初探“卓越计划”下的大学物理教学

李文胜 张 琴 黄海铭

（湖北汽车工业学院理学系，湖北 十堰 442002）

2010年6月启动的“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》和《国家中长期人才发展规划纲要》的重大改革项目.此计划对培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用.为顺利实施“卓越计划”，作为工科院校主要基础课程的大学物理理应有所作为.因此，如何根据“卓越计划”的宗旨，依照高质量工程技术人才的内涵和学院各自的特点开展大学物理教学，是我们所面临的一个崭新的任务.

1 教学中注重对学生人文素质的培养

20 世纪初的学术巨匠，是一批学贯中西的人；21 世纪的大师，将出自那些文理兼通的人［1］.显然，高质量工程技术人才首先应有较高的人文素养.因此作为大学基础课程的大学物理，在注重培养学生科学素质的同时也应该兼顾对学生人文素质的培养.然而，人文素质的内涵十分丰富，它包含行为规范和道德情操两个层次，在大学物理教学中不可能也不必顾及上述两个层次的各个方面，以免喧宾夺主，牵强附会.而要依据大学物理教学的内容和特点，因势利导把对学生人文素质的培养渗透到整个教学中，做到润物无声，取得实效.为此，我们作了以下尝试.

1.1 不失时机对学生进行优秀传统文化熏陶

我国优秀的传统文化丰富厚重，是对学生进行人文素质教育的绝好的素材.在大学物理教学中，不忘对学生进行优秀传统文化的熏陶，是笔者在“卓越计划”试点班开展物理教学的有益尝试.如在上绪论课时，除讲述有关内容外，还和学生一起讨论《论语》中的“凡事豫则立，不豫则废.言前定，则不跲；事前定，则不困；行前定，则不疚；道前定，则不穷.”的现实意义，告诫学生要尽早树立明确的学习目的，作好学业规划；在讲授动量定理时，除讲授基本理论外，还强调积累的作用，并结合荀子《劝学篇》中的“骐骥一跃，不能十步；驽马十驾，功在不舍.锲而舍之，朽木不折；锲而不舍，金石可镂.”的有关内容.告知学生在学习上要善于“积跬步以成千里”，较好地完成自己的学业.在讲授热力学第二定律和熵增原理时，把熵增原理和我国道教学说的创始人老子的“治人、事天，莫若啬.”［2］的“啬”思想结合起来，告诉学生为人处世的基本准则.既使学生切实认识到了我国优秀传统文化强大的生命力，也让他们深刻体会到了自然科学中所包含的深厚的人文底蕴；在讲授混沌中的“蝴蝶效应”时，除给学生介绍混沌和“蝴蝶效应”的有关知识外，还着重强调“蝴蝶效应”对我们人生成长的指导意义，帮助学生从中吸取知识以外的精神营养，告诉学生在日常的生活中要从大处着眼，小处着手，规范自己的行为举止，注意修身养性，防微杜渐，“不以善小而不为，不以恶小而为之”，以指导他们逐步成为一个高尚的人；当学生学习遇到困难时，我们就给他们讲《中庸》中：“人一能之，己百之；人十能之，己千之.果能此道矣，虽愚必明，虽柔必强.”的道理，以帮助其找到克服困难的勇气和方法.通过以上尝试，取得了较好的效果，正如“卓越计划”试点班的同学所说，上这样的物理课，不仅学到了相应的物理知识，还使我们看到了我国优秀传统文化的强大生命力及其对我们健康成长的滋养作用.

1.2 利用物理学史培养学生良好的意志品德

从某种意义上讲，意志品德是人文素质的重要内涵之一，因此良好的意志品德是高质量人才不可或缺的重要因素.况且现代社会竞争越来越激烈，学生毕业后的就业压力也有增无减，他们所承受的压力也越来越大，这对他们的意志品德是一个不小的考验.而现在的大学生绝大多数都是从学校到学校，大都没有经受过什么磨砺，有些学生的意志还相当脆弱，从某种意义上讲这也是他们人文素质方面的缺憾.而物理学上的古圣先哲们，为了物理学的发展而百折不挠，孜孜追求的大量史实，正是在大学物理教学中对学生进行意志品德培养的良好素材.

居里夫人为研究物质的放射性，历时4年，艰苦卓绝，先后试验5670余次，熬干沥青8吨多，最终得到氯化镭0.12g［3］，其坚韧不拔的意志可歌可泣；爱因斯坦从提出“追光佯谬”到完成狭义相对论的十余年间，殚精竭虑，终成开创物理学新纪元的长篇论文《论动体的电动力学》［4］，其锲而不舍的精神可敬可叹；迈克耳孙等物理学先哲们为寻求以太，先后实验49年（从1881—1930年），足迹遍及欧美大地，虽无果而终［5］，但其愚公移山的精神依然可圈可点.这样的事例还有很多.在大学物理教学中，根据教学内容适时加入这样的物理学史，既可以让学生们看到有关理论创立的曲折历程和物理学前辈们为创立这些理论所付出的艰苦努力，更可以对学生的意志品德起到很好的潜移默化的教育作用.

2 在大学物理教学中引入数值计算

随着时代的发展，计算机越来越普及，利用计算机处理实际工程问题是高质量工程技术人才的基本素质.为了奠定学生利用计算机处理实际问题能力的基础，笔者在大学物理教学中适当引入数值计算，取得了良好的效果.

2.1 利用数值计算整合教学内容

在大学物理教材中，有些内容大纲要求不高，但弃之不妥，讲之又得不偿失.而利用数值计算的方法讲授，可以收到事半功倍的效果.如机械振动中的阻尼振动、受迫振动和共振等内容，在实际教学中笔者是这样处理的.先引导学生对“单摆”模型在最一般的情况（存在阻力和周期性外力）下进行受力分析，从而建立其微分方程并写出其解的迭代形式.最后利用C语言编程求解，把分别代表阻尼大小、周期性外力特征的参数取不同的值，程序运行后即可得到对应的简谐振动、小阻尼、过阻尼、临界阻尼、受迫振动、共振等情况.图1为阻尼振动的3种情况.

图1 阻尼振动的3种情况

2.2 利用数值计算模拟有关物理现象

教学内容中有些物理现象如平抛、斜抛运动、机械振动中的两垂直振动的叠加、光学中的圆偏振光等都是动态的，如果用传统的粉笔加黑板讲授，往往事倍功半，而利用数值计算，并进行计算机模拟，则可以收到良好的效果.具体方法是对所讨论的问题先建立相应的模型，并用C语言编程，让学生选择不同的参数，看参数对输出结果的影响.

图2 “百发百中”问题

如在讲解斜抛运动时就选择了所谓“百发百中”的问题，如图2所示.程序在课堂上运行前，让学生选择参数V0，s，h，θ，并验证当V0＞满足时，便可“百发百中”.在讲解两不同频率的谐振动垂直叠加而成的李萨如图形时，也是让学生选择两个谐振动的频率，从而根据输出结果，验证两频率ωx、ωy和两切点数Nx、Ny（Nx、Ny分别为水平和垂直方向切线的切点数）之间的所满足的关系.并通过选择两谐振动之间的初相位差，可以画出教材中所给出的李萨如图形.通过这样的讲授方法，生动有趣，特别是学生的参与，活跃了课堂气氛，增强了师生间的互动，加深了学生对有关内容的理解.

2.3 利用数值计算讲授有关物理概念

有些物理概念比较抽象，学生理解存在困难，而利用数值计算，可以使抽象的概念形象化.如在讲授振动中的“拍”时，就利用C程序，按“拍”形成的条件：两个振动方向相同，频率较大，但频率差较小的谐振动的叠加进行模拟，从而形象地表示出振幅随时间呈周期性变化的所谓“拍”现象.在讲授驻波中的“波腹”、“波节”时，就模拟两个频率相同、振幅相同、传播方向相反的谐波的叠加，如图3所示.图3给出的是驻波某时刻的静态图，真正课堂上的输出结果是一随时间变化的图像.在变化过程中，教室的所有学生都可以清楚地看到，在图像的变化过程中，有些点（“波节”）始终不动，而有些点（“波腹”）其振幅有最大值.这种生动形像的图形给讲授有关概念带来了极大的方便.

图3 驻波的形成及“波节”“波腹”

2.4 利用数值解解决一些比较复杂的计算

教学中有些方程无法求其解析解，有些函数计算不易，如讲授混沌时遇到的非线性方程，讲授光栅单缝、衍射时的超越方程等，而利用数值计算不难解决这类问题.如对于非线性方程先推导出其数值解的形式，然后编程求解.图4给出了两个初始条件稍有差别的非线性方程解的结果.利用此图可以很方便地讲解混沌中的特 有 现 象 “蝴 蝶 效应”——非 线 性 方 程 的解对初始条件的敏感性.

图4 非线性方程的输出结果

把数值计算引入大学物理教学，整合了有关教学内容，提高了教学效率.特别是数值计算的引入，打破了解析解在教材中的一统天下，给低年级学生展示了一种全新的计算方法.这对他们利用计算机处理实际问题的兴趣和能力的培养，具有不可低估的作用.

3 在大学物理教学中注重理论联系实际

为激发学生的学习兴趣，我们在大学物理教学中，注意把前沿科学成果引入课堂，理论联系实际.如在讲授自然界的4种相互作用时，我们就介绍了2004年诺贝尔物理奖的“渐近自由”理论；在讲授摩擦力时讲解了摩擦焊接；如在讲授刚体转动时，结合角动量定律，讲解打击中心和网球运动中要注意的问题及“网球肘”的成因；讲授热力学时介绍空气能热水器的原理；在讲授电磁感应时，介绍电磁炉原理；在讲授光的干涉时，介绍了用干涉条纹变化监测大坝、桥梁安全的方法及原理；在讲授光栅衍射时就介绍了相控阵雷达的原理及其特点；在讲授黑体辐射时，介绍了红外探测及隐身…….这些举措既开阔了学生的视野，又使学生看到了物理理论的具体应用，还为培养他们扩展、迁移知识的能力奠定了良好的基础.

此外，在教学方法上，根据教学的进程，笔者先后采取了启发式、引导式、讨论式和探究式.

首先，依据大学物理教学大纲、教材、学生专业与其人才培养特点以及学生实际水平和认知规律，对教学内容进行适当的调整，第一学期大学物理的内容以经典为主，学生对此部分物理理论及规律较为熟悉.因此，学习的侧重点则放在建立物理模型和高等数学的应用上.在实际上课过程中，主要采用了启发式教学方法.

物理模型建立起来后，指导学生对模型进行研究，引导其找出模型的特点、需要用哪些物理量来进行描述，然后从各方面讨论其性质与物理规律，该阶段主要采用了引导式教学方法.

经过一个学期的学习，学生已有了一定的建立物理模型和利用高等数学处理物理问题的能力.第二学期将学习的侧重点放在将物理理论知识联系实际案例、提高学生的科学研究能力、语言表达能力方面.在实际授课过程中，此阶段主要采用了讨论式、探究式教学方法.在教学后期，还特意安排了学生展示，让学生宣读物理结业论文.在教学的全过程，我们始终注重师生互动，让学生积极参与到教学之中.

4 结论

为使大学物理课程更好地服务于“卓越计划”，根据高质量工程技术人才的基本内涵，对大学物理的教学进行了有益的探索.在教学中注重对学生人文素质的培养，奠定了他们成才的基础；数值计算的引入，初步培养了作为高质量工程技术人才所必需的利用计算机处理实际问题的能力；在教学中理论联系实际，既让学生看到了物理知识在实际中的具体应用，又激发了他们学习物理的兴趣，还为培养其扩展、迁移知识的能力奠定了良好的基础.相应教学方法的改革，注重了学生参与、师生互动.大学是人才的摇篮，教书育人是高等教育永恒的主题.如何以课程为载体，把教书育人落到实处，需要我们不断地研究探索.

［1］倪光炯，王炎森.物理与文化［M］.北京：高等教育出版社，2010：21－23.

［2］老聃.老子［M］.太原：山西古籍出版社，2003：87.

［3］周远清，季羡林.中国大学人文启示录（第三卷）［M］.武汉：华中理工大学出版社，1999：88.

［4］周远清，季羡林.中国大学人文启示录（第三卷）［M］.武汉：华中理工大学出版社，1999：79.

［5］北京物理学会.《物理学史》专题讲座汇编［M］.北京：高等教育出版社，1983：217.