介绍一种大学物理的创新教育与研究式学习模式

大学物理创新教育与研究式学习模式的研究与实践华中科技大学李元杰清华大学（2004年客聘）北京理工大学北京交通大学（2004年客聘）北京航空航天大学（2005年客聘）北京科技大学（2005年客聘）上海华东理工大学（2006年客聘）一、落实创新教育的三个重要举措二、建立科学规范的课程教学过程三、全面培养学生的科学素质四、构建研究式学习模式五、学生成果举例展示六、创新教育与研究式学习是一项综合教育工程创新教育与研究式学习模式的探索与实践一、落实创新教育的三个重要举措基本思路（1）讲知识、讲思想、讲方法三者并重；（教材体系内容的改革）（2）授之工具、传之方法，在教师指导下学生自主与研究式学习；（学习模式、训练方式与考试方法的改革）（3）加强大物理的教学，加强物理空间与图像的教学，加强能量观点的教学，注重知识的整体结构。（教学方法的改革）具体落实：抓“生成元”基础，抓素质能力的培养，抓知识的拓展与转移，抓研究式学习。讲思想：九个原理二十性稳定性原理、对称性原理、（哈密顿原理、相对性原理、等效原理、等概率原理）叠加原理、普适性原理、对应原理；（1）对称性（2）稳定性（3）等效性（4）对偶性（5）不定性（6）方向性（7）临界性（8）相干性（9）非定域性（10）退相干性创新基础知识有效方法科学思维掌握知识获取能力授之工具传之方法研究式学习大物理与小物理整体知识结构能量与整体结构物理空间与图象介绍平台与训练题如何讲授大物理（11）二象性（12）对易性（13）叠加性（14）普适性（15）不可预见性（16）手征性（17）随机性（18）相对性（19）因果性（20）正交归一完备性讲方法介绍基本研究方法40种力学（7）：对称性方法（守恒律）、稳定性方法（能量建模）、动力学方法（连续性、相对性）、等效性方法（引入惯性力）、矢量空间法（微分合成分解展开）、相空间法（能动量-坐标参数空间）、科学计算与模拟法（振动与波）；相对论（4）：公式法（洛仑兹变换）、不变量法（时空效应）、实例法、几何法；电磁学（5）：叠加原理与实验定律（库仑定律毕-沙定律）结合法、叠加原理与边界确定内部整体性质定律（高斯定理安培环路定理）结合法、标势叠加求场法、计算机作图与模拟法（场线与等势线面绘制偶极辐射）、动力学法（矢量场微分）；光学（6）：光程差法（等厚与等倾薄膜干涉）、半波带法（夫琅和费单缝与菲涅耳圆孔衍射）、矢量法（光栅衍射）、数值积分法（夫琅和费圆孔衍射与爱里斑）、计算模拟法（圆振动与线振动的合成分解）、惠更斯菲涅耳原理与波前作图法（双折射）；量子论（8）：半经典半量子方法、测不准关系与索末菲量子化条件法、矢量空间法（态矢量本征态与叠加态）、矩阵法（波函数与力学量本征方程）、微扰法、作图法（等概率密度面）、动力学法（解薛定方程）、统计平均法（平均值）；热物理（7）：唯象法（热力学四定律）、相空间法（P-V-T相图，空间，空间）、状态量与过程量的计算法（内能熵，热容量功）、函数积分法、分布函数法、分子动力学方法、计算模拟法；非线性现象（5）：相空间微扰法（单摆）、线性微扰法（布鲁塞尔振子）、李亚普诺夫指数法、混沌同步控制法、不变分布法。二、建立科学规范的课程教学过程在创新教育的理念中，一门课程的科学完整的教学过程应包括传授知识、应用知识和探求未知三个环节及与其配套的训练与考核。在我国现行的课程教学体系中，传授知识成为主体或全部，应用知识方面主要表现为简单直接应用或知识性、技巧性应用，并且大多采用学院式的习题训练来完成，缺少研究型、综合型与实用性的应用，缺少对知识的拓展与转移能力的训练，至于探求未知就显得更加薄弱。这是我国高等基础教育存在的一个问题，如何在教学理念与方法上改变这一现状，近年来许多教师都做出了不少努力。例如，南京大学卢德馨教授，他在引导学生研究式学习方面取得了突出的成果和宝贵经验，然而要从根本上彻底解决这一问题，必须在课程教学中建立一个科学规范的教学过程，使更多的基础课教师在课程教学中切实认真完成传授知识、应用知识和探求未知三个教学环节。要通过具体措施落实：（1）授课教案体现三个环节：传授知识、应用知识、探究知识；（2）教学实施体现三个原则：教学方法多样化，学习模式（干、学组合）多样化，交互方式（师、生、机（网）互动）多样化。三、全面培养学生的科学素质（1）现代科学素质三要素：理论思维、实践技能、科学计算与模拟；（2）高度重视解析与数值计算模拟的现代综合训练。具体落实：与解析方法结合，引入计算机的数值计算与模拟功能，系统训练与严格要求。（1）提供研究式学习平台-学生用计算模拟软件平台；（VC++与OpenGL结合，适于理工类多学科）（2）新编写120多道研究式学习训练题，与传统习题大不一样，没有统一答案，没有最好的答案，有较大的知识拓展与转移空间，体现知识的整体结构；（3）把研究式学习纳入开卷考试的教学环节，提出三个超越：超越教材、超越教师、超越自己，以保证教学意图的实现。四、研究式学习模式我们9年来的多次反复实践，已收到较显著的效果。五、学生成果举例展示多年积累学生完成研究模型数万个，论文万余篇，大大丰富规范化多样化平台化网络化学生自主研究式的学习多样化的教学方法与学、干结合方式科学规范的课程教学过程，教材与习题建设提供研究式学习的专题与工具教师指导实现知识的拓展转移与创新网上教学媒体资源及网上交互与管理了基础物理教学的内容，成为我们推动物理教学改革的巨大动力。我们在力学、热统学、电磁学、光学、量子论和非线性教学内容中都有重要的突破，都是来自于学生的创新成果，而且与时俱进地持续发展。2000年湖北省大学生优秀科研论文评奖赛，华中科技大5名一等奖中有三名是CCBP班的学生陈恒、袁浚菘（声音保密）和何军(光学混沌同步控制);2002年CCBP班学生孙翊、贾文川的模拟机器人获省二等奖，2003年获全国大学生挑战杯二等奖；2003年CCBP班学生李春辉的论文《Four-photon,five-dimensionalentanglementforquantumcommunication》获省一等奖2005年清华大学有一批学生的优秀论文将陆续整理发表吴雪兵、柳玉倩、李青山、李长城、孙之杰等大多数学生能做到基于基础知识的创新：知识的拓展与转移，知识的拓展与转移是最基本的创新能力六、创新教育与研究式学习是一个综合教育工程，它需要领导及管理层教育理念的转变和政策导向的落实，需要各学科的协调与合作，需要整个教育思想、教学计划的科学化，这是高等基础教育落实党中央的科学发展观思想的重要体现，教育、管理、政治都要为科学发展服务，用邓小平的话讲：这是一个硬道理。高等教育的科学发展在目前有三个急需解决的问题：1、正确认识人才的差异性与人才难得；2、抓住机遇，全面引入计算机的计算、模拟、智能判断功能与技术，从根本上推动高校基础教育的发展；3、希望我们的高校能多留给学生一些思考问题的时间，不要把课程排得太多太满！目前的状况令人担忧！！长此下去，对人才成长极为不利！！！谢谢各位！一、项目的背景情况前期工作1．编写了一套具有现代感和信息化的新型基础物理教材＜大学物理学CCBP＞，该教材是与北京大学陆果教授合作编著的，2002年列入国家十五规划教材并由高等教育出版社2003年十月出版；2．研制了一整套内容丰富、形式多样、设计创新的提供学生自主式，研究式学习的教学资源，包括：＜大学物理CCBP教学光盘＞、＜JAVA学件180例＞、＜基础物理典型模型三百例＞及C++语言物理模型200例（大部分已正式出版）；3．研制设计了一套网络电子版的基础物理教材（也是国家新世纪工程项目，包括Flash动画120个），已通过国家验收，即将出版。4.创造了一套系统的培养学生创新能力的教学方法和训练模式，发表了教学研究论文十多篇，其中一篇获全国首届大学物理优秀教学研究论文一等奖。5．2001年在华中科技大学成立了＜大学物理CCBP课程组＞，2001-2003年每学年在华中科技大学五个院系1500名学生中进行规模化的教学实践并取得了丰硕的成果，学生的优秀作品和论文有的获得省大学生优秀论文一、二等奖。有的在国外SCI重要物理期刊上发表。教育部教材发展研究所资助立项2004-2005年我在北京五所高校各办了一个试点班，学生总人数达到900多名，在高等教育出版社刘志鹏社长亲自关心和教育部教材发展研究所直接资助下，我和清华大学吴念乐教授、王怀玉教授联合申请立项，重点研究与探索如何把研究式学习模式科学化、规范化和实用化。经过一年多努力，已取得较显著的效果，项目合同的三项指标已完成两项，数字化媒体光盘也可如期整理完成，这次报告会是向各位领导和专家汇报我们的工作及主要的观点与做法，同时举办清华大学与华中科技大学试点班学生的工作成果作品展，希望得到各位的批评指正。六、创新教育平台介绍（办班培训教师3-5天）1、VC++与OpenGL（三维、透视、光照、材质）结合；2、使用加减法与掌握三部曲：（1）记事本（Release/demo1.set）里设计界面和修改参数范围；（2）头文件（Dlldef.h）中选输出函数；（3）样例中复制所需语句表示；（4）设置（S_SetParameter）中复制滑动条参数；（5）重视实践多上机，先学后干、边学边干、先干后学兼而有之；（6）重点放在（S_Picture1）：掌握三部曲，变量定义、循环计算、结果输出。3、安装操作（上机练习实践）。