“大学物理”课程中围绕学生创新能力的调研与措施

王永钢

(北京邮电大学理学院,北京 100876)

“大学物理”课程中围绕学生创新能力的调研与措施

王永钢

(北京邮电大学理学院,北京 100876)

本文介绍在为北京邮电大学创新能力试点班讲授“大学物理”过程中,发现的当前学生中明显存在的一些问题和针对这些问题在课堂教学、课外作业以及考试环节所采取的一些有针对性的措施.

大学物理;创新能力;工程技术

1 研究背景

在人才培养的各方面中,能力的培养最为重要,而在各种能力中,创新能力又有着重要的地位,因此当前我国各高等学校都在关注大学生创新能力的培养.在这个背景下,北京邮电大学承担了教育部高等理工教育教学改革与实践项目“电子信息类专业本科生创新实践能力培养改革的研究与实践”,并自2007年开始组建了相应的试点班,希望以这个试点班为对象,调查当前学生中突出存在的问题,分析研究各教学和管理环节对学生创新能力的影响,在各培养环节中提出有针对性的措施并付诸实践,从中摸索出强化培养学生创新能力的经验和规律.

2 试点班的组建与授课

试点班是从我校电子信息类有关专业的学生中选拔组建而成.在学生入学后请愿意进入试点班的学生写一篇对大学四年设想的文章,利用此文章初步筛选后再进行面试.面试题目的涉及面较广,专家的即兴提问占了较大比例,希望通过面试能比较准确地了解学生勇于尝试的精神、承受失败的心理准备、与人交往的能力以及对课外知识的兴趣等.为保证试点班的研究结果具有推广价值,选拔时并未看重学生的高考成绩.

考虑到课程学习在大学四年的学习时间里占有很大比例,课程环节对学生各种能力的影响不容忽视.但是把试点班办成一个“世外桃源”对学生将来的发展并没有好处,经过研究,学校选定了一批被认为是对学生后续学习和将来工作有较大影响的课程在试点班单独开课,而一些一般性课程则是让试点班学生和普通班学生合班听课.“大学物理”是被选定单独开课的课程之一,由本文作者担任“大学物理”课程的主讲教师.

3 试点班“大学物理”课程的教学内容与课程体系

一门课程的教学改革通常涉及教学内容、课程体系和教学方法与手段等方面.

经研究分析,我们认为“大学物理”是一门重要的自然科学类公共基础课,各学校的基本教学内容应该是相同的,这个基本内容已经在教育部教学指导委员会《理工科类大学物理课程教学基本要求》中得到很好的体现.恰好在我们第一届试点班教学开始前不久,“教指委”公布了新一轮修改后的基本要求.我们知道此次修改曾经由“教指委”在较大的范围内多次征求过意见,经反复讨论后定稿,该基本要求的科学性和权威性是不应该怀疑的.因此我们认为试点班“大学物理”课程的教学内容仍应遵守此基本要求.

同样的,我们认为现行的课程体系也无须作大的调整.

4 教学中发现的突出问题

除正常的课堂教学外,本文作者还和其他为该班授课的教师一起与学生进行了座谈.在座谈以及教学中发现,该班同学充满了创新激情,但有些同学不注重一点一滴的积累,虽然当时他们只是一、二年级的学生,却一心想在短时间内快速地完成一些大的项目,而在电子信息这样的领域,这实际上是不太可能的.

其次,在平时的教学以及交谈中还发现,该班不少同学对分数和排名的重视程度已经到了不正常的地步.一些同学过度关注与排名有关的各种事项,很难把精力集中到如何真正提高自己的能力这方面来.实际上,影响排名的因素很多,排名与创新能力之间并没有很强的关联.

教学中还发现,有些同学轻视基础课的学习,不但在“大学物理”课中不投入精力,有的甚至连“电路分析”这样和专业密切相关的课程都不重视.出现这种现象的原因,或许是因为目前电子信息类专业毕业生的就业情况和收入都还比较乐观,但这种情况对学生将来的发展肯定是不利的.

经和普通班教师交流,得知普通班同学中也存在类似的问题,只是各班程度不同而已,即这种现象比较普遍.

毫无疑问,这样的状态将会影响学生的创新能力,也是我们应该通过各个教学环节着力解决的问题.

5 课堂教学中采取的措施

按照上面的分析,我们教改的重点不是教学内容和课程体系方面,而是如何使学生在学习基本知识的同时,尽最大可能提高他们与创新能力有关的各种素质.

“大学物理”作为一门重要的自然科学方面的基础课,在培养学生科学素养与能力方面的确可以发挥特别的作用,这些能力包括应用高等数学的能力、逻辑推理的能力、建立数学模型的能力、近似计算的能力等.关于这些方面的能力培养,已经有很多文章介绍经验,这里不再重复.

我们认为,对于工科学生而言,能够很快将基础科学中的新发现应用到工程技术开发中,是他们创新能力的一个重要方面.因此在实际讲课中,我们特别注重介绍物理学基本原理和新发现在工程技术中的应用.我们认为,对于大学工科专业一、二年级的学生,从原理上理解这些新发现是困难的,但只要学生能理解这些新发现是怎么回事,它们为何在工程技术中有重要应用就足够了.

下面列举几个教学中的典型事例.

5.1 量子霍尔效应

在讲授霍尔效应时,我们补充量子霍尔效应的知识.从理论上解释量子霍尔效应需要用到复杂的量子理论,这在“大学物理”课程中是不可能的,然而对比经典的霍尔效应,同学们理解量子霍尔效应的实验结果并不困难,而理解了有关的实验结果后,同学们就很容易理解为什么该效应决定了电阻的自然基准,这在科学研究和工程技术中都是重要的.发现量子霍尔效应时用到了非常极端的实验条件:低温、超强磁场和品质优良的薄膜样品,由于产生超强磁场需要很大的电流,为避免干扰其他研究组,此效应的发现者克利青坚持每次在深夜做实验,这一事例也说明了研究条件和科学家的品质与毅力在新发现中的作用.

5.2 约瑟夫森效应

与霍尔效应相似的,还有约瑟夫森效应.讲磁介质时我们要介绍超导体的完全抗磁性,此时简单介绍约瑟夫森效应.约瑟夫森效应不仅现象极为奇妙,而且决定了电压的自然基准,并且在精密测量中有着重要的应用.其次,我们还要说明,约瑟夫森发现以他名字命名的这一效应时,只是英国剑桥大学的研究生,正是因为他注重学术交流和关注科学前沿,才使他有了如此重要的发现,由此使学生理解学术交流的重要性.

5.3 利用微软播放器演示信号与频谱的关系

傅里叶变换以及频谱等概念在物理学和工程技术中都有着重要的应用,不过用此方法的数学计算有一定难度,导致一些同学产生了畏难或厌烦情绪,影响了相关课程的讲课或学习.鉴于此,我们利用 Windows操作系统自带的 Windows Media Player播放器和一些有代表性的乐曲,演示频谱与信号之间的关系,使学生对频谱概念有了比较形象的体会,意识到在个人计算机非常普及的今天,频谱的概念已经很贴近我们的工作和生活,提高了学生的学习兴趣.(详情请参阅“利用微软媒体播放器辅助频谱概念的教学”,收入《2008年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会(长沙)论文集》).

5.4 信息光学的简单介绍

待频谱概念得到巩固以后,通过比较“信号与系统”课程中矩形脉冲的频谱曲线与“大学物理”课程中单缝夫琅禾费衍射光强分布曲线之间的相似性,很容易说明各种夫琅禾费衍射实际上对应于透光屏透光率分布的傅里叶变换,以此为基础,就很容易地说明正弦光栅、空间滤波和相衬显微镜的基本原理了.通常这些知识只在物理专业的“光学”课程或光学仪器专业的“物理光学”课程中讲授,正规讲授需要较多的时间.我们这种讲法可能不够细致和深入,但是可以用很少的时间讲清楚一些概念之间的关联,特别是能够提醒学生注意不同课程之间的联系,这对于他们将来综合运用所学知识是有好处的.

总之,在上面所举的一些事例中,我们不追求从原理方面讲透,而是在于找好它们和“大学物理”课程常规内容的联结点,能够用有限的时间使学生正确理解事情的来龙去脉,从中受到教育和启发.

6 课后环节中采取的措施

鉴于当前同学中存在思想上充满创新热情而行动上又不愿意脚踏实地这样的问题,我们认为,对于像“大学物理”这样的基础课,若想为解决这类问题发挥作用,不但可以在课堂教学中给出一定的事例说明平时积累的重要性,还可以利用课外环节使学生对科研工作的某些环节有所体会.

出于这样的考虑,我们布置学生在课外环节进行查阅狭义相对论方面的资料和尝试撰写课外小论文的工作.

对于查阅狭义相对论资料这种任务,我们给学生比较大的选择余地,可以是相对论方面的原始论文,也可以是后人的述评;可以是背景知识介绍,也可以是个人的读后感.我们布置这项工作有两方面的用意,一是目前“大学物理”课程的教学时数很紧,藉此可以补充课内学时不能讲授的内容,例如弥补不能花很多时间介绍相对论历史背景的不足(而实际上历史背景对于培养学生的思维创新能力是非常重要的);其次文献调研是科研和技术开发方面的一项重要而艰苦的基础性工作,借此可以使学生对实际工作有一个初步的体验.

关于课外小论文,我们给出了一些参考题目,多为课堂内容的延伸,学生也可以自选题目,主要目的是拓宽学生视野、激发学习兴趣和培养学生脚踏实地的作风.

7 考试环节中采取的措施

我们对考试环节也进行了相应的改革,以检验课堂环节和课后环节的效果,并确保学生对我们课堂和课后环节采取的措施能够重视和配合.我们采取的措施主要是在期末总评中稍微加大对平时表现的考核力度,在平时表现中计入课外查阅资料和小论文这项工作.平时成绩包含三部分,即出勤、课后作业、查阅资料与小论文.我们曾经考虑过平时成绩中是否可以取消出勤与课后作业这两个因素,以便给学生更多的灵活性与自主权,但是在讲课过程中我们发现某些学生的学习主动性不够,仍有必要在考核平时表现中保留这两项,以便对学生起到督促作用.

8 结语

我们认为“大学物理”课程在培养工科大学生创新能力方面的确有着独特的作用,这些作用首先表现在对学生素质有着潜移默化的作用,由此既可培养学生尽快理解物理学的新发现并将其应用于工程技术的能力,也可培养他们脚踏实地的精神.

致谢

本工作得到教育部高等理工教育教学改革与实践项目“电子信息类专业本科生创新实践能力培养改革的研究与实践”和北京邮电大学教改项目“以提高学生创新能力为目标的‘大学物理’课程教学改革研究”的支持,特此致谢.

2010-11-04)