大学物理波动光学总结范文1
摘要:
物理概念作为物理学知识体系的支柱，对其理解和掌握的程度直接影响到教学质量。对物理概念教学的实施原则和方式进行了探讨:实施要求在知识传授过程中不仅仅停留在概念本身，更需要从物理概念的需求背景、本质内涵和外延、适用范围、缺陷和改进等诸多方面进行讲解，使学生形成一个完整清晰的物理图像。实施方式要求创造好的学习环境来激发学生的兴趣以及调动学生的主观能动性和创造力。通过有效启发学生的思考，并使其受到科学精神的感染，达到有效理解和掌握物理概念的目的。
关键词:
物理学概念;科学素质;科学精神;教学方法;教学效果
物理学是研究宇宙中存在的各种基本物质结构及其运动和相互作用规律的学科，是人类认识自然和改造自然的工具。大学开设的物理基础课，可培养学生的科学素质和品质，也为后续专业课程学习奠定基础［1］。物理基本概念用于概括、归纳、表述事物变化的基本规律，是学科基础，对其深入学习可培养学生物理学的研究方法和思维［2］。
1物理概念教学的意义
通过向学生传授基础物理知识，培养学生基本的物理思维能力、科学品质以及物理学研究方法［3］。物理学概念(包括原理、定理、定律)是针对学科发展需要，在实验和理论基础上，通过反复的概括、抽象和归纳得到的，体现了学科的思维和发展方向，相应的学习和掌握至关重要［2］。
1．1培养解决和分析问题的能力
物理概念是物理学发展的支柱，任何一门物理学分支的发展都离不开特有物理概念的引入。如力学的发展，离不开力、力矩、动量、能量等基本物理概念的支撑。为了描述阻止物体的力，引入摩擦力，根据物体运动方式不同，又分为滚动和滑动摩擦力;为了研究物体的形变特性，引入了压力、剪切力等概念［4］。
1．2培养物理学的辩证和统一研究思维
有些物理概念是矛盾的结合体，如光的本质，即“波粒二象性”，对其认识一波三折。最早笛卡尔、牛顿的微粒学说，成功解释了光的直线传播现象。。“牛顿环”体现了光的波动性，却以微粒和以太进行解释。随着托马斯•杨干涉、菲涅耳衍射、麦克斯韦电磁场理论研究，以及赫兹(Hertz)对光的电磁波本质实验证明，人们逐步接受了光的波动性。直到19世纪末，在光电效应研究基础上，爱因斯坦提出了光的“波粒二象性”［5］，为新学说奠定了基础，如康普顿效应，德布罗意物质波、测不准原理、薛定谔波动方程等。
1．3培养融会贯通、触类旁通能力
很多物理概念会经历提出、实验或理论证实，逐步推广和深化，甚至扩展到其他领域的过程。这说明该概念的思维反映事物本质，精确描述了对象特征。如热学里“熵”概念，最先由克劳修斯(Clausius)基于描述热机循环状态的需要而提出，后来分子运动论将其解释为不可逆热力学过程是趋向于概论增加的态变化(波耳兹曼熵)。经过多年沉淀，又被控制论、数论、概率论、生命科学、天体物理等领域引入并应用，说明其思维方式被认同［6］。教学中可以把熵作为专题进行讲解，从不同学科集中阐述物理思维。
2物理概念教学的方法
大学物理学的教学目的如下:
1)通过掌握基础物理知识，为学习后续专业知识打好基础;
2)全面了解物理学研究方法、基本概念、物理图像以及历史渊源、发展等;
3)培养和提高大学生科学素质、思想、品质、精神等，通过了解科学发展的曲折和艰辛，科学研究的合作和乐趣等，培养学生科学思维方法、求真务实的科学品格，使其初步具备科学研究能力［1，7］。下面结合物理学特点以及教育理论和实践，对物理概念教学方法进行探讨。
2．1引入物理概念背景的教育需求
介绍物理学概念背景帮助学生充分理解概念引入的意义和作用。在此基础上，设计问题引导学生进行自我思考，如:若你们在此背景下引入新概念，应该采用什么概念来描述物质特性或规律，它与现有概念相比有哪些优缺点?通过学生的深入思考和讨论，使其充分认识和理解所引物理学概念的意义和重要性。这也是启发式教学的常用方式［8］。如讲解微粒比表面时，根据背景提问:对于一个物体而言，表面原子存在大量断键而很不稳定，表现为较强活性，是不是体积越大活性越强?通过讨论发现单纯的体积特征不合理，体积越大，内部包含原子数越多。进一步提问:如何描述微粒活性，并进行相应对比?这会激发学生的兴趣，出现类似单位质量的物质表面等答案。最后，指出微观粒子的尺寸效应最为重要，引出单位体积的表面积概念，即比表面积。
2．2讲清物理概念的本质内涵和外延物理概念的发展
体现在内涵不断丰富和外延在不同领域的扩展。温度概念的发展就体现了内涵的丰富，从表征“环境的冷热程度”到“分子平均平动动能的量度”，再到“物体内部分子的无规则热运动剧烈程度”，最后推广到“粒子集居数的反转现象”，也就是“系统处于总能量高于平均能量的状态”，并提出负温度的概念。折射率的概念则体现了其外延的扩展，最初表征不同材料之间的偏折，后表征传播速度。其实光传输的速度决定于材料原子之间电场的大小，也体现了原子结合力的高低，所以所承载的外延信息很多，包括光学、原子物理以及物质结构等不同学科。。
2．3循序渐进和系统性的教学
有些概念贯穿于整个物理学体系中，需要多学科的共同学习才能深入和系统地认识。以物理学中极其重要的“场”的概念为例，最先由法拉第(Faraday)基于电磁相互作用的超距观点提出并进行直观描述;随后麦克斯韦从数学上推导了电场和磁场强度的波动方程，深刻地阐述了电磁场能量的分布［9］;列别捷夫(Lebedev)通过对光压的观测证明了电磁场动量特性;爱因斯坦狭义相对论的创立，证明场是物质存在的一种形式，具有能量、动量和质量;量子力学体现了场的“波粒二象性”;电磁场量子理论证明光子是电磁场的基本微粒，可与正负电子对相互转化，具有实物转化性，丰富了场的物理本质和内涵［10］。“场”在电磁学、力学、相对论、量子力学等领域都有体现。。
2．4引入必要的物理学史教育
物理学的发展过程是科学家为了解决自然界遇到的新问题而不断探索的过程，所提物理概念是对所描述对象的高度概括［11］。新概念的提出、完善和修正需要科学检验和论证，错误的被或修正，正确的被采用或推广，这体现了物理学思维方式。结合物理学史，对成功或失败的物理概念进行分析和对比，有助于培养学生理性思维。成功实例:原子物理中“紫外灾难”催生了普朗克(planck)的量子概念，后来爱因斯坦的光量子说，成功地解释了光电效应，开启了量子力学新篇章;描述基本粒子单元的夸克(quark)概念，被逐渐证实。失败实例:描述光传输的“以太”概念被实验否定。当前还有很多概念亟待进一步论证，波尔(Bohr)与爱因斯坦关于量子力学的著名论战就是一个很好的证明。这可以培养学生思辨的习惯、求实的精神和相互包容的优良品质。
2．5构建清晰物理图像
很多概念的提出都基于不同的研究思路和思维，需要建立完整清晰的物理图像再现其物理思维和描述意义［12］。以麦克斯韦方程组为例，它体现了电磁学基本研究思路:对电场和磁场进行曲面和曲线积分，得到相应的源。学科适用范围体现了不同思维，如电磁学规律是基于宏观的分析，量子力学是处理微观世界的规律，具有完全不同的研究思路和适用范围。以电磁波发射为例，电动力学基于LC振荡，量子力学电子跃迁。对比讲解对构建知识体系和正确应用很有益。形象化表述是构建物理图像的主要方法之一，如在光学中讲述菲尼尔圆孔衍射的光强空间分布规律时，可以采用半波带法、矢量图解法等进行分解，达到获得清晰物理图像的目的［13］。加强实验教学有助于构建物理图像，可分为重建性和探究性，通过实验再现物理知识或根据预设要求通过实验得到结果。
3教学措施和效果
为了有效开展物理概念教学，我们对教学方法进行了改革，主要涉及到:分组讨论式教学、改革考试方式、推行非标准化答案、重建基本概念、推荐内容丰富的教材和参考书、加强实验教学等。分组讨论式教学是创造机会使学生对物理概念的提出背景、必要性、可以解决的问题进行深入讨论，在争论中增强对概念本质的认识。典型问题有:物理概念需求背景、自我设想和构建、解决问题程度和预期目标、现有物理概念对比等。通过以上教学，学生在考试中对基本概念的描述正确率大大增加，平均得分率由72%提高到83%。非标准化答案旨在锻炼学生想象力和发散性思维，围绕物理概念进行问题设计，采用多种表述方式进行分析。采用撰写论文形式进行考试，要求学生通过文献查询、收集信息等方式来阐述物理概念的内涵和外延等，全面锻炼学生能力:信息查询、归纳总结以及写作表述能力等。考试成绩比重由原来的15%增加到30%，更能体现学生能力水平。随着学习不断深入，需要通过扩展物理概念的内涵或外延对新事物及其特性规律进行描述。如随着激光光强的增加，对材料的光电离会由单光子电离扩展到多光子电离，由线性光学扩展到非线性光学以及激光等离子体物理［14］。推荐内容丰富的教材和参考书也是一种很好的方式。如原子物理教学中可推荐杨福家的《原子物理学》［15］，该书图文并茂，有很多经典故事，同时设计了很多启发式问题，使用者反映良好。光学教学中可推荐冯国英、周寿桓编写的《》［16］，该书内容丰富，主要物理概念和定律后面附有Matlab应用实例，有利于学生学以致用和形象化理解物理概念。另外，美国学者ArtHobson编写的《物理学的概念与文化素养》等，都能为物理学概念的学习提供很好的参考。
4结语
物理学概念是物理学发展和前进的基石，体现了研究过程中遇到的新问题，反映了为了解决问题提出的新思维和方法，表征了物理学发展的趋势和方向。物理学概念学习主要体现在基础知识的掌握、科学品质和精神的培养、科学素质的锻炼等方面。从教学方法上需要从构建物理图像出发，结合物理学史的引入，激发学生主动性，达到全面掌握物理概念内涵和外延的目的。具体实施方式上，可以结合考试改革、非标准化答案、推荐优秀教材等来实现。
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大学物理波动光学总结范文2
【关键词】分层次教学 物理课程 三维目标
【中图分类号】G 【文献标识码】A 【文章编号】2095-30（2016）04-0148-02
一、引言
物理学的分层次教学是近年来各高校和中学进行物理教学改革中的重要举措之一，其目的在于依据学生的知识积累、智力与技能，有针对性地对学生采取分类教学，最终获得较高的教学质量，即有教无类。关于教学目标的探索和应用由来已久。早在二十世纪五十年代，美国芝加哥大学的著名教育心理学家布卢姆博士就立足于教育目标的完整性，倡导对教育目标进行系统地分类，他所提出的分类理论将教育教学的目标分为认知、情感与动作技能这三个基本框架，具有划时代的创新意义。近年来，我国教育学研究领域的学者系统地发展了相关的分类理论，并结合我国基础教育的实际情况（目前主要着眼于中小学），统一地将我国基础教育的相关课程目标设置为三个层次（常称作三维）即：知识和技能、过程和方法、情感态度和价值观。时至今日，针对《大学物理》课程分层次教学的理论与实践均已取得一定进展。
近年来笔者在教学活动中对上述课题进行了初步探索，现将相关过程总结为文字，以供批评指正。本文中，笔者阐述在《大学物理》和《群论》两门重要物理类课程教学中三维教学目标实践过程的主要方面，举例说明在分层次教学中实行三维教学目标的重要性。本文所采用的部分数据来自于笔者于2011-2013年在原工作单位中国矿业大学担任全校性基础课《大学物理》分层次教学班主讲教师的教学实践过程，采集自该校教务系统。相关课程为春夏学期课程，共计80学时（5个学分）。。可以看出，两个教学班级课程安排相同，开课时间相若（均为春夏学期），班级规模类似，具有可比性。在前期实践的基础上，作为对相关教学改革的进一步探索，同样是在小班教学的背景下，笔者于2014-2015学年安徽师范大学物理系研究生专业基础课程《群论》教学中将相关教学思路作进一步的拓展，取得了较好的教学效果。
二、三维教学目标实现过程的比较研究
1.学业知识与基本技能的提升
三维目标中的第一个目标表现为学业知识的积累和学习能力的提高，在教学过程中，主要体现在作业完成情况和考试成绩上。我们在表（1）中列举了上文中提到的《大学物理》2012班和2013班考试成绩的分段人数和相关百分比（人数和占比数据采集自笔者在相关单位教务系统中的信息）。
表（1）显示：2013班及格率为92%、高分率（80分以上）达到52%，而2012班及格率为85%、高分率仅为25%。不难看出，2013班在学业知识的掌握方面显著优于2012班。究其原因，主要可分为两点： 一方面，2013班实行了期中考试制度，获得了对学生学习情况的及时反馈，而2012班没有；另一方面，在2013班的教学过程中，任课老师的教学经验得以提高，教学方法得到了进一步优化。例如，基于分层次物理教学的特点对课件上的例题进行分类梳理，以便于学生根据自身的学习情况，由易到难逐步明确解题思路，从而加深对相关知识点的理解。因此，相对于《大学物理》2012班而言，2013班在学业知识与相关技能上的突出表现主要源自分层次教学的实践，以及课程教学手段的创新。
基于上述课程教学创新过程中的积累，在以研究生为授课对象的《群论》课程教学中，结合学生的专业背景，引入了经典物理系统中几个半群的实例（满足群定义的部分条件，而不满足全部条件），包括相变和临界行为研究中常用的重整化群方法和量子系统动力学研究中常用的Lindblad方程等，此举拓展了传统课程教学的范畴。正是由于课程教学内容的立体化，使得学生亲身体会到相关课程在实际科学研究中的重要性，因而在一定程度上激发了学生的学习热情，这体现为学生作业完成程度和出勤率的显著提升。在最后的期末总评中，使用一贯的标准，绝大数同学的成绩达到良好或以上等级。可以说，通过在教学实践中引入不同形式的分层次教学，学生对专业知识技能的理解和掌握得到显著提升。
2.学习过程的优化和学习方法的升华
。在《大学物理》教学过程中，无论是2012班还是2013班，部分学生没有从中学的填鸭式灌输教学中转变过来，自我激发和自学能力有待提高。此外，两个班级的学生所在年级本身的学业压力较大。根据相关年级的课程设定，他们在学习过程中不仅要同时学习英语、数学和大学物理（理论和实验）等基础课程，还要接触到更为繁重的专业课，因而学习效率和学习方法就显得尤为重要。考虑到分层次班学生普遍基础薄弱，同时又要应付英语和多种理工类课程，笔者在2013班的教学过程中十分强调学习方法的重要性，并引导学生形成合理的学习方法。在给学生传授课本知识的同时，尽量站在学生的角度，为其提供具体的学习策略。例如，在电场强度计算的教学过程中，强调逻辑体系的重要性，引导学生识记少数几个重要模型的结论，强调对相关模型进行拓展的可能性；在机械波的教学过程中，对加速度、速度和位移函数中相因子大小的物理起源进行了系统分析；在波动光学的教学过程中，引导学生使用迁移学习法，将光波和机械波进行类比，从而在形式上削减学生必须掌握的新知识点，而在本质上又不影响教学目标的实现。。
相较于《大学物理》的教学实践，《群论》的教学对象则是具有较强自学能力的一年级硕士研究生，大部分学生本身就具有较强的自我激励能力。针对学生的特点，笔者在课程教学中在较大范围内引入了探究式学习。例如，借助于广泛的调研和资料搜集，在教学过程中通过前沿讲座报告的引入，以引发学生之间的讨论，并及时进行点评和分析，在最大程度上调动学生学习的主动性。
3.正确价值观的塑造
在两个《大学物理》教学班级中，多数学生为低年级本科生，而且部分学生在前期学习过程中有不及格的经历，因而引导学生在学习过程中塑造正确的价值观显得十分重要。如何在《大学物理》的教学过程中既传授知识技能，又帮助学生形成正确的价值观？笔者进行了初步的探索。在2013 班的教学过程中，尝试将物理学史的介绍穿插到教学过程中，例如以英国著名物理学家麦克斯韦为例，讲述麦克斯韦作为一名成功的物理学家，他自身的学习过程没有功利化而是注重全面的发展，这使得他同时积累了丰富的数学知识，从而帮助他将前人的电磁学研究进行系统的总结和提炼，最终提出了简洁而优雅的电磁学理论数学形式――麦克斯韦方程组。笔者还根据课程安排的时间分布，在课间推介与科学巨匠相关的史实资料，从而激发学生对基础科学的兴趣，并进一步引导学生将这种兴趣转移到基础课程的学习中。正确价值观的形成不仅体现在表（1）所展示的总评成绩上，还将在学生未来的求学生涯中发挥作用。
类似的举措也被运用在《群论》的教学过程中。例如，在课程教学伊始通过介绍伽罗瓦在创立群论这一重要数学分支学科的过程中不畏艰难、孜孜以求的精神，坚持真理的态度，以及在科学探索过程中所体现的伟大人格魅力，以激励学生在未来的求学生涯中不畏艰难，求实进取。
三、总结与展望
本文中，笔者对两门课程、三个班级的教学过程的创新点进行了提炼和对比，阐述了三维教学目标在物理类课程分层次教学中的重要性以及三个维度之间相互制约、相辅相成的关系。结合具体实例，我们不难发现任何一个维度的缺失都可能对学生的学习过程产生不利影响。。笔者清楚地认识到，由于自身教学水平的不足，在具体教学过程中存在诸多不足，例如三个教学目标之间的衔接有待深化。在后续的教学实践中，笔者将对本文提到的教学手段进行优化和完善，以探索更贴近教学实际的课程设计。
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