一门与时俱进的公选课——《改变世界的物理学》*

王晓鸥　孟庆鑫　侯春风　张伶莉　张 宇　霍 雷　赵 远

*黑龙江省教育科学“十二五”规划2012年度省重点课题，课题编号：JJB1212030；黑龙江省高等教育科学研究2014年重点课题资助，课题编号：14Z001



一门与时俱进的公选课
——《改变世界的物理学》*

王晓鸥孟庆鑫侯春风张伶莉张 宇霍 雷赵 远

*黑龙江省教育科学“十二五”规划2012年度省重点课题，课题编号：JJB1212030；黑龙江省高等教育科学研究2014年重点课题资助，课题编号：14Z001

摘 要：本文从开课宗旨、教学实践以及教学改革与体会几方面介绍大学物理拓展课程《改变世界的物理学》在传承物理学思维方法、培养学生科学素质中的重要作用与意义．

关键词：物理学物理学拓展物理学思维方法

由于物理学是自然科学的基础，物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转；物理学有助于技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用，提供所需训练有素的人才……[1]因此，大学物理课程就成为高等院校工科各专业一、二年级学生必修的基础课程之一，但受到大学物理课程学时及自身体系的限制，教师很难将物理学的前沿问题、物理学的最新发展以及对其他学科的影响更多的传授给学生，这在一定程度上影响了学生对物理学重要性的认识，也影响了学生学习物理的兴趣．为此，我校于2004年秋季学期尝试着为全校本科生开设了拓展物理学知识的公共选修课程——《改变世界的物理学》．自开课以来，一直受到学生的喜爱，平均每年的选课人数在200人左右，选课人数位于全校公共选修课前列．经过10多年的教学实践得到了学生的认可．

通过对本公选课的学习，学生从中了解到的不仅仅是物理概念、原理，更重要的是物理学家们研究问题的方法，以及物理学思维方法在创新研究中所起到的重要作用．如，物理系的一位同学在谈到对本课程的学习感受时说道：“……《改变世界的物理学》一课的开设，不但有利于人文专业的学生学到科学知识，学到科学思维方法，培养科学素质，即使理工科学生，也能在广泛了解当今各种高新科技方面培养广泛视野．以我为例，作为应用物理系的学生，大学两年多来所学的都是一些基础理论，在课堂上很少涉及到当代科技的发展，理论如何应用于实际，而且学习的完全是几百年经过无数科学家总结的正确的指示，从中看不到科学家们如何研究问题、科学家们的思维方法、科学前进中的曲折．而后者恰恰是我们应该掌握的，我们将来必将挑起推动科技发展的重担，要有所作为，掌握现在的知识固然重要，但更重要的则是具备科学思维方法，具有创造力，具有探索科学的不怕挫折、锲而不舍的精神，而这些，在此课程中都有很好地体现．”

自动控制科学与工程系的另一位同学：“……我们专业本身涉及的领域比较多，一个自动控制系统往往与机、电、光等方面都有联系．选修这门课的目的是为了多了解一下现代物理学的最新发展，以备将来用在与自己专业有关的领域中，在课程即将结束时，我认为我基本达到了预先的目标．如：在讲授“物理与光学”这一专题时，教师提到了全光开关这一技术．我觉得如果全光开关真能开发成功，它在自动控制领域的应用前景是很广阔的．……相信随着我对本专业的进一步了解，更多的物理知识会与本专业知识相联系．”

还有一位航天学院自动化的同学：“我认为《改变世界的物理学》是一门很有意义的选修课．我和周围的同学对现代物理的前沿发展，现代科学的尖端运用都抱有很大的兴趣．可是我们往往要面对繁重的课业负担和考试就业的巨大压力，没有专门的时间和机会体会物理学的奇妙奥秘．同时，物理学也不是通俗易懂的休闲小说，草草浏览完毕，头脑里还是一片空白．如果有图文并茂的学习材料，再加上教师不失时机的点拨，那该有多好！这门选修课的开设，适时地解决了这个矛盾……”．

1开课宗旨

启发、培养学生的创新思维，挖掘创新潜质，提升基础知识的运用能力是物理学拓展课程的开课宗旨．因此课程应满足：内容新颖、信息量大、时代性强的特点．在教学过程中，注重学生科学素质和创新能力的培养，扩大学生的知识面、开阔眼界，能够反映出20世纪及21世纪科学技术的最新成果，能激发学生创造精神，满足教育体制改革的需要．

2教学实践

本课程的特点是将物理学的成就与其他专业融合、渗透以及如何推动高新技术的发展．下面，我们就教学内容的选择、具体教学实例两方面分别介绍．

2.1教学内容的选择

本课程总学时数为30学时，共分为10讲，每讲一个专题．如原子的威力、神奇的激光、信息时代的存储技术、物理学与材料科学、从物理学角度诠释生命等等．涉及从经典物理学到近代物理学的主要成就和进展、覆盖20世纪以来近代物理学在探索自然奥秘的微观、宏观和宇观这3个领域的物理学基本问题、发展前景以及现代各种高新技术发展的近代物理学基础．

在内容的选择上我们更注重选择那些社会关注的热点话题，如社会的可持续发展、纳米技术等，主要介绍物理学的重大研究成果、最新发展动态、物理学在现代高新技术中的应用以及物理学与其他学科之间的关系、物理学在社会发展中所起的重要作用．增加学生认识问题的广度，使学生能站在更高的层次上学习科学知识，促进学生的全面发展；其次，启发学生的科学思维方法，使学生树立正确的科学观，激发学生积极向上、勇于探索科学的拼搏精神．如：

(1)物理学的前沿问题：暗物质、暗能量、宇宙年龄是怎样计算的等；

(2)物理学应用于高新技术的事例：光信息处理、量子信息等；

(3)物理学与其他学科之间的关系：物理学与能源、计算机、生命科学、材料科学等学科的关系；

(4)物理学的自然观：从物理学中的熵增原理谈人类社会为什么要走可持续发展的道路．

2.2教学实例

本课程全程采用多媒体教学，这样可以增加信息量，图文并茂，感官效果好．下面以其中的一讲 “神奇的激光”为例作简要介绍．

本讲从1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念到1958年贝尔实验室的汤斯和肖洛发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光．由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源；再到1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器，获得了人类有史以来的第一束激光．在此视频播放受激辐射原理、激光产生原理以及各种激光器产生激光的机理．

激光的出现带动了多学科的发展，如量子光学、量子电子学、激光光谱学、非线性光学、集成光学、海洋光学等等．在课堂上，我们用视频展示了与日常生活相关的激光应用科学的发展．如激光加工，激光的亮度比照射到地球表面的太阳光高千万亿倍，经光学系统聚集，能使材料瞬间熔化，可用做多种机械加工；还利用激光极好的相干性，做精密光刻，制造纳米材料等．

此外，激光使光导纤维成为现代通信技术的新宠，激光医学、激光准直、激光表面质量检测等必将改变我们生活的方方面面．让学生通过本课程的学习，了解物理学不仅仅只是概念、原理，它与我们的生活息息相关，是各科技领域发展的重要基石．

3教学改革与体会

本课程涵盖面广，涉及到与物理学相关的各学科．我们在选择授课内容上本着科学性、启发性、与时俱进的原则，随时调整授课内容，确保学生能够及时了解相关领域最新发展动态．

经过10年的教学实践，针对不同时期的学生，从80后到90后，我们在教学内容、教学方法上不断地进行教学改革实践，以求让学生有更大的收益．

本课程最初开课时，只有一位教师授课．由于本课程涉及的范围很广，且知识更新非常快，如果由一位教师授课且要在内容的深度和广度上阐述得都很到位，确实会感到力不从心.在开课的第4年，我们增加到3位教师授课，同时教学内容也作了调整，不仅仅介绍物理学对高科技的推动作用、物理学与其他学科之间的关系，还增加了有关物理学自然观的内容，如从物理学上的熵增原理谈人类社会为什么要走可持续发展的道路，让学生了解自然、敬畏自然，营造一个和谐发展的社会环境．随着中学新课标的改革，90后的学生知识面广，也更务实，针对这一情况及学生反馈意见，我们对授课内容作了相应的调整：删减了一些高深内容(如“宇宙探秘”等)，增加了“物理学思维方法”、“物理与艺术”，从物理学的认知规律、以及物理文化的角度介绍：科学(包括自然科学、社会科学)是统一的，相通的．给学生一种全新的物理学思维方法，挖掘学生的创新潜质．

与传统授课方式不同，本课程在学生已有的物理学基础知识的基础上，采取“跳跃式”或“渗透式”的叙述法，学生也许只知道一个大概的联系和发展方向，但留下了悬念，让学生充分发挥其想象力，激发学生的探索欲、创造性，推动学科向前发展．

考查方式的改革．最初让学生结合物理学的某一方面知识写一篇小论文，一方面锻炼学生查阅资料、整理科学素材的能力，另一方面培养了学生的科研素质．后来，按学校要求采用累加式考试：期末考试+平时作业．平时作业的形式是：结合课堂所讲的内容，或是查相关领域的最新发展动态、或是写一篇物理学在社会及科技发展中所起的作用分析报告、或是分析预测未来可能的前沿热点.学生为了完成较高质量的作业要查阅大量文献，同学之间还会开展讨论，从而培养锻炼学生分析、综合整理、预判信息的能力．

4小结

通过10年多的教学实践及学生的反馈情况看，我们认为在大学里开设物理学知识拓展课程是非常有必要的．首先，拓展了学生的知识面、开阔了眼界，提升了学生认识问题的广度；其次，物理学前沿课题的研究方法以及物理学家们的创造性思维，可启迪学生的智慧，培养学生科学的思维方法，挖掘创新潜质，激发创造精神．其三，让学生了解物理学知识在各学科领域的重要作用，了解物理学与各学科之间的交集、联系，以及物理学对创新性研究的催生作用，可激发学生的创新欲望，从而提升我国自主知识产权产品的数量与品质；其四，使学生能站在更高的层次上学习科学知识，促进学生的全面发展，为培养具有良好的科学素质和创新能力的人才打基础．

参 考 文 献

1第23届国际纯粹物理和国际应用物理联合会(IUPAP)代表大会通过决议五——物理学对社会的重要性工科物理. 1999, 9 (5):7

2最新世界各国GDP排名，http://www.360doc.com/content/14/0519/16/11532035_379082826.shtml

An Advancing with the Time Public Elective Courses

——Physics of Changing World

Wang XiaoouMeng QingxinHou ChunfengZhang Lingli

Zhang YuHuo LeiZhao Yuan

(Department of Physics, Harbin Institute of Technology,Haerbin,Heilongjiang150001)

Abstract：This paper introduces the effect and significance of extensive course with the title of “Physics changes the world” in inheriting physics thinking method and cultivating students′ quality from the aspects of course aim,teaching practice as well as teaching reformation and experience.

Key words：Physics,Physics development,Physical way of thinking

收稿日期：(2015-02-04)

作者简介：(哈尔滨工业大学 物理系黑龙江 哈尔滨150001)