“大物”,嗨起来!
质点动力学、动量守恒与能量守恒、刚体的定轴转动、机械振动和机械波、气动理论和热力学、电磁和电场、波动光学、量子物理……这一系列让学生挠头的知识体系,是《大学物理》课程给大一学子的一份优厚的“见面礼”,也是一个凌厉的“下马威”。
“噫吁戏,大物难,难于上青天!”很多学子感叹,在大学阶段难免要被《大学物理》、《高等数学》、《电路分析》、《信号与系统》等“3+6”课程“按到地上摩擦”,《大学物理》就是令学生“望课兴叹”的课程之一。
然而,物理学院吴喆副教授和吴昊副教授在各自的教学探索中,却让学生非但不会对《大学物理》望而却步,反而兴味盎然。
《大学物理》是理工科学生的公共基础课,对以电子信息为特色的大学而言,更是如此。目前,全校学习这门课程的学生大约有4000多人,格拉斯哥学院学习这门课程的学生也有500人。
都说《大学物理》难,究竟难在哪里呢?吴昊比较了《大学物理》与高中物理的不同,他认为,高中物理解决的是基于初等数学的特殊物理现象,而大学物理解决的都是基于高等数学的更一般的物理现象。“更特殊,反而更简单;更一般,反而更复杂!”
吴喆也指出,“近代物理中的很多观念,和我们日常的惯性思维是迥然不同的。”因此,大一学生接触《大学物理》,首先面临的考验就是转变思维。否则,用高中阶段的思维学习《大学物理》就会感到惶惑。
有的同学在高中阶段学得很好,公式记得熟、计算得心应手,但到了大学阶段,发现要计算的“速度”不再是“平均速度”,而是“瞬时速度”;“路程”不再是简单的“速度×时间”,而是“速度在一个时间段上的积分”。诸如此类的物理问题,挑战学生的思维惯性。
怎么样把《大学物理》和高等数学结合起来,是学习的关键。数学是物理的基础,也是研究物理学的重要工具。所有物理问题的定量分析、计算和研究都离不开数学,从简单的代数运算到复杂的数学建模、数值计算等,都和数学紧密相关。不仅如此,数学还是定义物理概念的基本工具。
正因如此,学生必须学好微积分、线性代数等高等数学知识。但是,仅仅学好数学还不够,学会把物理问题转化为数学问题是更高的要求。吴昊指出,有的同学数学基础不错,但并不知道怎么用高等数学的思想来解决物理问题,难以把数学问题应用到物理学的场景中,难以把“物理量”转换成数学“变量”。
对于格拉斯哥学院的学生而言,纯英文授课是对学生的另一个大考验。一般而言,格拉斯哥学院的学生在大一上学期都会进行英语的“魔鬼训练”,但要理解用全英文讲授的《大学物理》课程,还是很有一定的难度。有时候碰到一些比较复杂的概念,即便“竖起耳朵听”,也不一定听得明白。
那么,面对如此“难上加难”的《大学物理》,老师应该怎么教、学生应该怎么学呢?这是吴喆和吴昊长期思考的共通性问题。
吴喆本硕博均钻研物理学,2008年获南京大学物理学博士学位,2012年-2014年在新加坡国立大学进行博士后研究。因为从小就敬仰教师,又一直热爱物理,博士毕业后吴喆义无反顾地选择了当物理老师。
在双校区间奔忙一直是吴喆生活的常态。她每周有两天在清水河校区给学生上课,剩下的时间在沙河校区备课和做科研。周六,她还要给本科生讲解物理竞赛课程。虽然工作很忙,但收获的快乐却是语言不能尽表。
在吴喆眼里,《大学物理》充满了趣味。现在的问题是,如何让学生感受到这种趣味。她的秘诀就是,把大学物理和实际生活结合起来,激发学生的兴趣。为了让学生感受物理学的魅力,她常在课堂上出一些趣味思考题,激发学生的好奇心,促使他们自己钻研思考。
吴喆不仅和同学们一起探讨,还鼓励大家形成学习小组,深入研究和交流。课后,她鼓励大家延伸阅读、查阅文献,形成独立的思考和新的想法。她也鼓励学生经常进行知识“碰撞”,她自己也将许多业余时间都倾注在了与学生的交流讨论上。
吴喆主要研究物理化学、材料学、微纳光学、微波电子学、无线电物理等领域的问题。从事这些交叉研究,扩宽了她的理论视野,使她对物理学的运用有了更深层次的理解。她也经常把自己的研究心得融入到课堂教学当中,让学生接触学术的前沿成果,扩展视野、培养创新能力。
教学工作需要教师投入大量的时间,但吴喆觉得,承担大量的教学任务却并不意味着必须放弃科研,而是可以把科研与教学结合起来,相互促进。每学期课程结束,她都要梳理自己在教学和科研方面的成长和不足,不断总结、不断超越。
马克思·普朗克说:“科学提高了生命的道德价值,因为它促进了对真理的爱以及敬重”。热爱科学并带领学生们寻找科学乐趣的吴喆,正体现着这份对物理学科的爱与敬重。在她的引导与探索下,《大学物理》课成了成电学子夯实基础、窥探奥秘的门径。
吴昊在中科大少年班获物理学士学位后,又分别获得中科大物理学硕士和理论物理学博士学位,主要研究方向为量子物理,包括量子力学算符和量子纠缠,以及量子机器学习等课题。
自2008年到校工作以来,吴昊先后承担了《大学物理》、《力学》、英文物理课程《Physics》、《大学物理实验》和核心通识课程《物理学与社会进步》等的教学任务,采用探究式、互动型、体验性的研究型教学方法,着力培养学生的探索精神和创新能力。
吴昊的课堂受到学生的广泛好评,近年评教成绩均为优秀。同时,相关课程还成功申报为四川省精品资源共享课,并在爱课程网站开设了MOOC课程。他深知,要想让学生学好《大学物理》,最有效的方法就是激发他们的兴趣和内生动力。
坚持光粒子说的牛顿如何解释牛顿环现象?歪打正着的泊松斑是怎么回事?宇航员能不能用肉眼看到长城?……波动光学的一些概念和方法对于同学们来说比较陌生,容易陷入一堆公式中而看不清物理本质。吴昊会在知识点之外穿插介绍相关的物理史故事和实际应用案例,让学生从另一个角度感受物理的趣味。
针对微积分在物理中的应用,他采用不同案例,从力学中的弹簧动能计算、转动惯量分析,到光学中的菲涅耳积分,由浅至深地进行讲解。在讲电磁场时,他把电磁场与曲面积分相结合,从数学角度切入,通过给同学们上“数学课”,让大家学会如何把数学应用到大学物理的各种场景中。本来难以计算的题目渐渐变得简单了起来。
还有一部分知识并不要求学生拥有很强的计算能力,但要求学生拥有一定的思维能力。例如相对论和量子力学的很多概念,听起来就比较抽象,“消化”起来更难。讲这些内容时,吴昊会放慢教学节奏,结合物理学史,介绍一些引出物理学新概念的重要实验,或者物理学家针对新概念不同理解的相关争论,例如双生子佯谬和量子叠加态等,激发学生的好奇心。
在课堂上,吴昊并不是单纯地灌输知识点,而是教学生思考,努力做到“授人以渔”。他说:“学生们终归要走自己的科研路,希望他们上了我的课之后,找到自己的兴趣,并能够活学活用。”
由于格拉斯哥学院实行的是中英双方老师授课,因此,不同的老师在考核学生方面都有不同的理念和做法。吴喆和吴昊作为中方的教师,在考核学生时更侧重与“过程考核”,体现在成绩的构成要素和权重上,即:总成绩=平时成绩(25%)+小论文(5%)+期中考试(35%)+期末成绩(35%)。
其中,期中考试和期末考试的成绩占比加起来是70%。他们认为,这个比例是相对而言更加合理的。如果这个比例太高,意味着卷面分数成为决定性要素,这会导致“刷题”成为风尚,不利于培养创新精神;而如果这个比例太低,则会使总成绩缺乏比较客观的依据,无法准确地了解学生对基础理论的掌握情况。
当然,在和格拉斯哥大学教师的交流借鉴中,吴喆和吴昊也在不断扬长避短,结合自身多年来的教学经验,积极吸收格拉斯哥大学人才培养体系和评价体系方面的优点,不断地调整完善《大学物理》课程的考评体系。
吴昊表示,我们力图把电子科大和格拉斯哥两所大学的经验相结合,把短期的课堂考核和长期的人才培养效果相结合,综合评估我们的教学体系和方法,进一步优化迭代课程设计和考评体系,努力让学生不再“叫苦叫难”,而是让“大物”叫好叫座。
文:校新闻中心 王晓刚