物理教学与创新意识

摘要:普通物理教学是高等学校的一个很重要的基础课教学环节,物理学的发展与哲学的发展有紧密的联系,而哲学理念是创新思维的源泉。在大学物理教学中通过教学环节,结合相关专业的历史发展背景,培养学生的创新意识,是一个值得探讨的重要课题。结合普通物理教学中的哲学思维与创新意识的培养模式进行讨论,针对目前普通物理教学中的问题提出了相应的看法,对课程建设提出了一种可行的实施方式。

关键词:物理学 哲学 教学 创新意识

1 大学普通物理教育的现状及问题

普通物理教学是高等学校的一门重要基础课,普通物理的开设,让学生加深对自然科学知识的理解,为学生进一步的专业知识学习,起着重要的作用。物理学的发展史,体现了人类对自然界的认识过程,物理学发展的过程中的哲学理念,对人们认识事物的发展规律,对创新意识的培养有着很大的影响。上个世纪70年代以来,科学技术高速发展,学科交叉融合,跨学科结合对生物医药、电子、计算机信息产业产业的发展起到了极大的促进作用。 物理学作为自然科学的基础学科,随着新的发现、新理论模型的建立对科学技术的发展和新技术的应用起到了重要的支持。基础理论研究水平代表了一个国家科技水平的高低,基础理论的教学是培养高素质人才的关键环节。

与发达国家的高等教育比较而言,我国大学物理教学显得相对封闭与保守,尽管近二十几年来我国大学物理在推进教学内容现代化、教学方式多样化等方面做了大量的改进工作,取得了较好的成绩,但是在教学过程中通过物理学的发展,了解科学发展的规律,把基础理论教学与专业发展相结合,把基础理论发展中的哲学理念、创新意识与专业课体系相结合仍然是薄弱环节。

2 教学中重视理学进展与创新意识培养

创新思维是思维活动中的高级过程,是个人在已知识和经验的基础上,从某些现象、过程和事实中形成新概念、建立新规律、完成新理论的思维过程。创新行为必须有创新的理念作支持,物理学家在创立和发展物理学的过程中,不仅建立了一套完整的物理学知识体系,而且创立了整套物理学的研究方法,它是人类智慧的结晶。在物理学的教学过程中应注重介绍物理学的研究方法,把物理学研究方法作为课程知识体系的一个重要部分,介绍物理学家在发现问题、提出理论、总结规律的思想和思路,并将这些与近代科学和现代科学的发展,与相关专业的发展结合起来。

从经典物理到现代物理,从基础理论到实践应用,在很多领域基础理论的发展给现代科技应用起到了支撑和引领的作用。比如在材料科学领域,经典物理学中人们认识到物质的三态(固、气、液),这三态在不同的情况下会发生相互的转换,但对这三种物态的转换仅限于对物质表面的理解。由于物理学的发展,人们在发展中认识到物质有新的形态,20世纪中期确定了第四态——等离子态。等离子态是在量子力学的发展中关于量子级别的物质结构的认识,前几十年没有在实践上取得突破性的大进展,在研究和积累中人们的认识在逐步深入,发现等离子体存在于远离地面的电离层及上层空间,受控热核聚变中有等离子体,甚至金属中也有等离子体。基于物理理论成果的低温等离子体已经在材料加工、表面改性、薄膜制备、化工、冶金等广泛得到开发应用。

玻色—爱因斯坦凝聚态是基于统计物理学理论的一种新的物质形态,需要一些量子的概念。自旋量子数为整数如0、1、2……等的微观粒子叫做玻色子,而自旋量子数为半整数称费米子。1924年印度物理学家玻色研究玻色子的统计力学行为,并告诉了爱因斯坦,后者于1925年就预言将某种原子气体冷却到接近绝对零度就会出现奇特的现象:一大团上千上万个的原子会像听从指挥官口令的一队士兵那样,行动协调一致。原来混乱的热运动的气态倾刻之间变成高度有序的物质状态,这就叫做玻色—爱因斯坦凝聚态。1995年这项理论预言得到实验证实,表明科学家创造出来了物质的第五态。主持这项实验研究的物理学家是美国标准及技术研究所的康奈尔和科罗拉多大学的威曼。虽然和爱因斯坦的理论预言相隔了70年,但这是了不起的成就,表明科学家能够一次创造出成千上万个行动一致的、具有单一量子态的超冷粒子集合。理论的预言是基于原有理论基础上的创新,而不是毫无依据的臆测。从预言到实践突破有时需要很长时间,而一旦获得突破,就会在诸多领域引起新的冲击。在实现了物质的第五态之后,使芯片技术、精密测量,纳米技术、高精度的原子钟、激光技术、集成电路、量子信息处理和计算机技术等等应用领域得到了极大的推动和提升。

2004年美国物理学家宣布创造了物质第六态,叫做费米子凝聚态。研究小组负责人是一位年轻女物理学家,名为德博拉•金,2004年才30岁。此项研究先使费米子成对转变为玻色子,然后变成玻色—爱因斯坦凝聚态。本来认为费米子不可能都拥有相同的量子态,现在能够使费米子先变成玻色子,再使它们拥有同一的量子态。这结果也是极其了不起的,它有助于下一代新的超导材料的诞生,在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学和高能物理等领域得到极大的提升。这种例子虽然很特殊,但它清楚地表明21世纪材料科学的前沿有很大一部分将来自物质的第五态和第六态。如果再加上20世纪中已有的物理成就推动材料创新的事例,如:原子能材料,半导体、高温超导体、非晶体、新型磁性材料、纳米材料、激光材料和隐形材料等等,那么完全可以说,物理学对材料创新的贡献是很突出的。

3 教学内容和模式应适应学科发展的需求

教育是一门科学,专业计划的制订应该与学科专业相适应。普通物理学在教学内容中应该突出的是思维模式和方法论对学生的专业发展的作用和影响。在实际教学中根据经验,提出以下几方面的改进模式:

(1)普通物理学的教学应注重知识面和认识论、方法论的培养,减少复杂的模型建立和推理计算。(2)教学中注重将物理学的进展,物理学中的哲学理念和创新意识理融入到课程体系中,要注重论体系的完整性和系统性。(3)少一些验证性实验,多一些开放式的设计性试验,在培养严谨性的同时注重创新思维的培养。(4)教师应有较宽的知识面,能站到一定的高度和广度去对学生进行引导。(5)必要的教学手段和方法。在普通物理教学过程中,突出研究方法和思维模式,要注重物理学科与相关学科专业发展的联系(包括人文和社会科学),注重物理教学中对创新意识的引导。教学手段上辅之以适当的方法与手段,从教育心理学的角度,通过教学方式的改进提高学生课堂的专注度,通过试验方式和内容的改变,培养学生分析问题和创新思维的能力。通过以上改进,明显提高了学生对普通物理学的认识和兴趣。

4 结语

我国的高等教育在扩招以来,规模发展很快,但是在教育模式和教育思想上还很难完全适应社会经济发展的的需要。高等教育每年的毕业生数量很大,但距离适应社会发展的具有创新意识的人才还有差距。

培养人才的过程中通过思维模式和研究方法的了解,让学生看问题的角度和高度能够拓展和提升。“在注视脚下的同时也要仰望天空”——这就是在普通物理学教学过程中注重物理学的进展,注重哲学理念,注重创新意识的培养和引导,为培养具有创新意识的高素质人才应该高度关注的领域。

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罗彪:男 (1968——),讲师,从事普通物理教学和管理工作

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