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我刊入选第二批学术期刊名单
期刊类别:纯教育、G4
国际标准刊号 ISSN 2095-3089
国内统一刊号 CN15-1362/G4
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出版日期:每月25日

我刊投稿论文
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作者:赵阿蒙
  【摘要】国家对应用型、复合型、技能型人才需求的提升,对我们普通工科院校如何上好大学物理这门课程提出了新的挑战。通过总结西方发达国家经验并结合我国实际需求,本文思考应将讲授大学物理课程的重点放到怎样使学生正确地掌握和使用各种物理原理上,而其中首要的是帮助学生建立起准确和简明的物理图像。文中的第二部分以静电场中的高斯定理为例,通过回顾其发展的历史,从中总结出了适当的物理图像,使教学过程简单生动,更加突出物理内涵。
  【关键词】应用型人才培养 物理图像 物理学史 静电场高斯定理
  【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2017)48-0147-01
  一、应用人才培养与大学物理课程
  近年来,根据社会经济发展的需要,我国对高等教育应用型人才的培养提出了更高的要求:2010年公布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》中提出要“重点扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模”;而在2017年的《国家教育事业发展“十三五”规划》中再次强调“推动具备条件的普通本科高校向应用型转变”以及“提高应用型、技术技能型和复合型人才培养比重”。这一人才培养模式的转型又对我们普通工科院校的大学物理课程教学提出了什么样的要求呢?
  要分析清楚这个问题,一些西方发达国家的相关经验无疑是一个很好的借鉴。朱士中在对美国应用型人才培养的研究中指出,美国大学“努力培养出宽口径、厚基础,具有创新型、复合型、应用型特征的人才”[1]。由此可以看出,作为工科基础课的大学物理课程的重要性不是降低了,而是升高了。很难想象一个优秀的工程师会不知道永动机为什么是造不出来的, 而这一切都与扎实的物理学知识密不可分。同时,国内的专家和学者也已认识到这一问题的重要性,其中刘迎春和熊志卿在对我国应用型人才培养目标和知识结构的研究中就明确指出“数理”是应用型人才知识结构中的“四块基石”之一[2]。既然如此重要,我们应该如何上好大学物理课?这一课程又与物理学专业学生的普通物理课有什么区别呢?对此,胡卫中和石瑛在其对澳大利亚应用型人才培养的研究中反复强调澳大利亚对“培养学生应用理论的能力”的重视[3]。也就是说具体到大学物理课程,我们应该把重点放在培养学生对物理理论的应用而非理论本身,使学生在今后的生产实践中能够正确地利用物理规律,至少不做出违背物理规律的事情。要实现这一目的,努力必然是多方面的。
  其中,帮助学生建立准确、直观和简洁的物理图像无疑是其中的首要一环。以上面提到的永动机(第一类)为例,如果学生能够建立起——各种能量总量守恒,不同种能量之间在一定条件下通过做功又可以相互转化——这一简明清晰的物理图像,那么问题就会迎刃而解。这样,一方面学生掌握了相应的物理知识可以指导应用,另一方面也有助于降低学习过程中因为过多的数学表述所带来的畏难情绪。下面,我们将以静电场中的高斯定理为例,讨论大学物理程中物理图像的建立。
  二、静电场中的高斯定理——物理图像教学的一个例子
  静电场中的高斯定理的表达式为[4]:
  ?椎e=■E·dS=■∑q■
  它反映了通过闭合曲面的电通量与其所包围的电荷间存在着定量的关联。在介绍高斯定理前我们还需要先引入电场线的概念,然后再引入电通量,最后再对高斯定理的数学表达式进行证明。一方面,电场线与电通量的概念较为抽象;另一方面,数学证明过程也较为繁复。这样一堂课上下来,学生的接受度往往不高。因此,建立一个直观、简明的物理图像在这里就显得尤为重要。
  要如何建立这个物理图像,我们不妨从电场线的发展史中去寻找答案[5]:首先,电磁作用“力线”的构想是由法拉第最早提出的,他认为电荷与电荷靠充斥在空间中的力线(也就是电场线)联系在一起,力线从正电荷发出、到负电荷终止;此后,W.汤姆生致力于将法拉第力线思想翻译成数学公式,做出定量的表述,他借鉴热传导理论,于1842 年发表了题为《论热在均匀固体中的均匀运动及其与电的数学理论的联系》的论文,在文中他指出电的等势面对应于热的等温面,而电荷对应于热源,接着他又进一步研究了电磁现象和流体力学现象的共性,并于1847 年发表了题为《论电力、磁力和伽伐尼力的力学表征》的论文;麦克斯韦发展了汤姆生的类比方法,1856年他发表了第一篇关于电磁理论的论文——《论法拉第力线》,在这篇文中,他用不可压缩的流体的流线类比于法拉第的力线,把流线的数学表达式用到静电理论中:流线不会中断,力线也不会中断,只能发源于电荷。
  通过对电场线发展历史的回顾,我们可以看到静电场的电场线与热流和水流之间存在着共性——有源性:电场线从正电荷流向负电荷,过程中不会中断。因此,将电场线类比为水流,既简明又准确。这样,电通量的概念也具体了起来,可以类比成通过某一个面水流的流量。最后,我们再回到高斯定理,其物理内涵就很明确了:电荷就是水源,电场线就是水流,通过闭合曲面的电通量是多少,显然是由源头——也就是电荷决定的。至此,整个物理图像就建立起来了。这样一来,首先,学生便于理解,可以更好地把握住高斯定理的物理内涵。于此同时,授课过程也可以显得不那么枯燥,学生对学习建立的兴趣和信心,之前觉得复杂数学证明再学起来,接受度也会提高。
  数学是语言,物理是内涵。建立物理图像的过程,实际上就是将物理内涵讲授给学生的过程。弄懂了内涵,语言也就不再是障碍了,反而更有利于促进对数学知识的理解和融会贯通。而这也将形成数理间相互促进的良性循环。
  三、结语
  随着国家越来越重视对应用型人才的培养,对高等教育工作显然提出了新的要求和挑战。而作为一名普通工科院校的公共基础课教师,我也一直在思考自己应该如何上好大学物理这门课程。通过学习发达国家的先进经验,并结合我国实际,我逐渐将授课的重点从教授物理理论转移到怎样正确地掌握和使用这些物理原理上。为实现这一目的,我们可以进行很多方面的尝试:例如在教学过程中引入更多的实例教学;课后习题情境更加贴近于现实,甚至我们可以对生产中的实例稍加调整作为题目;还可以鼓励学生进行物理相关的小设计小发明等等。但我认为,其中首要的是帮助学生建立准确和简明的物理图像,使学生不被看起来比较复杂的数学语言所迷惑。这样,在使學生掌握知识的同时,也更有利于建立他们的信心,培养他们的兴趣。扎实的物理学知识,必将令他们未来的优秀工程师之路更为顺畅和宽广,而这正是我们大学物理课程的目的所在、价值所在。
  参考文献:
  [1]朱士中.美国应用型人才培养模式对我国本科教育的启示[J]. 江苏高教,2010(5):147-149.
  [2]刘迎春,熊志卿.应用型人才培养目标定位及其知识、能力、素质结构的研究[J].中国大学教学,2004(10):56-57.
  [3]胡卫中,石瑛.澳大利亚应用型人才培养模式及启示[J].开放教育研究,2006,12(4):92-95.
  [4]张三慧,臧庾媛,华基美.大学物理学(第三册)电磁学[M]. 北京: 清华大学出版社,1991.
  [5]郭亦玲,沈慧军.物理学史[M].北京:清华大学出版社, 1993.
  作者简介:
  赵阿蒙(1984-),女,汉族,辽宁省朝阳市人,研究生,讲师,研究方向为高能核物理。

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