谈创新教育视角下拔尖人才培养的载体、途径和学业评价 ——以大学物理课程改革为例

    本文发表在《物理与工程》2017年12月·第27卷·第6期


    作者:

    郝会颖   赵长春   张自力   吴秀文   邢 杰   李庚伟  高 禄

    田恩科  申 坤


在“创新驱动发展”的理念下,创新教育已被提升到战略层面。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010 — 2020 年)》中明确提出高等教育要着力培养本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才。物理学是一切自然科学的基础,其发展过程本身就是一个创新的过程。从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观,由光的微粒说到光的波动说再到光的波粒二象性,每一个物理规律的建立无不凝聚着创新思想与方法的智慧。因此,作为传授物理学基本概念和规律的大学物理课将为发展学生的创新能力,培养拔尖人才提供一个独特的平台。


中国地质大学(北京)于 2013 年开设本科创新实验班。在大一下学期从学校优势专业内选拔21 名具有培养潜力的学生,单独建班,采用 2+2培养模式,即前两年以基础课学习为主,不分专业,后两年分流自主选择专业和导师。这种人才培养特区的重要特色之一就是在低年级阶段集中进行较为“精”“深”“广”的数理化通识基础教育。本文以 3 年来创新实验班的大学物理课程改革为例,在创新教育视角下,谈谈拔尖人才培养的载体、途径及学业评价。

1  重构大学物理教学内容体系, 完善人才培养载体


教学内容是人才培养最为基本的载体,因此教学内容的改革是课程改革的核心,在某种程度上决定着教学模式的改革 [1] ,直接影响教学实效。创新实验班不同于普通班,其目标是培养基础扎实、视野开阔、创新能力强的地学领域的领军人才,传统的大学物理教学内容体系显然难以满足要求,需要对其进行重构。


我们的做法是把大学物理教学内容进行模块化,分为基础知识模块、前沿拓展模块和专业应用模块,如图 1 所示。其中基础知识模块是最为根本和重要的部分,为奠定学生扎实的物理基础提供了保障;物理前沿模块是对基础知识的拓展,为开阔学生视野、提升科学素质提供了空间;而专业应用模块是对基础知识的延伸,为促进学生物理知识及方法的迁移、后续专业课的学习乃至未来地学领域的研究提供了平台。

1.1 优化物理概念结构体系,渗透“四大力学”思想,夯实学生物理基础


在教学内容体系中概念结构体系是关键。长期以来我国大学物理课概念结构体系与高中物理体系基本相同,即高中物理是力、热、电、光、量子加上初等数学作为数学工具的概念体系,而大学物理是力、热、电、光、量子加上微积分作为数学工具的概念体系。除了所使用的数学工具不同,概念规律的描述方式基本相同,这就使得大学物理的概念体系高度不够,甚至造成有些教学内容与高中重复。此外,在内容安排上大多以基本规律和基本计算方法为主线,对于基本概念的核心地位、基本思想和研究方法以及物理理论的整体性不够重视。拔尖创新人才的培养目标之一就是要“厚基础”,这种传统的大学物理概念结构体系显然难以满足要求,因此需要进行优化。优化的原则是以某些重要的物理概念为核心贯穿该部分内容,使物理知识成为一个有机的整体。例如,对于力学中守恒定律部分,可以以对称性概念和思想为主线展开,由空间平移对称性引出动量守恒定律;由空间旋转对称性引出角动量守恒定律;由时间平移对称性导出能量守恒定律。对于电磁学部分,抓住场的“通量”与“环流”这两个概念,揭示电磁场的基本性质,最终由麦克斯韦方程组总结电磁学理论。


为达到“厚基础”的人才培养目标,在基础知识模块中还要适当渗透“四大力学”即“理论力学”“电动力学”“量子力学”和“热力学、统计物理”的思想,使学生能在相对较高的角度看待普通物理知识,从而夯实其物理基础。例如,在学习热力学系统在平衡状态下的物理性质时可以渗透特征函数的思想。让学生初步领会如果选取适当的独立变量,则只要知道一个热力学函数,就可以通过求偏导数来求出均匀系统其他的所有的热力学函数,从而确定均匀系统的物理性质。“四大力学”是在普通物理的基础上,从理论本身出发构建的完整的理论体系。这些基础理论中蕴含着丰富的思想方法,可进一步把学生对物质世界的感性认识提升到理性认识。适当渗透这种具有浓厚“物理味道”的思想方法不仅可以夯实学生的物理基础,而且对培养学生用物理的眼光看待问题、分析问题、解决问题也具有重要意义。

1.2  精选物理前沿模块,拓宽学生视野、提高学生科学素质


大学物理教学内容的主体是经典物理学。仅仅掌握经典物理学对于拔尖创新人才显然是远远不够的。时至今日,物理学仍然是一门生机勃勃的科学,不断涌现新理论、新技术,并推动整个科技的发展。了解这些前沿进展不仅可以拓宽学生的视野,更能提高学生的科学素质。物理前沿模块包括物理理论前沿进展及物理技术前沿进展。在纷繁众多的前沿进展中如何精选合适的内容是至关重要的。


首先,可依托近年来诺贝尔物理学奖的科学成就引入前沿进展内容。例如,2013 年诺贝尔物理学奖授予彼得· W ·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒两位物理学家,以表彰他们对希格斯玻色子所做的预测。希格斯玻色子被称为上帝粒子,是万物质量之源,颁发诺贝尔奖后被大量的新闻媒体所报道,讨论这种上帝粒子俨然成为一种“时尚”,学生对此表现出极大的兴趣和探究欲。这时,可以因势利导,通过介绍希格斯粒子的发现过程,定性地渗透标准模型、电弱对称性自发破缺等理论前沿进展。还比如,2014 年诺贝尔物理学奖授予了日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二,以表彰他们发明了蓝光 LED ,并因此带来的新型节能光源。由于媒体的大量宣传,“蓝光LED ”成为热 门话题。可以适时地向学生介绍LED 的基本原理、结构、真空技术、半导体掺杂技术等物理技术前沿进展。


其次,可以选择有深刻的“经典物理背景”的内容。例如,混沌现象是物理学前沿热点之一,但它确是根植于牛顿定律的基本课题 [2] 。学习完牛顿力学后,通常会存在这样的观念,即:一个物体在受力和初条件给定的情况下,这个物体在以后任意时刻的运动情况就完全确定了。然而现代物理学研究表明,对于一个非线性系统,由于对初值的极端敏感性,尽管受力是确定的,运动的未来也是不可预测的,物体的运动进入混沌状态。可以从三体问题出发,列举简单的例子,用普物风格定性地呈现给学生物体运动轨道是不可预测的,进而渗透混沌思想。

1.3  构建专业应用模块,促进学生物理知识的迁移能力


物理学在地学领域有着广泛的应用。但大学物理作为一门通识基础课通常较少涉及到地学应用。这种常规的做法显然不再适用于创新实验班的物理教学。构建专业应用模块,为后续专业课开窗口、留接口,促进学生物理知识的迁移。例如黑体辐射定律在遥感技术中的应用;偏光显微镜在矿物分析中的应用;利用人工或天然磁场在地球内部激发的电磁感应现象,研究地下由浅到深不同深度上地层的导电性结构,从而推测地球内部的演化过程,等等。

2  改革教学模式,优化人才培养途径


教学模式决定了人才培养途径。在创新教育视阈下,研究性学习应该是创新实验班教学的主旋律。研究性学习根植于建构主义理论,其本质在于知识的自主构建。为此应坚持以学生为中心,利用问题、情境、同伴、协作、讨论等要素充分发挥学生的积极性,最终实现学生对所学知识的自主构建,发展创新能力。

2.1  引入 PBL 模式,促进学生自主探究


PBL ( Problem-Basedlearning ,基于问题的学习)模式是以问题为中心,让学生围绕问题展开探究,最终在教师的帮助下获取知识,如图 2 所示。

显然在这样的模式下,学生所掌握的知识会更加牢固,因为知识的意义是自主构建的,不是灌输的。在知识的自主构建过程中学生分析问题和解决问题的能力显然也得到了锻炼。例如,学习热力学第二定律的微观意义时,可以提出这样的问题:“为什么气体不能自动压缩?”然后让学生进行小组讨论 。在教师的启发下,学生通过考察宏观状态与微观状态数的关系,自主构建“自然过程总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行,即沿着分子热运动的无序性增大的方向进行”的结论。

2.2  探索基于移动终端的 PI 教学法,促进学生合作学习


PI 教学法( PeerInstruction ,同伴教学法)是由美国哈佛大学 Mazur 教授发展起来的 [3] ,是一种非常有效的促进学生合作学习的教学方法。但由于每个同学都需要一个“clicker ”,给管理上带来了麻烦。为解决这个问题,我们利用学生手机终端替代 clicker ,与软件公司合作开发了手机APP :“中国地质大学(北京)物理课堂应答系统”, 并已投入使用。图 3 ( a )给出了基于移动终端的PI 教学法的流程图,图 3 ( b )是教师登录界面,图 3(c )是学生登录界面。

基本过程是:第一阶段:教师提出问题,学生用手机发送答案,系统给出统计结果;第二阶段:邻座同学间进行辩论后,再重新发送自己认为正确的答案,系统再次给出统计结果;第三阶段:教师根据统计数据诊断学生对概念的理解,及时调整教学。通过反复的实验发现,第二阶段的正确率通常会比第一阶段的正确率高,这便是同伴间合作学习的结果。


例如,推送如下问题:

干涉产生自(    )

A. 光波

B. 声波

C. 水波

D. 以上都是;

E. 以上都不是

F. 这个问题我很模糊

讨论前,有 33% 的同学选 A , 67% 的同学选D 。讨论后,选 D 的同学提高到了 95% 。充分说明通过同伴间的讨论,学生对干涉有了正确的认识。这种基于移动终端的 PI 教学法,深受学生喜爱。此外,实时的统计数据也为教师的教提供了更有效的指向。

2.3  采用双语教学,做好出国研读准备


为拓宽学生的国际视野,每一位创新班学生都可获得学校资助出国研读半年至一年。我们采用双语授课,并穿插以国际著名大学的公开课视频,让学生及早接触科技英语,为出国学习打好基础。

2.4  开展学生团队演讲,增强学术研究意识


教师布置与教学内容相关的课题,学生自由组成团队,查阅资料、合作探究,最终以 PPT 演讲的形式向全班展示对问题的分析结果。这种形式类似于学术研讨会,台下每位同学都可以进行评论和提问,气氛十分热烈。在此过程中,学生感受到了学术研究的乐趣,增强了学术意识。

3  探索课程考核方式,改进学业评价


传统的学业评价通常是“一张试卷定成绩”,这显然不能完全客观地评价学生学业情况。我们以“厚基础、重创新”为导向,引入了多元化的课程考核模式。课程总评成绩由课内演讲评分、课程论文评分、期末试卷分数、奖励分数加权求和得到,如图 4 所示。

其中课内演讲由全班同学打分(除本演讲团队外),平均后就是该团队每个成员此部分的得分。奖励分数是指在与物理学科有关的竞赛中获奖的同学所获得的加分。这种多元化的学业评价模式更加注重过程性考核,有助于学生树立正确的学习观和考试观,追寻学习的真谛。

4  结语


“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”著名的“钱学森之问”促使我们反思中国的高等教育。长期以来我们没有按照培养科技发明创造人才的模式去教书育人,这是教育之殇。近年来创新实验班的开设为破解“钱学森之问”提供了“试验田”。在创新教育观和创新人才观下,我们对本校创新实验班的大学物理课进行了深刻的改革,三年来的实践结果表明学生的物理基础、探究兴趣、探究意识和创新能力都有了很大提升。为在后续专业领域的发展奠定了坚实的基础。我们坚信,只要坚持创新教育模式,“冒”出杰出人才指日可待。


参考文献

[ 1 ] 姜琳,王学水,李培森 . 以教学内容体系改革为核心,全面推进大学物理实验精品课程建设[ J ] . 大学物理实验, 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 . 物理学前沿和普物教学[ J ] . 大学物理, 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 ] 张萍,涂清云,齐薇,等 . 基于同伴教学法的多元化评价模式研究—以大学物理课程为例[ J ] . 中国大学教学, 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:郝会颖,赵长春,张自力,等 . 谈创新教育视角下拔尖人才培养的载体、途径和学业评价——以大学物理课程改革为例[ J ] . 物理与工程, 2017 ,27 ( 6 ): 90-94.

END

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