卓越人才培养视阈下大学物理课程思维能力的培养

于肇贤+刘凤敏+胡纪平

摘要：本文结合我们在大学物理教学中的实践，介绍了我们在卓越人才培养视阈下大学物理课程思维能力的培养方面的一些探索和具体做法。

关键词：卓越人才培养；大学物理课程；思维能力的培养

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）05-0203-03

一、引言

“卓越工程师教育培养计划”是我国全面提高工程教育人才培养质量的一项重大举措。2010年以来，教育部在全国200多所高校众多学科专业实施了卓越工程师教育培养计划，培养了一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才。卓越人才需要具备社会责任感、创新性、应用性和国际化四个可观测的基本素质特征。卓越人才的能力标准方面包括：沟通合作能力、获取运用知识能力、克服困难（危机处理）能力、寻求把握机会能力。卓越人才培养的重点是创新人才的培养模式，即改革现有的课程教育体系，充分发挥课程教育对提高人才培养质量的价值和意义。

当前，我国高等教育面临的主要特征主要包括：人才支撑由高校人才计划供给，变为行业需求驱动；由高校支持服务，转向服务与引领同步；发展方式由外延式发展，转向以质量提升为核心的内涵式发展；教育改革由单项教育教学改革，转向体制机制创新的综合改革。

根据高等教育发展的时代要求，高校在定位上要考虑国家战略、行业需求、学校优势、学生发展；专业建设要由学科体系出发向应用需求导向转变；教师要在研究中教，学生在探索中学，致力于建构相互尊重、互相探究的学习共同体；教学内容要紧密结合时代要求，要关注“互联网+”，也要兼顾人文和情感，通识课程与职业素养教育并举。

二、大学物理课程思维能力的培养

（一）物理学的重要性

1.物理学的发展推动自然科学的发展。物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学，物理学中的科学实验方法是检验自然科学真理性的标准。物理学研究的规律是事物和现象的基本性与普遍性，其基本概念和基本定律是自然科学很多领域得以发现发展的基础。科学知识和实验技术水平的巨大的发展也得益于物理学的发展。诸如核能的开发利用、航空和航天技术、太阳能和潮汐能的利用、纳米技术、超导技术等等，这些新的自然科学领域的发现拓展，都是在物理学发展的推动下，伴随着自然科学的不断进步而产生的。从更深层次上分析，物理学的发展和完善不仅推动了整个自然科学的发展和完善，同时也推动了社会的进步。

2.物理学是现代高技术发展的先导和基础。从近代开始，电磁学的诞生和电磁理论的建立，出现了电报、电话、广播、电视等信息传播手段，光物理、声学物理、原子分子物理以及光电子技术、激光技术等对信息技术的发展产生了空前影响，计算机的出现更是促进了信息处理技术的进步，信息技术的每一次重大更新变革都与物理学密切相关。激光的出现对通讯技术的发展来说是颠覆性的。激光出现后，非线性光学在激光技术信息处理和存储、计算技术等方面得到蓬勃发展。能源科学的发展完善也离不开物理学。如：物理学中的核物理和高能物理学是原子能开发和利用的基础，凝聚态物理和光物理学是太阳能开发利用的基础。空间科学技术的发展直接体现了物理学研究的水平高低。我们知道，物理学是卫星和火箭发射、运行、控制的直接理论基础，天体物理、大气物理和地球物理是空间技术的重要理论背景和设计基础。材料科学发展的主要动力之一就是物理学基础研究的新理论、新发现、新效应和新实验技术。随着高温超导、半导体超晶格物理、新型晶体和晶体学、新型磁性材料物理、超微粒子材料物理等物理学分支的进一步研究，必将极大地推进材料科学的向前发展。近年来物理学家对反物质的研究，将会给人类带来新的能源。

3.物理学是各种高科技人才科学素质的基本要素。著名物理学家理查德·费曼说过：“科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解，什么事情是已知的，现在了解到什么程度（因为没有事情是绝对已知的），如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则，如何去思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。”爱因斯坦说过：“如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。”

大学物理课程是以物理学基础为内容的一门学科，对于理工科各专业学生来说，它是一门非常重要的通识性必修基础课程。学习大学物理可以使学生获取物理学的基础知识，掌握物理学研究问题的思路和方法，获得建立物理模型的能力和定性分析、估算与定量计算的能力，获得独立获取知识的能力和理论联系实际的能力，可以使学生开阔思路，激发创新意识，增强适应能力，提升科学素养，掌握科学的学习方法，培养良好的学习习惯，树立辩证唯物主义的世界观和方法论。同时大学物理是一门实验性很强的课程，有其独特的思维与推理方法，在培养学生探索精神和创新意识等方面具有其他课程不能替代的重要作用。

（二）思维能力的培养

1.培养学生的批判性思维。大学物理课程可以训练学生获取知识、组织知识和运用知识，让学生掌握科学史上解决问题的正确方法：一是在原有理论的基础上，通过提出合理的假设，去修正旧的理论；二是提出新概念，建立新理論。因此，为了更好地让学生理解物理，也需要理清归纳法和演绎法的应用范围、应用内容，阐述在学生能力培养方面所起的重要作用，提出处理复杂问题的一般方法。从基本的物理现象出发，强调数学工具的应用，建立相应合理的物理模型，得到有实际物理意义的结果。

通常学生学习物理的思维方式有三种：第一种思维是，问“这是什么？那是什么？”，就是人本能的求知欲。这是人最简单的思维方式。第二种思维是，问“为什么？”，产生这种思想的人是在探究，并且想知道答案。这种思维具有了探究性且具有了质的升华。第三种思维是，如果老师告诉他这道题选A，他会问“为什么是A而不是B？如果是B会怎么样？如果是C又会怎么样？B和C错在哪里呢？”，如果孩子把思维触角延伸到这个层次，我们说他的思维就有了批判性。这种思维就叫作批判性思维。endprint

1905年爱因斯坦抛弃了牛顿的绝对时空观，得出了狭义相对论；普朗克否定了传统的能量是连续的观点，得出了量子论。爱因斯坦和康普顿分别成功地解释了光电效应和康普顿效应，使得光的粒子性又“复活”了，为上世纪奠定光的波粒二象性提供了支持。

2.注重物理学史教育。物理学史是一部人类对自然界各种物理现象的认识史，表明了物理学发展过程，其中涉及许多科学家和他们的科学成果。通过学习物理学史，不但能增长学生的见识，加深其对物理学的理解，更重要的是通过学习物理学史，使学生开阔眼界，从前人的经验中得到启发。在教学中生动而真实地引入物理学史，再现当时的物理事件，使学生深受感染，教学效果明显提高。例如，量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一。在讲解量子力学时，通过概述量子力学的发展，再现量子论发展由一个不起眼的线索开始，曲径通幽，渐渐地落英缤纷的传奇的物理事件。让同学们在物理知识的海洋中闻到艺术的芬芳，激发了浓厚的学习兴趣。在讲解麦克斯韦电磁场方程时，我们指出，该理论并非是终极真理，杨-米尔斯理论是其推广。再如，在讲解稳恒磁场的高斯定理时，我们介绍了磁单极的概念。告诉学生，一旦将来实验上发现了磁单极，则现有的方程要被改写。在讲解薛定谔方程的解时，我们介绍了1984年英国布里斯托尔大学Berry关于几何相位因子的工作，指出真理的相对性。

著名物理教育家赵凯华教授指出：“在我们的教学中，同一问题，既可以把原始的物理问题提交给学生，也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提交给学生。习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类问题时，往往会不知所措。”“我们反对‘题海战术，反对针对某类考试或题库的应试教育。但是做题毕竟是学生学习过程中比较主动的环节，学习物理，不做习题是不行的。但做习题不在于多，而在于精。”

我们要重视将原始物理问题引入教学。比如，我们在讲解法拉第电磁感应定律时，通过对奥斯特实验的分析，得出电和磁这对矛盾在一定的条件下相互转化的规律。在讲解光电效应方程时，我们没有按照教材上的讲法简单地给出光电效应方程，而是抛出若干可能的因素给学生，比如光强、照射时间、光电流、入射光频率、不同材料、截止电压、电子最大初动能等等。首先分析电子为何会从金属中逃出，这显然是电子吸收了入射光的能量，克服了金属的束缚。问题又来了，如何表示入射光的能量呢？电子是如何吸收光的能量的？有无可资借鉴的理论或者公式呢？能否用普朗克的公式试试呢？启发学生分析应该从单电子的能量守恒去分析问题，取得了很好的教学效果。

在讲解测不准关系时，我们先启发学生如何测量电子的坐标，电子处在何位置，那么通过何种手段可以知道电子的位置呢？肯定要用光子去“看”电子。这样一来光子与电子就要发生相互作用，导致电子已经不是原来的位置了，电子的动量也改变了。所以永远无法找到可同时测量坐标和动量的最佳状态。最后，我们以测量身高为例说明永远也找不到最佳的测量时机。

在讲解物质波时，我们特别强调了思想方法的重要性。1924年，法国物理学家德布罗意提出了物质波的概念和理论，把量子论发展到一个新的高度。德布罗意在长期思考后，把爱因斯坦的光量子理论推广到一切物质粒子，特别是电子。德布罗意认为：“整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方面来，是过于忽略了粒子的研究方面；而在物质粒子理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把关于‘粒子的图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？”德布罗意的思想方法是自然界在許多方面都是明显对称的。最后，我们还以父母—孩子—父母为例讲解了到底是孩子还是父母的悖论。

在讲解温度公式时，我们介绍了朱棣文等的激光冷却原子试验，说明一切重大的发明创造都源于基本物理概念的突破。

物理教学应该既要着眼于物理知识的传授，也要注重学生能力的培养，这不仅对提高学生在校学习质量具有事半功倍之效，而且对他们以后继续学习有重要意义。

20世纪以来物理学发展迅猛，取得了非常突出的成就，一直是整个科学技术领域中的带头学科，是推动整个科学技术发展的最主要的动力和源泉，也成为了整个自然科学的基础，对人类社会的发展以及社会文明的进步，产生了极其深远的影响。正如杨振宁教授所说：“在20世纪，物理学产生了奥妙的观念革命，从而改变了人类对空间、时间、运动和力这几种基本概念的认识；深入探索了物质内部结构的奥秘，通过技术进步为人类生产力带来了空前增长。”

参考文献：

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[2]丁亦兵，编译.著名物理学家谈超弦（五）[J].现代物理知识，1990，（4）：12-14.

[3]武秀荣，张俊芳.物理学与思维能力培养[J].有色金属高教研究，1992，（3）：31-35.

[4]国家教委高教司.当代科学技术发展与教学改革[M].高等教育出版社，1996.endprint