線的衍射”作為案例進行說明。