高等物理教育中的“次波相干叠加效应”创新工作法

丁宗玲，孙 进，于欣欣，高 倩，李 广，李 刚，郑赣鸿，李爱霞

(1.安徽大学 物理与光电工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230601)

临淄三中的校长相继厚提出了一种中学教育管理的新型工作方法“点圆式工作法”，并在三中的教学管理中广泛推行[1-2]。相继厚认为：以有利于全局利益为原则，以岗位需要和既定的岗位目标确定一个点，工作者以点为圆心，以最强的主动性和创造性为半径绕点画圆；工作者不满足于达成既定岗位目标，而是立足于本岗位的需要，积极探寻并达成新的岗位目标的工作方法叫做“点圆式工作法”。“点圆式工作法”最主要的特点是工作者主动延伸工作领域，自觉地串联工作环节，以最大的半径“画圆”，将工作做成精品工程。这种工作方法在培养创新意识、激活创造活力和潜能、改变人们的工作思想和工作方法、加强竞争与合作中体现出理念优势。该方法在学校的教育教学中，对提高教育教学质量、改变工作观念和做法、实现学生管理及教学改革等方面得到了有效的应用和实践[3]。在高校德育管理、思政和党建工作等思想教育领域也具有一定的研究和实践经验，并取得了一定成效[4-5]。

新时代的大学教育，面临新的机遇和挑战：网络信息与科技飞速发展，知识量空前丰富。如何在大学教学和人才培养中实现对学生知识、能力和素养的综合培养；如何实现教学理念创新和以学生为中心的教育教学体系；如何充分发挥优秀人员和资源的作用，有效实现各元素间的相干叠加效应(优势相长，劣势相消)等成为值得教育工作者深思和关注的重要内容和关键课题。结合物理学科的典型特征，研究在“点圆式工作法”的基础上，提出发展创新的“惠更斯-菲涅尔原理法”即“次波及其相干叠加原理法”，并在高校教师团队建设、物理相关专业的课程体系改革和人才培养中进行实践应用是符合时代需求的教育教学创新与改革。

1 创新教育理念：次波及其相干叠加原理

对教育理念和工作方法的发展与创新源于“点圆式工作法”的教育理念和大学物理课程中的主要知识点：惠更斯原理和惠更斯-菲涅尔原理。为了定性说明波的传播方向和规律，荷兰物理学家惠更斯提出了惠更斯原理，即介质中波传播到的各点，都可看作发射球面子波(次级波)的子波源，在此后的任一时刻，这些子波面的包络面就是新的波前。菲涅耳在惠更斯原理的基础上，补充描述了次波的基本特征(即相位和振幅的定量表达式)，并增加了“次波相干叠加”原理，从而发展成为惠更斯-菲涅耳原理。次波原理和次波相干叠加原理的思想理念与“点圆式工作法”有融会贯通的部分，也有发展和变化的部分，对充分发挥每个核心点源的主动性和创造性使其相互激发相干叠加具有更深层的意义。

次波及其相干叠加原理的应用关键在于：优秀的核心点波源及其与各个次波源间的相互激发和相干效应，即优势相长、劣势相消。次波原理和次波相干叠加原理的思想理念是实现教师与教师、教师与学生、学生与学生之间的融合与叠加的有效方法，更是实现创新型课程体系改革、教学梯队发展、人才培养质量提升和提升教育教学成果应用及其社会影响力的重要途径，是打造一流教师团队、一流课程培养体系，培养一流人才的值得深入探索的可行性理念和方法，对新时代大学教育的综合改革和发展具有一定的研究意义和实用价值。

2 次波及其相干叠加原理在教师团队及课程体系改革中的应用

2.1 教师团队的能力提升和相干叠加效应

习近平总书记在与北师大师生座谈时指出“扎实的知识功底、过硬的教学能力、勤勉的教学态度、科学的教学方法是老师的基本素质”；“过去讲，要给学生一碗水，教师要有一桶水，现在看，这个要求已经不够了，应该是要有一潭水”[6]。基于次波及次波叠加的理念，以经验丰富的优秀教师为点源，以教师团队为工作半径，在专业课程小组和广大教师中形成次波源，通过激发教师的主动性、创造力和影响力，将优秀的教学理念、教学设计、教学方法等在教师队伍中干涉相长，实现相互促进和有效传承；将消极的态度、不合理的教学方法等干涉相消，实现教学方法的批判更新和与时俱进。罗洪刚[7]结合物理教学和物理专业人才培养提出了物理学“课程群”的教研室管理模式，并以物理学基础课程为例探讨了“课程群”组织体系。“课程群”的教学改革方案，对学生而言可以因人而异分类培养，对教师而言可以团队协作提高教学质量，对学院而言可以实现人才整体素质和质量的提高[7-8]。这种“课程群”组织体系是实现次波及其相干叠加原理的典型载体和途径之一。笔者所在院校近年来实行课程小组制度，所有专业课和公共基础课均设置了稳定的教学教研小组，且每位教师能够同时参与2～3个课程小组。课程小组实行定期集体备课和教学研讨，各门课程之间又能够通过教师主体实现有效的交叉与融合，这就为教师队伍以点带面、以波源带次波源、相干叠加，为实现教师教学教研能力提升和团队合作优化提供了很好的载体。

教师与学生之间有效的教育传承，不仅包含知识传承、思维方式传承，更需要充分发挥课程思政的作用，从而实现思想的传承，达到教书育人的最终目标。在确保教师团队综合能力提升的同时，要充分发挥教师的榜样引领的作用，以点带面，以授课教师为点源，以授课班级为工作半径，激发学生自觉学习的意识，提升其合作与创新能力，实现对学生的知识传承和思想引领；再以优秀学生为点源，向广大学生传递。通过次波及其相干叠加效应理念的实践应用，实现教师团队之间、教师与学生之间、学生团队之间的联动效应，使之相互影响、相互激发，实时优化教学设计，促进教风学风的联动提升，实现知识、理念和信念的有效传承。

2.2 课程体系改革与创新中的次波相干叠加效应

当前正值国家一流课程“双万计划”建设的关键时期，打造“金课”的意义不仅仅在于万门精品课程本身，更在于他们对课程体系建设的影响与带动作用，这也体现了次波相干叠加理念。

一方面，需要充分结合学校教育教学的特点和改革需求，发挥学科特色，实现专业课程体系的建设与创新。公共基础课程“大学物理”的特点是：授课范围广，几乎覆盖学校全部理工科院系和部分文科院系；课程知识面广，包含力学、热学、电磁学、光学、原子物理及量子力学基础等多个部分，跟众多的后续物理相关的专业课程有循序渐进和知识点密切的关联性；课程教师团队交叉融合性强，大学物理教学团队的教师同时分属于其他的专业课程团队等。这些特点都为“次波相干叠加原理”的应用与实施提供了必要条件。以公共基础课程为点源，可以实现课程之间的知识关联和结构关联，建立具有突出学科特色、科学合理、融会贯通的“递阶式”课程体系；充分结合教学实践与培养过程，通过与学生的交流探讨、习题课反馈等相干效应优化教学内容和教学设计，促进课程体系的改进与优化。

另一方面，将线上优秀视频教学资源和线下课堂有效结合，以此为点源，以课程受众为作用半径和次波源，实现对现有教学模式和课程体系的改革和进一步优化。例如，充分运用已有的优秀慕课资源，将一定比例适合用动画和多媒体展示的教学章节作为学生的线上学习内容，结合线下课堂教学的习题课、交流讨论和测验等教学环节，实现线上线下混合式教学，进一步提高学习效果和教学质量。同时，可以将优秀教师的精彩教学章节录制成视频，建立以课程体系为导引的优秀视频资源库，充分运用视频资源库开展线上教学，拓展受众群体，加大优秀资源的推广。通过信息技术与教育教学的深度融合，形成先进的教学理念、有效的教学目标、合理的教学设计、科学先进的教学内容和以学生为中心的教学体系，最终实现专业课程体系的融会贯通、类比互通，实现课程内容的优化改进和可持续发展。

3 次波及其相干叠加效应在大学生综合能力培养中的作用

3.1 大学生综合能力培养中的相干叠加效应

我国著名物理学家赵凯华指出：“实际上科学发展的动力是人类的求知欲和好奇心。”“物理学是20世纪以来最重要的高级技术的原动力。最重要的科学素质包含在物理学的基本概念、基本原理和基本方法之中。物理课是科学素质教育最重要的阵地。”[9]因而，高水平的物理学教学，特别是高质量的大学物理学教学对培养科学技术人才至关重要[8]。次波相干叠加效应在引导和激发学生批判思维、创新能力、学习能力、合作能力、理解能力和应变能力的过程中具有重要的作用；在实现提升教学效果、提高教与学效率的过程中联动效应明显；在实现改革成果的迅速传播中优势显著。

结合笔者教学实际，在教学过程中设立知识目标、能力目标和素质目标，通过“观物理现象、析物理本质”、微课题探索等创新教学设计，培养学生的批判思维和独立分析解决问题的高阶能力，充分发挥了课堂教学的主战场作用。通过教师对本科生毕业论文的指导，通过学院实行的本科生新型双导师(班主任、科研导师)制度，实现教师与学生的充分交流，实现对学生学习过程的全程指导和对学生创造力、主动性的充分激发；将先进的教学理念和教学方法应用到学生论文写作和科研学习的全过程。通过指导学生参加大学生科研训练项目和创新训练项目等学术科研活动，充分实现实验与理论知识的融合、实践与课堂教学的融合、教学与教研和科研的融合，以点带面，在学生综合能力培养过程中建立层层递进的知识网络，构建环环相扣、全过程指导的协同教育模式。

3.2 思政课程及其融合与相干叠加效应

习近平总书记指出：“老师是学生道德修养的镜子。好老师应该取法乎上、见贤思齐，不断提高道德修养，提升人格品质，并把正确的道德观传授给学生。”“党和人民需要培养的是社会主义事业建设者和接班人。”[6]因此，思政教育成为高校教育工作中不可缺少的重要部分。教师思政与学生思政协同发展是实现以思政课程为核心点源，以各专业课程为次波源，二者相干叠加，实现课程思政和思政课程有效融合的关键点之一。次波及其相干叠加效应在将思政教育贯穿课程改革、教师发展和学生培养的全过程中具有重要的实用价值。拥有高尚的道德情操，正确的价值观、人生观和阳光心态的教师队伍是教师思政的目标。通过教师的影响、感召和传承，引导广大学生树立正确的价值观、人生观是实现教师思政与学生思政协同发展的重要途径。充分结合课程特点实现教学改革，总结和挖掘相应的思政主题，并将其有效融合进专业课程知识之中，是实现课程思政的切入点，更是实现课程思政与思政课程有效融合的关键。通过课程知识与思政主题间的有效融合和灵活运用，充分激发其相干叠加效应，从而实现知识、能力与素养的综合提升，培养出新时代有思想、有能力、有担当的拔尖人才。

3.3 实现教育的传承与教学理念的推广

“学物理的干什么都不算改行”；“物理学是唯一的一门理论和实验高度结合的精密科学。物理学中有一套最全面、最有效的科学方法。现在物理学的概念、原理和方法已被运用到化学、生命科学、地学等所有自然科学中，甚至渗透到经济学、社会学等社会科学，产生了十分积极的效果”[9]。这充分说明了物理思想和方法在非物理领域里同样能够获得成功。不少物理学原理、方法理念已经被广泛应用并推广到其他领域，最典型的代表是熵增原理的发展及应用[10-11]，这充分说明了物理学的思维方式、方法理念和改革成果具有很强的实用性和推广价值。其影响和波及效应主要可分为三个“递阶式”的层次：以课程体系和广大师生为作用半径，在物理学相关专业间的相干叠加效应；以交叉学科间的相干叠加为基础，逐步实现教育教学理念、方法在专业间的推广；以优秀资源和先进技术为载体，以服务地方经济和社会发展为目标，实现并推广教学、教研成果的社会影响力。同时，次波及其相干叠加效应的典型特色还在于，通过次波的相干叠加和点源间的相互激发，可以实现优势相长，劣势相消。

在“互联网+”时代，利用先进的教学技术和丰富的互联网资源，能够方便地通过线上、线下教学的有效结合实现知识的传承和先进教学理念的推广。现阶段正值“合肥综合性国家科学中心”建设的关键时期，迫切地需要创新型人才。在肥高校要抓住机遇，培养优秀科研人才，让高水平毕业生成为新的点源，充分发挥其主动性和创造性，为社会发展做出贡献。同时，基于次波及其相干叠加原理的方法理念，通过不断将优秀的教育教学研究成果、教学课件、视频资源等上传到线上平台，并以此为点源面向社会开放共享，实现教育教学成果的推广，也是高校与地方经济和社会发展相辅相成的可行途径。

4 总结

次波及其相干叠加原理的应用关键在于：优秀的核心点波源及其与各个次波源间的相互激发和相干效应，优势相长、劣势相消。因此，需要教师和学生充分发挥主动性和创造性，进行深入的思考、总结和不断地创新发展；需要相应的激励措施和不断完善的考评考核体系；更需要结合具体的教学实践，持续探索可持续发展的应用模式和教学设计案例，扩展受众群体，推广优秀资源，提高高等教育的社会影响力，实现高校与地方经济和社会发展之间的相干叠加和相辅相成。