浅谈关于“在大学物理教学中引入科学前沿知识”

俎凤霞 刘敏敏

(1.武汉工程大学理学院,湖北武汉 430074;2.武汉工程大学智能机器人湖北省重点实验室,湖北武汉 430074)

浅谈关于“在大学物理教学中引入科学前沿知识”

俎凤霞1,2刘敏敏1,2

(1.武汉工程大学理学院,湖北武汉 430074;2.武汉工程大学智能机器人湖北省重点实验室,湖北武汉 430074)

大学物理教学内容的现代化已经成为教学改革的一个重要内容.文章结合实际教学案例,给出了如何将科技前沿知识实践到大学物理课堂教学过程中的几点做法.

科学研究;大学物理;课堂教学

大学物理课程就其基本教学内容和教材体系来说,大部分属于经典物理学的范畴.这样的体系,比较成熟也比较系统,已为人们熟悉和掌握.随着近代物理知识和当代科技的发展突飞猛进,这种体系的教材内容显得比较陈旧.近年来,我国在教学改革中编写的教材,在经典物理中穿插进了一些近代物理的章节,然而为了与现代科学技术蓬勃发展的要求向相适应,仅此是不够的[1].人们逐渐意识到,在大学物理教材及教学中加强介绍科学前沿和技术应用发展中的基础性物理原理,使课程内容现代化是非常必要的.我们看到当前国内出版的一些面向21世纪物理教材在保持大学物理课程基础内容持续发展的同时,尽可能引入一点相关的现代科学和高新科技物理基础知识,使课程内容现代化更突出[2].这些在课程体系、教材内容等方面所作的一系列探索和改革,已经取得了较好的效果.但是,如何将科技前沿知识实践到大学物理的教学过程中,是我们面临的一个更为关键的问题,也是广大教学工作者一直在探究并付诸实施的内容.下面谈一下我们在教学过程中的几点体会与思考.

1 提高学术水平,以研促教

物理学的发展是日新月异的,它是一个开放的体系,是在不断发展完善的,而我们所用的教材即使以最快的更新速度也无法将方方面面的物理学中的新事物都罗列到教材中.如果教师在教学过程中,只满足于教材所涉及的内容,没有注意到很多知识甚至包括当初的一些基本的概念性的东西都已悄然地发生了变化,教师们的视野仍被狭隘地限定在科目内容及其传授方式上,那么这样的教学仍旧是僵化的.这就客观上要求大学的教师只有自己首先站在知识发展的前沿,及时更新、补充知识,才能满足培养创新型人才的需要.

科学研究是获取学科前沿知识的最直接、最有效的途径,教师只有亲自参加科研才能站在学科前沿.教师通过开展科研工作,可以了解学科的最新动态,掌握学科最新成果,不仅有利于提高教师的专业水平,也有利于提高教师的教学水平.教师将自己的科研成果与所讲授的教学内容有机结合,不仅能增加教学的深度,提高教学效果,而且能使学生开拓视野、提高创新能力.因此科研对教学内容改革具有促进作用.

比如,在讲解大学物理中恒定电流时,可以适当引入一些当今学术界很热门的自旋电子学的前沿知识[3].众所周知,电子除了带有电荷的特性外,还具有自旋的内禀特性.以电子电荷为基础的微电子学在20世纪取得了巨大成功.但是在传统的微电子器件中,电子只被看成电荷的载体,而携带的自旋信息却一直被人们忽视.因为对于普通金属和半导体,参与输运的自旋向上和自旋向下的电子数是一样的,所以往往忽略电子的自旋自由度.但是对于铁磁金属,情况则不同.在铁磁金属中,参与输运的两种取向的电子在数量上是不等的,所以传导电流是自旋极化的.自旋电子学就是以不同自旋取向电子为研究对象,以不同自旋取向电子的输运性质为主要研究内容,藉此开发设计新型电子器件的一门新学科.由于自旋相关的电子器件可以同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的传输和存储,可能制备出具有全新多功能特性的电子器件,例如自旋场效应管、自旋发光二极管以及自旋共振隧道装置,从而可以实现量子计算和量子通讯.

2 整合教学资源,教研结合

面向新的世纪,我国教育发展所面临的机遇和挑战为广大教师参与学校教育改革和研究提供了大好时机.很多从事大学物理教学工作的教师也纷纷走上了科研的道路,有的选择攻读博士学位,有的积极到国外进修,通过继续深造以具备坚实的理论基础和足够的科研积累.然而,如何将大学物理教师所取得的学术成果真正有效地实践到大学物理的课堂教学过程中,从而避免教师的“研”与“教”相脱节的问题,引起了广泛的关注.大学物理教师并不像专门从事科研的学术人员,他们的学术水平提高的主要目的是为保证教学质量的提高.教师要想把科研中所获得的最先进的方法、最现代的理念、最宝贵的知识传授给学生,单靠几篇高水平的学术论文,单靠把自己的研究成果渗透到课堂教学的某一篇章中总是有局限性的,我们可以发挥团队力量,做以下几方面的工作.

(1)每学期每位教师至少排一次学术讲座,并纳入课程教学计划中.我校的大学物理教研室从教授到讲师,几乎每位教师都有从事科研的经历,而且50%以上的青年教师正在一些著名的高校及科研院所攻读博士学位,他们的研究方向涉及面广,有纳米材料的制备、新型分子材料的理论计算、量子少体结构与碰撞等等,这批教师架构起了一座教研室与外界进行学术交流的桥梁.通过每位教师在教研室向同行们介绍各自的研究进展,使得教师在更新自己知识领域的同时,更能够促进教师之间的学术交流、集中集体智慧,发挥团队力量.

(3)开展学生学术讲座,培养和提高学生的科研素质.我们在每学期末都要抽取至少4个学时组织一次学生学术讲座.以2007级化工与制药专业的学生为例,学生通过调研写出了详细的选题报告,其报告内容涉及面广,有医学中的物理学(主讲超声在医学中的应用)、反物质等,也有物理学在日常生活和所学专业中的应用实例,化工前沿技术与环保(围绕化学合成技术、新型环保与能源技术及绿色化学技术三个要点展开)、高科技的多面手—微波等等.我们要求学生将这些内容制作成课件,鼓励他们主动上讲台演讲,由教师做点评,发布到本校的大学物理精品课程网站上,使全体学生普遍受益.对有价值的报告,安排教师指导,通过组成研究小组开展进一步的研究.这既有利于培养学生信息收集、检索、研究、整合能力和语言表达能力,也有利于学生拓展知识面,了解物理学的应用前景和对人类现代生活的影响.

3 理论联系实际,因材施教

从事大学物理教学的教师面对的是全校各专业的学生,教师即使有较高的学术水平,如果不紧密结合时代的发展,不能理论联系实际,不能针对不同专业的学生对症下药,学生会感到学起来枯燥无味,不能学以致用,甚至感到大学物理这门学科与自己将来所从事的职业毫无关系.那么为了打消学生对物理学科的这种消极的念头,我们更应注重物理学的基本知识与学生专业学科之间的衔接,在与学生专业相关的内容上进行拓展,使他们切身体会到物理这门基础学科是不同专业学科的基础和出发点,从而起到抛砖引玉的效果.

我们知道,英国曼彻斯特大学的两位科学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆因在石墨烯方面的研究荣获2010年诺贝尔物理学奖.两年前,在大学物理课堂教学中,针对高分子材料专业的学生,笔者将自己正在进行的科研课题“石墨烯的电输运性质”穿插到导体内容的讲解中,介绍了石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,是碳的二维结构,具有优秀的导电性.而且石墨烯的应用范围很广,从电子产品到防弹衣和造纸,甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料[4].课后学生们通过调研、讨论,对这一领域有了初步的认识.

总之,现代高新科技的发展突飞猛进,新的技术成果层出不穷,学科在高度分化基础上走向高度综合.大学物理课程就更需要富有时代感,在大学物理的教学过程中,我们更应该让学生了解当今物理学界的前沿问题.

1 陆果.基础物理学教程.北京:高等教育出版社,1998.

2 胡亚联,吴锋.大学物理学.北京:科学出版社,2010.

3 焦正宽,曹光旱.磁电子学.杭州:浙江大学出版社,2005.

4 Q.M.Yang,B.Huang,J.Yu,F.W.Zheng,J.Zang,J. Wu,B.L.Gu,F.Liu,and W.H.Duan,Intrinsic currentvoltage characteristics of grapheme nanoribbon transistors and effect of edge doping,Nano.Lett.2007(4):1469

2011-01-14)

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