談創新教育視角下拔尖人才培養的載體、途徑和學業評價 ——以大學物理課程改革為例

在“創新驅動發展”的理念下,創新教育已被提升到戰略層面。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010 — 2020 年)》中明確提出高等教育要著力培養本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才。

物理學是一切自然科學的基礎,其發展過程本身就是一個創新的過程。

從牛頓的絕對時空觀到愛因斯坦的相對時空觀,由光的微粒說到光的波動說再到光的波粒二象性,每一個物理規律的建立無不凝聚著創新思想與方法的智慧。

因此，作為傳授物理學基本概念和規律的大學物理課將為發展學生的創新能力,培養拔尖人才提供一個獨特的平臺。

中國地質大學(北京)于 2013 年開設本科創新實驗班。

在大一下學期從學校優勢專業內選拔21 名具有培養潛力的學生,單獨建班,采用 2+2培養模式,即前兩年以基礎課學習為主,不分專業,后兩年分流自主選擇專業和導師。

這種人才培養特區的重要特色之一就是在低年級階段集中進行較為“精”“深”“廣”的數理化通識基礎教育。

本文以 3 年來創新實驗班的大學物理課程改革為例,在創新教育視角下,談談拔尖人才培養的載體、途徑及學業評價。

1  重構大學物理教學內容體系, 完善人才培養載體

教學內容是人才培養最為基本的載體,因此教學內容的改革是課程改革的核心,在某種程度上決定著教學模式的改革 [1] ,直接影響教學實效。

創新實驗班不同于普通班,其目標是培養基礎扎實、視野開闊、創新能力強的地學領域的領軍人才,傳統的大學物理教學內容體系顯然難以滿足要求,需要對其進行重構。

我們的做法是把大學物理教學內容進行模塊化,分為基礎知識模塊、前沿拓展模塊和專業應用模塊,如圖 1 所示。

其中基礎知識模塊是最為根本和重要的部分,為奠定學生扎實的物理基礎提供了保障;物理前沿模塊是對基礎知識的拓展,為開闊學生視野、提升科學素質提供了空間;而專業應用模塊是對基礎知識的延伸,為促進學生物理知識及方法的遷移、后續專業課的學習乃至未來地學領域的研究提供了平臺。

1.1 優化物理概念結構體系,滲透“四大力學”思想,夯實學生物理基礎

在教學內容體系中概念結構體系是關鍵。

長期以來我國大學物理課概念結構體系與高中物理體系基本相同,即高中物理是力、熱、電、光、量子加上初等數學作為數學工具的概念體系,而大學物理是力、熱、電、光、量子加上微積分作為數學工具的概念體系。

除了所使用的數學工具不同,概念規律的描述方式基本相同,這就使得大學物理的概念體系高度不夠,甚至造成有些教學內容與高中重復。

此外,在內容安排上大多以基本規律和基本計算方法為主線,對于基本概念的核心地位、基本思想和研究方法以及物理理論的整體性不夠重視。

拔尖創新人才的培養目標之一就是要“厚基礎”,這種傳統的大學物理概念結構體系顯然難以滿足要求,因此需要進行優化。

優化的原則是以某些重要的物理概念為核心貫穿該部分內容,使物理知識成為一個有機的整體。

例如,對于力學中守恒定律部分,可以以對稱性概念和思想為主線展開,由空間平移對稱性引出動量守恒定律;由空間旋轉對稱性引出角動量守恒定律;由時間平移對稱性導出能量守恒定律。

對于電磁學部分,抓住場的“通量”與“環流”這兩個概念,揭示電磁場的基本性質,最終由麥克斯韋方程組總結電磁學理論。

為達到“厚基礎”的人才培養目標,在基礎知識模塊中還要適當滲透“四大力學”即“理論力學”“電動力學”“量子力學”和“熱力學、統計物理”的思想,使學生能在相對較高的角度看待普通物理知識,從而夯實其物理基礎。

例如,在學習熱力學系統在平衡狀態下的物理性質時可以滲透特征函數的思想。

讓學生初步領會如果選取適當的獨立變量,則只要知道一個熱力學函數,就可以通過求偏導數來求出均勻系統其他的所有的熱力學函數,從而確定均勻系統的物理性質。

“四大力學”是在普通物理的基礎上,從理論本身出發構建的完整的理論體系。

這些基礎理論中蘊含著豐富的思想方法,可進一步把學生對物質世界的感性認識提升到理性認識。

適當滲透這種具有濃厚“物理味道”的思想方法不僅可以夯實學生的物理基礎,而且對培養學生用物理的眼光看待問題、分析問題、解決問題也具有重要意義。

1.2  精選物理前沿模塊,拓寬學生視野、提高學生科學素質

大學物理教學內容的主體是經典物理學。

僅僅掌握經典物理學對于拔尖創新人才顯然是遠遠不夠的。

時至今日,物理學仍然是一門生機勃勃的科學,不斷涌現新理論、新技術,并推動整個科技的發展。

了解這些前沿進展不僅可以拓寬學生的視野,更能提高學生的科學素質。

物理前沿模塊包括物理理論前沿進展及物理技術前沿進展。

在紛繁眾多的前沿進展中如何精選合適的內容是至關重要的。

首先,可依托近年來諾貝爾物理學獎的科學成就引入前沿進展內容。

例如,2013 年諾貝爾物理學獎授予彼得· W ·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒兩位物理學家,以表彰他們對希格斯玻色子所做的預測。

希格斯玻色子被稱為上帝粒子,是萬物質量之源,頒發諾貝爾獎后被大量的新聞媒體所報道,討論這種上帝粒子儼然成為一種“時尚”,學生對此表現出極大的興趣和探究欲。

這時,可以因勢利導,通過介紹希格斯粒子的發現過程,定性地滲透標準模型、電弱對稱性自發破缺等理論前沿進展。

還比如,2014 年諾貝爾物理學獎授予了日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二,以表彰他們發明了藍光 LED ,并因此帶來的新型節能光源。

由于媒體的大量宣傳,“藍光LED ”成為熱 門話題。

可以適時地向學生介紹LED 的基本原理、結構、真空技術、半導體摻雜技術等物理技術前沿進展。

其次,可以選擇有深刻的“經典物理背景”的內容。

例如,混沌現象是物理學前沿熱點之一,但它確是根植于牛頓定律的基本課題 [2] 。

學習完牛頓力學后,通常會存在這樣的觀念,即:一個物體在受力和初條件給定的情況下,這個物體在以后任意時刻的運動情況就完全確定了。

然而現代物理學研究表明,對于一個非線性系統,由于對初值的極端敏感性,盡管受力是確定的,運動的未來也是不可預測的,物體的運動進入混沌狀態。

可以從三體問題出發,列舉簡單的例子,用普物風格定性地呈現給學生物體運動軌道是不可預測的,進而滲透混沌思想。

1.3  構建專業應用模塊,促進學生物理知識的遷移能力

物理學在地學領域有著廣泛的應用。

但大學物理作為一門通識基礎課通常較少涉及到地學應用。

這種常規的做法顯然不再適用于創新實驗班的物理教學。

構建專業應用模塊,為后續專業課開窗口、留接口,促進學生物理知識的遷移。

例如黑體輻射定律在遙感技術中的應用;偏光顯微鏡在礦物分析中的應用;利用人工或天然磁場在地球內部激發的電磁感應現象,研究地下由淺到深不同深度上地層的導電性結構,從而推測地球內部的演化過程,等等。

2  改革教學模式，優化人才培養途徑

教學模式決定了人才培養途徑。

在創新教育視閾下,研究性學習應該是創新實驗班教學的主旋律。

研究性學習根植于建構主義理論,其本質在于知識的自主構建。

為此應堅持以學生為中心,利用問題、情境、同伴、協作、討論等要素充分發揮學生的積極性,最終實現學生對所學知識的自主構建,發展創新能力。

2.1  引入 PBL 模式，促進學生自主探究

PBL ( Problem-Basedlearning ,基于問題的學習)模式是以問題為中心,讓學生圍繞問題展開探究,最終在教師的幫助下獲取知識,如圖 2 所示。

顯然在這樣的模式下,學生所掌握的知識會更加牢固,因為知識的意義是自主構建的,不是灌輸的。

在知識的自主構建過程中學生分析問題和解決問題的能力顯然也得到了鍛煉。

例如,學習熱力學第二定律的微觀意義時,可以提出這樣的問題:“為什么氣體不能自動壓縮?”然后讓學生進行小組討論 。

在教師的啟發下,學生通過考察宏觀狀態與微觀狀態數的關系,自主構建“自然過程總是由熱力學概率小的狀態向熱力學概率大的狀態進行,即沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行”的結論。

2.2  探索基于移動終端的 PI 教學法,促進學生合作學習

PI 教學法( PeerInstruction ,同伴教學法)是由美國哈佛大學 Mazur 教授發展起來的 [3] ,是一種非常有效的促進學生合作學習的教學方法。

但由于每個同學都需要一個“clicker ”,給管理上帶來了麻煩。

為解決這個問題,我們利用學生手機終端替代 clicker ,與軟件公司合作開發了手機APP :“中國地質大學(北京)物理課堂應答系統”, 并已投入使用。

圖 3 ( a )給出了基于移動終端的PI 教學法的流程圖,圖 3 ( b )是教師登錄界面,圖 3(c )是學生登錄界面。

基本過程是:第一階段:教師提出問題,學生用手機發送答案,系統給出統計結果;第二階段:鄰座同學間進行辯論后,再重新發送自己認為正確的答案,系統再次給出統計結果;第三階段:教師根據統計數據診斷學生對概念的理解,及時調整教學。

通過反復的實驗發現,第二階段的正確率通常會比第一階段的正確率高,這便是同伴間合作學習的結果。

例如,推送如下問題:

干涉產生自(    )

光波

聲波

水波

以上都是;

以上都不是

這個問題我很模糊

討論前,有 33% 的同學選 A , 67% 的同學選D 。

討論后,選 D 的同學提高到了 95% 。

充分說明通過同伴間的討論,學生對干涉有了正確的認識。

這種基于移動終端的 PI 教學法,深受學生喜愛。

此外,實時的統計數據也為教師的教提供了更有效的指向。

2.3  采用雙語教學，做好出國研讀準備

為拓寬學生的國際視野,每一位創新班學生都可獲得學校資助出國研讀半年至一年。

我們采用雙語授課,并穿插以國際著名大學的公開課視頻,讓學生及早接觸科技英語,為出國學習打好基礎。

2.4  開展學生團隊演講，增強學術研究意識

教師布置與教學內容相關的課題,學生自由組成團隊,查閱資料、合作探究,最終以 PPT 演講的形式向全班展示對問題的分析結果。

這種形式類似于學術研討會,臺下每位同學都可以進行評論和提問,氣氛十分熱烈。

在此過程中,學生感受到了學術研究的樂趣,增強了學術意識。

3  探索課程考核方式，改進學業評價

傳統的學業評價通常是“一張試卷定成績”,這顯然不能完全客觀地評價學生學業情況。

我們以“厚基礎、重創新”為導向,引入了多元化的課程考核模式。

課程總評成績由課內演講評分、課程論文評分、期末試卷分數、獎勵分數加權求和得到,如圖 4 所示。

其中課內演講由全班同學打分(除本演講團隊外),平均后就是該團隊每個成員此部分的得分。

獎勵分數是指在與物理學科有關的學術活動中獲獎的同學所獲得的加分。

這種多元化的學業評價模式更加注重過程性考核,有助于學生樹立正確的學習觀和考試觀,追尋學習的真諦。

4  結語

“為什么我們的學?？偸桥囵B不出杰出人才?”著名的“錢學森之問”促使我們反思中國的高等教育。

長期以來我們沒有按照培養科技發明創造人才的模式去教書育人,這是教育之殤。

近年來創新實驗班的開設為破解“錢學森之問”提供了“試驗田”。

在創新教育觀和創新人才觀下,我們對本校創新實驗班的大學物理課進行了深刻的改革,三年來的實踐結果表明學生的物理基礎、探究興趣、探究意識和創新能力都有了很大提升。

為在后續專業領域的發展奠定了堅實的基礎。

我們堅信,只要堅持創新教育模式,“冒”出杰出人才指日可待。

參考文獻

[ 1 ] 姜琳,王學水,李培森 . 以教學內容體系改革為核心,全面推進大學物理實驗精品課程建設[ J ] . 大學物理實驗, 2011 ,24 ( 1 ): 97-100.Jiang Lin , Wang Xueshui , Li Peisen.Promote the excellent course construction of college physics experiment by refor-ming its teaching contents system [ J ] .Physical Experiment of College , 2011 , 24 ( 1 ): 97-100. ( inChinese )

[ 2 ] 王彬 . 物理學前沿和普物教學[ J ] . 大學物理, 1993 , 12 ( 8 ):1-3.Wang Bin.Frontiers of physics and general physics teaching[ J ] .College Physics , 1993 , 12 ( 8 ): 1-3. (in Chinese )

[ 3 ] 張萍,涂清云,齊薇,等 . 基于同伴教學法的多元化評價模式研究—以大學物理課程為例[ J ] . 中國大學教學, 2013 ( 09 ):60-62.Zhang Ping , Tu Qingyun , Qi Wei , et al.Research on plu-ralistic evaluation model based on peer instruction teaching method — Taking college physics course as an example [ J ] .China University Teaching , 2013 , 09 : 60-62. ( in Chinese )

引文格式:郝會穎,趙長春,張自力,等 . 談創新教育視角下拔尖人才培養的載體、途徑和學業評價——以大學物理課程改革為例[ J ] . 物理與工程, 2017 ,27 ( 6 ): 90-94.

END

感謝《物理與工程》微信公眾號粉絲＂冬天＂友情制作。