談創(chuàng)新教育視角下拔尖人才培養(yǎng)的載體、途徑和學(xué)業(yè)評(píng)價(jià) ——以大學(xué)物理課程改革為例

在“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”的理念下,創(chuàng)新教育已被提升到戰(zhàn)略層面。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010 — 2020 年)》中明確提出高等教育要著力培養(yǎng)本領(lǐng)過硬的高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才。

物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ),其發(fā)展過程本身就是一個(gè)創(chuàng)新的過程。

從牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀到愛因斯坦的相對(duì)時(shí)空觀,由光的微粒說到光的波動(dòng)說再到光的波粒二象性,每一個(gè)物理規(guī)律的建立無(wú)不凝聚著創(chuàng)新思想與方法的智慧。

因此，作為傳授物理學(xué)基本概念和規(guī)律的大學(xué)物理課將為發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力,培養(yǎng)拔尖人才提供一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)于 2013 年開設(shè)本科創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班。

在大一下學(xué)期從學(xué)校優(yōu)勢(shì)專業(yè)內(nèi)選拔21 名具有培養(yǎng)潛力的學(xué)生,單獨(dú)建班,采用 2+2培養(yǎng)模式,即前兩年以基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)為主,不分專業(yè),后兩年分流自主選擇專業(yè)和導(dǎo)師。

這種人才培養(yǎng)特區(qū)的重要特色之一就是在低年級(jí)階段集中進(jìn)行較為“精”“深”“廣”的數(shù)理化通識(shí)基礎(chǔ)教育。

本文以 3 年來創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班的大學(xué)物理課程改革為例,在創(chuàng)新教育視角下,談?wù)劙渭馊瞬排囵B(yǎng)的載體、途徑及學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)。

1  重構(gòu)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容體系, 完善人才培養(yǎng)載體

教學(xué)內(nèi)容是人才培養(yǎng)最為基本的載體,因此教學(xué)內(nèi)容的改革是課程改革的核心,在某種程度上決定著教學(xué)模式的改革 [1] ,直接影響教學(xué)實(shí)效。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班不同于普通班,其目標(biāo)是培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、視野開闊、創(chuàng)新能力強(qiáng)的地學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才,傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容體系顯然難以滿足要求,需要對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)。

我們的做法是把大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化,分為基礎(chǔ)知識(shí)模塊、前沿拓展模塊和專業(yè)應(yīng)用模塊,如圖 1 所示。

其中基礎(chǔ)知識(shí)模塊是最為根本和重要的部分,為奠定學(xué)生扎實(shí)的物理基礎(chǔ)提供了保障;物理前沿模塊是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的拓展,為開闊學(xué)生視野、提升科學(xué)素質(zhì)提供了空間;而專業(yè)應(yīng)用模塊是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的延伸,為促進(jìn)學(xué)生物理知識(shí)及方法的遷移、后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)乃至未來地學(xué)領(lǐng)域的研究提供了平臺(tái)。

1.1 優(yōu)化物理概念結(jié)構(gòu)體系,滲透“四大力學(xué)”思想,夯實(shí)學(xué)生物理基礎(chǔ)

在教學(xué)內(nèi)容體系中概念結(jié)構(gòu)體系是關(guān)鍵。

長(zhǎng)期以來我國(guó)大學(xué)物理課概念結(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)作為數(shù)學(xué)工具的概念體系,而大學(xué)物理是力、熱、電、光、量子加上微積分作為數(shù)學(xué)工具的概念體系。

除了所使用的數(shù)學(xué)工具不同,概念規(guī)律的描述方式基本相同,這就使得大學(xué)物理的概念體系高度不夠,甚至造成有些教學(xué)內(nèi)容與高中重復(fù)。

此外,在內(nèi)容安排上大多以基本規(guī)律和基本計(jì)算方法為主線,對(duì)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(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)之一就是要“厚基礎(chǔ)”,這種傳統(tǒng)的大學(xué)物理概念結(jié)構(gòu)體系顯然難以滿足要求,因此需要進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化的原則是以某些重要的物理概念為核心貫穿該部分內(nèi)容,使物理知識(shí)成為一個(gè)有機(jī)的整體。

例如,對(duì)于力學(xué)中守恒定律部分,可以以對(duì)稱性概念和思想為主線展開,由空間平移對(duì)稱性引出動(dòng)量守恒定律;由空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性引出角動(dòng)量守恒定律;由時(shí)間平移對(duì)稱性導(dǎo)出能量守恒定律。

對(duì)于電磁學(xué)部分,抓住場(chǎng)的“通量”與“環(huán)流”這兩個(gè)概念,揭示電磁場(chǎng)的基本性質(zhì),最終由麥克斯韋方程組總結(jié)電磁學(xué)理論。

為達(dá)到“厚基礎(chǔ)”的人才培養(yǎng)目標(biāo),在基礎(chǔ)知識(shí)模塊中還要適當(dāng)滲透“四大力學(xué)”即“理論力學(xué)”“電動(dòng)力學(xué)”“量子力學(xué)”和“熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理”的思想,使學(xué)生能在相對(duì)較高的角度看待普通物理知識(shí),從而夯實(shí)其物理基礎(chǔ)。

例如,在學(xué)習(xí)熱力學(xué)系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的物理性質(zhì)時(shí)可以滲透特征函數(shù)的思想。

讓學(xué)生初步領(lǐng)會(huì)如果選取適當(dāng)?shù)莫?dú)立變量,則只要知道一個(gè)熱力學(xué)函數(shù),就可以通過求偏導(dǎo)數(shù)來求出均勻系統(tǒng)其他的所有的熱力學(xué)函數(shù),從而確定均勻系統(tǒng)的物理性質(zhì)。

“四大力學(xué)”是在普通物理的基礎(chǔ)上,從理論本身出發(fā)構(gòu)建的完整的理論體系。

這些基礎(chǔ)理論中蘊(yùn)含著豐富的思想方法,可進(jìn)一步把學(xué)生對(duì)物質(zhì)世界的感性認(rèn)識(shí)提升到理性認(rèn)識(shí)。

適當(dāng)滲透這種具有濃厚“物理味道”的思想方法不僅可以夯實(shí)學(xué)生的物理基礎(chǔ),而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)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(xué)生視野、提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)

大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的主體是經(jīng)典物理學(xué)。

僅僅掌握經(jīng)典物理學(xué)對(duì)于拔尖創(chuàng)新人才顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

時(shí)至今日,物理學(xué)仍然是一門生機(jī)勃勃的科學(xué),不斷涌現(xiàn)新理論、新技術(shù),并推動(dòng)整個(gè)科技的發(fā)展。

了解這些前沿進(jìn)展不僅可以拓寬學(xué)生的視野,更能提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。

物理前沿模塊包括物理理論前沿進(jìn)展及物理技術(shù)前沿進(jìn)展。

在紛繁眾多的前沿進(jìn)展中如何精選合適的內(nèi)容是至關(guān)重要的。

首先,可依托近年來諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)成就引入前沿進(jìn)展內(nèi)容。

例如,2013 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予彼得· W ·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒兩位物理學(xué)家,以表彰他們對(duì)希格斯玻色子所做的預(yù)測(cè)。

希格斯玻色子被稱為上帝粒子,是萬(wàn)物質(zhì)量之源,頒發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)后被大量的新聞媒體所報(bào)道,討論這種上帝粒子儼然成為一種“時(shí)尚”,學(xué)生對(duì)此表現(xiàn)出極大的興趣和探究欲。

這時(shí),可以因勢(shì)利導(dǎo),通過介紹希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)過程,定性地滲透標(biāo)準(zhǔn)模型、電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺等理論前沿進(jìn)展。

還比如,2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學(xué)家中村修二,以表彰他們發(fā)明了藍(lán)光 LED ,并因此帶來的新型節(jié)能光源。

由于媒體的大量宣傳,“藍(lán)光LED ”成為熱 門話題。

可以適時(shí)地向?qū)W生介紹LED 的基本原理、結(jié)構(gòu)、真空技術(shù)、半導(dǎo)體摻雜技術(shù)等物理技術(shù)前沿進(jìn)展。

其次,可以選擇有深刻的“經(jīng)典物理背景”的內(nèi)容。

例如,混沌現(xiàn)象是物理學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)之一,但它確是根植于牛頓定律的基本課題 [2] 。

學(xué)習(xí)完牛頓力學(xué)后,通常會(huì)存在這樣的觀念,即:一個(gè)物體在受力和初條件給定的情況下,這個(gè)物體在以后任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況就完全確定了。

然而現(xiàn)代物理學(xué)研究表明,對(duì)于一個(gè)非線性系統(tǒng),由于對(duì)初值的極端敏感性,盡管受力是確定的,運(yùn)動(dòng)的未來也是不可預(yù)測(cè)的,物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入混沌狀態(tài)。

可以從三體問題出發(fā),列舉簡(jiǎn)單的例子,用普物風(fēng)格定性地呈現(xiàn)給學(xué)生物體運(yùn)動(dòng)軌道是不可預(yù)測(cè)的,進(jìn)而滲透混沌思想。

1.3  構(gòu)建專業(yè)應(yīng)用模塊,促進(jìn)學(xué)生物理知識(shí)的遷移能力

物理學(xué)在地學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

但大學(xué)物理作為一門通識(shí)基礎(chǔ)課通常較少涉及到地學(xué)應(yīng)用。

這種常規(guī)的做法顯然不再適用于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班的物理教學(xué)。

構(gòu)建專業(yè)應(yīng)用模塊,為后續(xù)專業(yè)課開窗口、留接口,促進(jìn)學(xué)生物理知識(shí)的遷移。

例如黑體輻射定律在遙感技術(shù)中的應(yīng)用;偏光顯微鏡在礦物分析中的應(yīng)用;利用人工或天然磁場(chǎng)在地球內(nèi)部激發(fā)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,研究地下由淺到深不同深度上地層的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu),從而推測(cè)地球內(nèi)部的演化過程,等等。

2  改革教學(xué)模式，優(yōu)化人才培養(yǎng)途徑

教學(xué)模式?jīng)Q定了人才培養(yǎng)途徑。

在創(chuàng)新教育視閾下,研究性學(xué)習(xí)應(yīng)該是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班教學(xué)的主旋律。

研究性學(xué)習(xí)根植于建構(gòu)主義理論,其本質(zhì)在于知識(shí)的自主構(gòu)建。

為此應(yīng)堅(jiān)持以學(xué)生為中心,利用問題、情境、同伴、協(xié)作、討論等要素充分發(fā)揮學(xué)生的積極性,最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的自主構(gòu)建,發(fā)展創(chuàng)新能力。

2.1  引入 PBL 模式，促進(jìn)學(xué)生自主探究

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

顯然在這樣的模式下,學(xué)生所掌握的知識(shí)會(huì)更加牢固,因?yàn)橹R(shí)的意義是自主構(gòu)建的,不是灌輸?shù)摹?/p>

在知識(shí)的自主構(gòu)建過程中學(xué)生分析問題和解決問題的能力顯然也得到了鍛煉。

例如,學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律的微觀意義時(shí),可以提出這樣的問題:“為什么氣體不能自動(dòng)壓縮?”然后讓學(xué)生進(jìn)行小組討論 。

在教師的啟發(fā)下,學(xué)生通過考察宏觀狀態(tài)與微觀狀態(tài)數(shù)的關(guān)系,自主構(gòu)建“自然過程總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向熱力學(xué)概率大的狀態(tài)進(jìn)行,即沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行”的結(jié)論。

2.2  探索基于移動(dòng)終端的 PI 教學(xué)法,促進(jìn)學(xué)生合作學(xué)習(xí)

PI 教學(xué)法( PeerInstruction ,同伴教學(xué)法)是由美國(guó)哈佛大學(xué) Mazur 教授發(fā)展起來的 [3] ,是一種非常有效的促進(jìn)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。

但由于每個(gè)同學(xué)都需要一個(gè)“clicker ”,給管理上帶來了麻煩。

為解決這個(gè)問題,我們利用學(xué)生手機(jī)終端替代 clicker ,與軟件公司合作開發(fā)了手機(jī)APP :“中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)物理課堂應(yīng)答系統(tǒng)”, 并已投入使用。

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

基本過程是:第一階段:教師提出問題,學(xué)生用手機(jī)發(fā)送答案,系統(tǒng)給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果;第二階段:鄰座同學(xué)間進(jìn)行辯論后,再重新發(fā)送自己認(rèn)為正確的答案,系統(tǒng)再次給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果;第三階段:教師根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)診斷學(xué)生對(duì)概念的理解,及時(shí)調(diào)整教學(xué)。

通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),第二階段的正確率通常會(huì)比第一階段的正確率高,這便是同伴間合作學(xué)習(xí)的結(jié)果。

例如,推送如下問題:

干涉產(chǎn)生自(    )

光波

聲波

水波

以上都是;

以上都不是

這個(gè)問題我很模糊

討論前,有 33% 的同學(xué)選 A , 67% 的同學(xué)選D 。

討論后,選 D 的同學(xué)提高到了 95% 。

充分說明通過同伴間的討論,學(xué)生對(duì)干涉有了正確的認(rèn)識(shí)。

這種基于移動(dòng)終端的 PI 教學(xué)法,深受學(xué)生喜愛。

此外,實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也為教師的教提供了更有效的指向。

2.3  采用雙語(yǔ)教學(xué)，做好出國(guó)研讀準(zhǔn)備

為拓寬學(xué)生的國(guó)際視野,每一位創(chuàng)新班學(xué)生都可獲得學(xué)校資助出國(guó)研讀半年至一年。

我們采用雙語(yǔ)授課,并穿插以國(guó)際著名大學(xué)的公開課視頻,讓學(xué)生及早接觸科技英語(yǔ),為出國(guó)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

2.4  開展學(xué)生團(tuán)隊(duì)演講，增強(qiáng)學(xué)術(shù)研究意識(shí)

教師布置與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的課題,學(xué)生自由組成團(tuán)隊(duì),查閱資料、合作探究,最終以 PPT 演講的形式向全班展示對(duì)問題的分析結(jié)果。

這種形式類似于學(xué)術(shù)研討會(huì),臺(tái)下每位同學(xué)都可以進(jìn)行評(píng)論和提問,氣氛十分熱烈。

在此過程中,學(xué)生感受到了學(xué)術(shù)研究的樂趣,增強(qiáng)了學(xué)術(shù)意識(shí)。

3  探索課程考核方式，改進(jìn)學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)通常是“一張?jiān)嚲矶ǔ煽?jī)”,這顯然不能完全客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)業(yè)情況。

我們以“厚基礎(chǔ)、重創(chuàng)新”為導(dǎo)向,引入了多元化的課程考核模式。

課程總評(píng)成績(jī)由課內(nèi)演講評(píng)分、課程論文評(píng)分、期末試卷分?jǐn)?shù)、獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)加權(quán)求和得到,如圖 4 所示。

其中課內(nèi)演講由全班同學(xué)打分(除本演講團(tuán)隊(duì)外),平均后就是該團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員此部分的得分。

獎(jiǎng)勵(lì)分?jǐn)?shù)是指在與物理學(xué)科有關(guān)的學(xué)術(shù)活動(dòng)中獲獎(jiǎng)的同學(xué)所獲得的加分。

這種多元化的學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)模式更加注重過程性考核,有助于學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀和考試觀,追尋學(xué)習(xí)的真諦。

4  結(jié)語(yǔ)

“為什么我們的學(xué)校總是培養(yǎng)不出杰出人才?”著名的“錢學(xué)森之問”促使我們反思中國(guó)的高等教育。

長(zhǎng)期以來我們沒有按照培養(yǎng)科技發(fā)明創(chuàng)造人才的模式去教書育人,這是教育之殤。

近年來創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班的開設(shè)為破解“錢學(xué)森之問”提供了“試驗(yàn)田”。

在創(chuàng)新教育觀和創(chuàng)新人才觀下,我們對(duì)本校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班的大學(xué)物理課進(jìn)行了深刻的改革,三年來的實(shí)踐結(jié)果表明學(xué)生的物理基礎(chǔ)、探究興趣、探究意識(shí)和創(chuàng)新能力都有了很大提升。

為在后續(xù)專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我們堅(jiān)信,只要堅(jiān)持創(chuàng)新教育模式,“冒”出杰出人才指日可待。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 姜琳,王學(xué)水,李培森 . 以教學(xué)內(nèi)容體系改革為核心,全面推進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)精品課程建設(shè)[ J ] . 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 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(xué)前沿和普物教學(xué)[ J ] . 大學(xué)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(xué)法的多元化評(píng)價(jià)模式研究—以大學(xué)物理課程為例[ J ] . 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 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(huì)穎,趙長(zhǎng)春,張自力,等 . 談創(chuàng)新教育視角下拔尖人才培養(yǎng)的載體、途徑和學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)——以大學(xué)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(hào)粉絲＂冬天＂友情制作。