以物理学基础为内容的大学物理课程,是高等学校非物理专业学生一门重要的通识性必修基础课。作者所属的华中农业大学大部分专业都开设了大学物理课程,学时分为两种:72学时(工科)和40学时(农科)。作者有幸在2010年至2011学年度分别为农学2009级(40学时)和2010级地理信息系统(72学时)专业的学生讲授了大学物理课程。这两种课程的学时数与教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会编制的《理工科类大学物理课程教学基本要求(2010年版)》中的建议学时数(126学时)相差较大[1]。在当前农业院校、农业科学快速发展的背景下,大学物理却面临前所未有的危局。非物理专业要求削减物理学时数,甚至取消大学物理的声音时有出现。大学物理教师承担了前所未有的压力。如何加快推进大学物理教学改革,保持这门传统基础课的生机与活力,使物理学教学真正在农业类教育中起到重要支撑作用成为摆在物理教师面前最紧迫的任务。
1当前少学时大学物理教学中的突出问题
(1)不少学生和教师存在认识上的偏差,认为物理学就是为专业课服务的,专业课用得上就讲,用不上就不要讲,免得浪费时间[2]。这种观点忽视了物理学在培养学生科学的世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的科学素养等方面不可替代的作用。在人类追求真理、探索未知世界的过程中,物理学孕育了一系列科学的世界观和方法论,它们渗透到自然科学和社会科学的各个领域,深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活,是人类文明的基石。
(2)物理学知识与农业类专业相结合的问题。作为农业类院校开设的公共基础课,只有与农业科学实际相结合的课程才能保持旺盛的生命力,才能得到广大师生的充分认同。当前大学物理教学还缺乏既能保持物理学精华,又能充分反映物理学对现代农业科技发展起支撑作用的特色鲜明的物理学教学体系,使得物理学教学游离于农业专业知识体系之外。
(3)经典物理与近代物理内容比例不当。传统的大学物理教学内容分为力学、热学、电磁学、光学和近代物理等。在实际教学中,绝大部分课时用来讲解经典物理的内容,而对现代科技中广泛应用的量子物理和相对论的内容涉及很少(一般只有4～6学时),考试要求也较低。而这部分内容恰好是大学生们感兴趣并且对他们今后的发展大有裨益的。
(4)农业类学生数理基础一般,部分地区的学生甚至高中未学物理,学生对物理概念的理解以及对公式的掌握都有一定的困难。
2针对性的教学改革
(1)利用物理学中的实例培养学生科学的思维方式。比如在讲授惯性定律时,强调力不是物体运动的原因,而是物体运动状态改变的原因。这一点有悖于人们的生活经验和在此经验上建立的直觉。因为在日常生活中,一个滚动的小球,如果不去推它,它终会停下来。伽利略意识到滚动的球会停下来是因为受到了摩擦力,如果在实验中逐步减小摩擦力,球就会滚得越来越远,以至于永远运动下去。这里我们看到物理学带给我们的思维方式:摈弃直觉,在各种影响因素中判断哪些可以忽略,从而得到简化的模型,并总结出物理规律。再看类比法在物理学发展中的作用。所谓类比法,是根据两个对象之间某些方面的相似性,而推出它们在其它方面也可能相似的一种逻辑思维方式。类比法的客观基础是事物之间存在着普遍联系。比如,我们在讲授电磁学时,强调电与磁的相似性(有相似的公式和定律),法拉第正是从电与磁的相似性出发,由电能生磁大胆猜想磁也能生电,经历十多年的艰苦实验研究,终于发现了电磁感应现象,并且建立了电磁感应定律。除了电与磁可以类比外,电学与力学中类比的例子也不少。如库伦定律与牛顿万有引力定律的相似,静电力的保守性与重力保守性的相似,电势能与重力势能的相似等等。以上讨论的模型法、类比法,以及广泛分布于物理学中的对称性方法、补偿法、微元法等都是人类宝贵的精神财富,深刻影响着科学技术和社会生活的各个领域,将这些科学的方法论渗透到物理课程的每一个章节,就能潜移默化的培养学生的科学素养。
(2)结合农业类专业,加强物理学前沿和现代科技应用等方面的内容介绍。
例如,对农学专业,我们在流体力学部分介绍了生物大分子的高速离心分离技术、农药的表面张力系数与叶面吸收效率之间的关系,在电学部分介绍了生物电现象等。在热学部分介绍了耗散结构理论。对于一个生命体来说,熵的变化可以分为两部分,一部分是生命体本身由于运动等发热过程所产生的熵增加,这一项恒为正,另一部分是生命体与外界交换物质和能量引起的熵流,这一项可正可负。要使生命体始终保持活力,就必须维持一定程度的有序,从熵的观点看就是要让生命体的总熵变维持在零左右。这就要求生命体在与外界交换物质和能量时保持负熵进、正熵出的状态。也就是物理学家薛定谔所说的:“生命赖负熵以存在。”具体来说,人们摄取的碳水化合物属于低熵高能的物质,纯净的水属于低熵低能物质,而人们每天将二氧化碳、水汽、尿、汗及其它排泄物等高熵物质排出体外,也就等价于摄入了负熵流。21世纪生命科学与物理科学之间的融会贯通已经势不可挡,如何让大学物理教学跟上这样一个不可阻挡的潮流,应该是大学物理教学的一个公共课题[3]。
对地理信息系统专业,我们在电磁波部分结合遥感技术的讲授也受到学生的欢迎。电磁波有三方面的性质——振幅、相位和偏振。这三种性质都被应用于现代遥感技术,并由此产生了一门交叉学科——遥感物理[4]。从振幅来看,干土壤、绿色植被和水体等对各种波长电磁波的反射率是不同的,反射率曲线可以提供地表各种成分的面积、农作物的收成等等信息。但物体反射率一般与方向有关,这给实际测量带来了很大的不确定度。为了对各种物体在不同方向上的反射率建立模型,就需要用到物理知识。从相位来看,目前人类已经能够发射频率和相位均可达到高度稳定的相干电磁波。利用星载干涉合成孔径雷达,可以绘制地表的数字高程图,精度达到几十厘米。还可以用来研究地震。从偏振来看,实验表明,可见光从裸露的土壤表面反射,其偏振特性与土壤含水量有关,含水量越高,偏振度越大。因此,电磁波的偏振特性可以成为传达地表物理特性的载体。但是,大气分子和气溶胶对太阳光的散射会带来附加偏振度,增加测量的不确定度。因此大气效应及其纠正一直是遥感科学的重要课题。这需要相应的物理建模。此外,在近代物理部分,我们讲了广义和狭义相对论在GPS卫星时钟校准中的应用。
通过这些物理学在前沿科技中的应用实例,学生感觉到高科技并非高不可攀,其基本理论就在大学物理课堂中,学生对科技前沿问题很感兴趣,会提出各种问题,查找相关资料,进行进一步的讨论,这样就将学生学习物理的态度从“要我学”转变为“我要学”。作者认为对学生好奇心的保护和培养,是物理学教学的灵魂所在。科学发展史告诉我们,伟大的发现都源于好奇心,好奇心是科学研究的原动力。
(3)逐步增加近代物理内容的学时数。第一步先从现有的4～6学时增至10～12学时,其中,量子物理部分主要内容包括黑体辐射基本规律、康普顿效应、弗兰克——赫兹实验、玻尔氢原子理论、德布罗意物质波假设、不确定关系、波函数、薛定谔方程、原子结构和能级、核磁共振现象、衰变以及核磁共振技术和放射性在医学和农业科学中的应用。在相对论部分,主要讲授狭义相对论基本假设、狭义相对论的时空观、洛伦兹变换、广义相对论的基本假设、广义相对论的实验验证以及广义相对论在现代宇宙学中的应用。将来还可以增加一些现代物理分支(比如凝聚态物理、量子场论、量子光学、等离子体物理、生物物理、天体物理等等)的介绍,教学改革的最终目标是使近代物理部分学时数占到总学时数的40%左右。当然,用普通物理的风格去向低年级本科生阐释现代物理的深刻思想和丰富内容对教师素质也提出了更高的要求,这也需要我们教师加强教法的研究和交流,是整个教研室同仁共同努力才能达到的目标。
(4)针对农业类学生数理基础较薄弱的特点,我们在教法上也进行了相应的尝试。在物理概念的讲授上,我们多采用比喻的方法,这样使抽象的概念更加直观,易于理解。如,在讲授光源的相干长度时,用一列火车来比喻一个光波列。在讲授热容时,用盛水的容器来比喻物体的热容。在讲授黑体时,用埋在废墟下的人很容易听到外面的声音而外面的人不易听到里面人发出的声音来比喻照射到黑体表面的光百分之百被吸收而反射率为零的特点。在物理公式的讲解上,在学时允许的前提下,我们尽量采用板书推导的方式讲授,并要求学生记笔记,这样使学生手脑并用,对公式的理解和掌握也更加牢固。考虑到学时较少的缘故,也一定程度上降低了对计算能力的要求。另外,作者也采用了一些前人行之有效的做法[5],如每章结束时做小结,将本章要求掌握的内容梳理一遍,讲到后面的章节时,常常联系到前面的章节等等,这样做可以加强学生对大学物理课程的整体把握,帮助学生理清思路,提高学习效率。
3结语
总之,作者认为面向农业类学生的少学时大学物理课程的教学目标应该是提高学生的科学素养。通过这门课的教学,培养学生形成科学的世界观和方法论,保护和培养学生对客观世界的好奇心,理解和掌握最基本的物理概念和规律,为他们今后漫长的工作、生活留下一笔宝贵的精神财富,也为他们终身学习打下必要的基础。
参考文献
[1]教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会.理工科类物理课程教学基本要求(2010年版)[M].北京,高等教育出版社,2011.
[2]周芳,张志广.农科大学物理教学改革的研究[J].科技信息,2009(5):534.
[3]汪自庆,王国栋,刘云鹏,等.生命学科“大学物理”教学中的几点想法[J].大学物理,2010(9):42～44.
[4]徐希孺.遥感物理[M].北京,北京大学出版社,2005.
[5]胡学海,石峰.浅谈文科微积分教学改革[J].科技资讯,2009(2),196.