研究型人才培养模式下大学物理课程教学改革与实践

李 红 杨新建

（中国石油大学（华东）理学院，山东 青岛 266580）

1 研究型大学背景下，大学物理教学应注重培养学生的科研素质

人才培养是大学的根本任务，科学研究是现代大学的重要职能[1].研究型大学具有雄厚的师资，完善的教学与科研设施，特色鲜明的优势学科，应该成为培养学术型人才的摇篮和积极开展原创性科学研究的基地[2].然而“我国现有的传统课堂教学在培养学生创造力方面已经显现出越来越明显的不足，为了适应创造性人才培养的要求，势必要对这种传统教学方法进行改革.而现在看来，把本科生科研训练融入课堂教学体系，教授和培养本科生的基本科研素养，以此提升学生的创新素质，可以说是现实情况下高等教育最佳的选择.”[3]因此，作为研究型大学一门重要的公共基础课，大学物理教学不仅要充分展示物理知识本身在其他自然学科中的基础性和生产技术领域中的应用性，更要体现物理学家探索未知的方法和思想在科学研究中的指导性和通用性.授课过程不仅关心学生对知识的获取和应用，更关注学生对科学的研究方法和思想的领悟以及对物质世界基本规律的感悟，注重学生科研素质的培养和创新心灵的启迪.

2 大学物理课应如何适应研究型人才的培养

科学研究需要足够的细心和耐心，还需要一定的技巧和悟性，更需要扎实的基础知识和深深的热爱作支撑，所以，虽然每个人都有从事科学研究的权利，但并非人人都适合做科研.鉴于此，大学物理教师在教学中应遵循先让学生了解科研，懂得科研是怎么回事，引导学生理性地热爱科研，掌握一定的研究方法，然后部分地、有选择性地参与科研，将来有机会才可以从事科研，有所创造.具体做法如下。

2.1 改变教学观念，引导学生感悟自然之美，热爱物理，纯粹“为学”

研究从热爱开始.物理学是一门应用性很强的学科，能够有效地解决实际问题是很多人着迷于物理研究的原因之一.然而物理学更迷人的地方，笔者认为是通过对物质世界规律的探索，使人们意识到大自然本身的美妙和神奇.电荷到底是什么？光速为什么是个常量？不可逆性的起源……诸多未解决的问题折射出大自然的无穷奥妙，也深深地吸引着每一个物理爱好者.这种对自然界本身运行和演化规律的欣赏和好奇应该成为学生学习的根本动力，而这种基于对自然界的热爱和对自然现象本身的好奇而产生的学习兴趣一旦形成，相信学生们也会如费曼般有着一种想知道为什么的强烈欲望，而发出“我想知道这是为什么，我想知道这是为什么我想知道为什么，我想知道为什么我想知道究竟为什么我非常想要知道为什么我想知道这是为什么”的感慨.

只想知道并探究到底是什么，到底为什么，而不是一味地或过多地关注知识本身及其应用，这样的学习可以说是一种纯粹的“为学”.可见，纯粹的“为学”是一种基于对自然之美的欣赏和对自然界万物运行和演化规律的好奇，而产生的强烈探索未知欲望下的求知行为.这种对问题追根究底的强烈的探索兴趣一经养成，学生的学习过程就成了一个积极主动“上下求索”的过程，并进一步成为学生进行科学研究不竭的动力.这样的学习和研究，不仅能获得现有的知识和技能，还能有效地激发学生的创造性思维，使开拓新领域、发现新现象、创造新知识成为可能.

为了引导学生树立纯粹“为学”的理念，就要使学生意识到大自然的神奇，热爱自然，热爱解释自然规律的物理科学.然而我们现有的教材对理论的阐述和应用举例还是很抽象的；现在的大学物理教学目的也还处在由纯粹的知识讲解到注重应用的转型期.所以，我们应该改变教学观念，将费曼的教学目的“我讲授的主要目的，不是为你们参加考试做准备——甚至不是为你们服务于工业或军事做准备，我最想做的是给出对于这个奇妙世界的一些欣赏，以及物理学家看待这个世界的方式，我相信这是现今时代里真正文化的主要部分.也许你们将不仅对这种文化有欣赏，甚至也可能你们会加入到人类理智已经开始的这场伟大的探险中去.”作为大学物理教学的更高目标.这就需要教师本人对物理知识有所感悟，只有教师真正体会到了大自然的美妙和神奇，他的讲述才具有灵气和魅力，才能真正开启学生求知的心灵，在学生心间埋下热爱和探索的种子.

2.2 改变教学思路，引导学生思考，鼓励学生提出基本的科学问题

为了使学生将来有可能终身从事科研，大学物理教师应该有意识地培养学生提出关于“是什么、怎么样和为什么”等基本科学问题的能力.正如爱因斯坦所说：“提出一个问题比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许是一个数学上的或实验上的技能而已；而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力.”

如何才能在课堂上有效地引导学生提出问题？笔者通常采用的方法包括以下几种.

（1）面对新的现象，引导学生提炼出关于“是什么、怎么样”的基本科学问题.比如讲完机械振动内容后，就要展开机械波的讲解.此时可以先演示机械波的形成过程，让学生们意识到研究机械波与机械振动的不同之处在于：研究对象由过去的一个质点转换为现在的无穷多个质元；相同之处在于：参与机械波传播的每个质元都做机械振动.有了这样的认识，学生就可以提出诸如：机械振动是怎样由振源一个质元的振动变成多个质元的振动的？（即机械波是怎样形成的？）各质元的振动有什么样的联系？（即机械波是怎样传播的？）各质元的周期、振幅和能量怎样？（即机械波的特点）等关键问题.同时让学生们意识到：问题提出的具体与否还关系到解决的难易.如上，“各质元的振动有什么样的联系”与“机械波是怎样传播的”是等价的问题.但很明显“各质元的振动有什么样的联系”要更具体，这样的发问实际上为解决“机械波是怎样传播的”提供了思路，即从研究各质元振动之间的关系入手.

（2）在已有物理规律的基础上，引导学生提出关于“为什么”的科学问题.比如，在讲解完热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述之后，引导学生发问：“既然一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，都具有方向性.那么它们之间是否具有一定的联系？如果有，会是怎样的呢？”进而提炼出待研究的问题：“一切与热现象有关的实际宏观过程不可逆性间的关系？”通过探讨得到：“一切与热现象有关的实际宏观过程的不可逆性都是相互依存的.”有了这些规律，学生会自然地提出“为什么会是这样的？微观上到底发生了什么？”即热力学第二定律的微观本质问题.在此基础上，进一步告诉学生，现在有很多关于“是什么”和“为什么”的问题人类还没有最终解决.正如爱因斯坦所说：“科学决不是也永远不会是一本写完了的书.每一项重大成就都会带来新的问题.任何一个发展随着时间的推移都会出现新的严重的困难.”鼓励学生敢于发问，勇于质疑，善于思考和研究，为科学而奋斗！

（3）查漏补缺，提出待研究的问题.比如在讲完质点和质点系的动力学及其在刚体转动中的部分应用之后，将其内容总结如图1和图2所示.

图1 质点（系）动力学知识总结

让学生仔细观察两部分内容，然后思考遗漏的尚未研究的内容.学生们会很快发现：无论质点还是质点系都讨论了力对时间和空间的积累，而对于力矩只讨论了对时间的积累，没有讨论对空间的积累效果.由此提出待研究的问题：以刚体的转动为例讨论力矩对空间的积累.在此基础上，进一步给学生讲解杨振宁和李政道发现弱相互作用宇称不守恒的过程，让他们深刻地意识到“查漏补缺，打破常规认识”在科学研究中的重要性.经过启发，有的学生还提出：“为什么牛顿力学中关于力和力矩对时间和空间的作用效果是分开讨论的，而不是同时讨论力对时空的积累？是疏漏还是存在局限性？”并展开相关问题的学习和研究.可以看到，在锻炼提出基本科学问题的过程中，学生的批判性思维也得到了锻炼.

图2 质点（系）动力学知识总结

2.3 改变教学方法，引导学生自主学习，运用科学的方法解决问题

“大学从来都不是静态的，而是随着环境改变和调整的机构.”[4]研究型大学背景下大学生的学习发生着改变，教师的教学也在发生着改变.正如密歇根大学第11任校长詹姆斯·杜德斯达所言：“大学教育正从一种建立在一个人早期的学位课程基础上的‘以防万一’式的教育，向一种在职业生涯中获得知识与技能的‘随时随地’的学习方式转变，再向一种按照学生的需要定制的‘正适合你’式的教育服务转变.……在新的教学模式下，教师的任务将不再是确认和描述书本内容，而是教育和引导学生积极地学习.今天的大学生追求和需要一种不同的教育方式，互动和合作学习将逐渐取代被动、消极的讲座和课堂学习.学习不只是研究和认真思考的过程，通过主动的发现和运用知识进行学习的效果会更好”.[5]可见，寻求一种启发性、富有想象力的、影响深远的教学方法对研究型人才的培养是多么重要.“科研式”的教学模式就是这样的一种教学方法.

“科研式”教学模式的基本思想为：针对某一自然现象或实验现象，引导学生提出明确的待研究的问题；通过分析讨论，运用已有的知识给出解决问题的思路，包括如何建立合理的理想化模型或具有可操作性的实验；通过合作讨论进一步给出对现象的定性解释和定量描述；在此基础上，能够解释相关的实验现象或者预言“新”的实验现象，体验创新；最后展开对现象本质问题的研究，寻求对宇宙深层次的理解.

仍以机械波的教学为例.（1）引导学生具体化研究问题：如前面一节所讨论的通过对行波的演示，引导学生提出待研究的问题.“波的形成”比较容易解决，而要解决波是怎样传播的，就要描述清楚参与波动的各质元的运动情况，“而对于实际的波列，包含无穷多个质元，如何研究？”学生们通过观察和推理，得到：无穷多个质元都作机械振动.要描述物体的机械振动，就要建立振动方程.要研究无穷多个质元的振动情况，就是要建立各自的振动方程.经过这样的思考，学生们进一步明确提出待研究的问题：建立无穷多个质元的振动方程.（2）提出合理的理想化模型：“如何建立无穷多个质元的振动方程？”学生们经过讨论给出以下思路：已知的振动形式中最简单、最基本的是简谐振动，如果无穷多个质元都作简谐振动，问题便可以得到简化；各质元均重复振源的振动，所以振动频率相同，若再找到各质元振幅及相位间的关系，问题将进一步得到简化.此时，教师可作如下引导：简谐振动是否真实存在？什么情况下可把物体的振动看作简谐振动？如果波在传播过程中无能量损耗，各质元振幅的关系怎样？经过这样的点拨，学生们会很大胆地给出“简谐波”的物理模型.为了建立各质元的相位关系，可以由学生独立或合作学习波面、波线等基本概念.有了这些概念，学生便可得到：同一波线上各质元间相位差与波程差的关系并由此建立平面简谐波的波函数.（3）利用现有知识预言新的实验现象，体验创新：建立起平面简谐波的波函数之后，教师给出题设“有两列相干波，波函数的表达式分别为求合成波的波函数.”学生们会很快给出合成波的波函数接着引导学生：“描述一下合成波中各质元的振动情况；如何得到这样的波列？”学生经过讨论预言了（驻波的）实验现象并给出具体的实验方法.接着教师做演示试验并给出驻波的概念.“获得答案很了不起，获得能够被实验证实的答案就更了不起了.”[6]学生的创新体验达到顶峰，他们开心极了，会迫不及待地自主完成驻波相关内容的学习.（4）整理回顾，进一步完善理论：通过对驻波的学习，学生们不仅掌握了行波与驻波的不同，而且给出关系式Δφ＝仅适用于行波.为了更深入地理解驻波，部分学生展开了对“半波损失”本质问题的学习和研究.

3 研究型人才培养模式下大学物理考核应夯实基础知识，注重批判性思维，体现综合素养

为了最大限度地督促学生自主学习，尽可能公平地对学生学习的全过程予以评价，同时鼓励学生创新，各高校大学物理考试改革相继展开.考核方式已由过去的“一考定乾坤”变为现在的“期中、期末统考与平时测评相结合；统考与科技论文写作相结合；或者统考、科技论文写作与试验测试相结合”等多种形式.改革成效虽然显著，但也出现了一些新的问题.（1）抄袭现象有扩大化趋势：不仅上交的各章节的习题作业、实验报告存在明显的抄袭现象，甚至撰写的科技论文也存在普遍的抄袭和拼凑现象.（2）盲目追求能力提升，忽视基础知识的学习：随着创新能力在各课程对学生的评价中所占比重的上升，以及学校各级对学生创新的高度重视，学生们逐渐意识到创新能力的重要性，纷纷投身创新、创业计划，积极参加各类竞赛和各种社团活动.真正静下心来用心读书的学生少了，很多学生甚至反映：太忙了，没有时间学习.导致学生普遍基础薄弱，研究生阶段科研失去后劲.（3）轻视科研：现在许多教师的科研都是借助于现成的软件，如MS、Gauss等.这些软件由不同的模块组成，学生只要了解其中部分模块的功能，就可以通过改变相应的参数而获得不同的结果.再对结果稍加分析，就可以发表文章了.部分学生天真地认为这就是所谓的科研，从而形成“创新不过如此”的看法.

为了克服以上弊端，研究型人才培养模式下大学物理考核应该有以下几点作用.

1）要夯实学生的基础知识

在闭卷统考中加大对基本概念、基本定理和定律的理解的考核力度，让学生意识到：大学物理的学习远非他们心目中的“考前突击，记记公式，会做题”那么简单；真正意义上的创新也远非他们心目中的“换个研究对象，改改参数，再加以合理的分析”这么容易.新的理论和更为精准的测量是科学进步的标志，而这样的进步又是建立在以前科学成就的基础上.所以，只有静下心来认真研读，才能做到像费曼所描述的那样：在所有可能的层面上体验生活、感知宇宙，而不是仅仅停留在那些恰好符合人类感知能力的层面上.唯有用心思考，才能真正理解物理，才能真正懂得科研；唯有打下夯实的理论基础，才会在科学研究的道路上走得更远、更轻松.

2）要体现严谨求实、不断进取的精神

大学生初涉科研，一定要让他们养成认真扎实、实事求是的探究态度.懂得尊重他人的研究成果，坚决杜绝任何的造假行为.

3）要注重批判性思维和质疑精神

平时测评或科技论文写作中，鼓励学生“以否定性思维去检讨各种结论性前提”[7]，敢于质疑和批判已有的理论和现有的结论.尽量杜绝没有任何创新，只是简单的“复制、粘贴、拼凑或死记硬背”造就的“优秀”.让学生们意识到“科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的.科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判.”[8]

[1]刘国瑜.大学学术发展的科学思考[J].中国高教研究，2009（3）：26-28.

[2]和飞.尊学与崇术：高校办学理念的分野[J].高等教育研究，2005（6），26：17-21.

[3]邬家瑛，钱辉.论本科生科研训练存在的问题及解决思路[J].中国高教研究，2009（1）：69-71.

[4]菲利普·G.阿特巴赫.21世纪美国高等教育——社会、政治、经济的挑战[M].北京：北京大学出版社，2005：78.

[5]詹姆斯·杜德斯达.美国公立大学的未来[M].北京：北京大学出版社，2006：19.

[6][8]布赖恩·格林.宇宙的结构——空间、时间以及真实性的意义[M].长沙：湖南科学技术出版社，2013：55.

[7]展涛.我国研究型大学创新型人才培养的思考[J].高等教育研究，2011（1），32：7-13.