论信息技术对普通物理课程的改造7月上海会议.doc

谈信息技术对普通物理课程的改造华中科技大学 教授中国物理学会教学委员会数字教学工作室主任高等教育出版社理工中心数字教学资源研发部首席顾问李元杰钱学森先生生前曾对去探望他的中央领导人说：“中国还没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，都是些人云亦云、一般化的，没有自己独特的创新东西，受封建思想的影响，一直是这个样子。我看，这是中国当前的一个很大问题。”其实，我们一直在为找到解决这个问题的思路与方法而努力，总共花了14年的时间，完成了一次中国高校基础物理理论教学的重大创新与变革，只是目前由于高校政策导向导致教学大环境不理想，多数领导和教师们把主要精力都放在了科研与项目上，对教学没有给与应有的关注和重视。钱老离前忧心担，教育部长换了班；创新人才何日有？高校依旧难改观。当今世界无任是杰出领导人还是普通百姓谁都知道培养创新人才的重要，但是在信息时代要真正做到这一点需要新的教育及管理理念和新的数学技术。需要实现从应试教育和纯知识教育向创新教育的转变。而信息技术对实现这一转变起到了至关重要和不可替代的作用。根据我们的长期研究与实践，信息技术可以在以下几个方面成功实现对基础物理课程的改造：1 教学内容；2 教学模式；3 教学方法；4 训练、考核与评估。在北大赵凯华、陆果教授的关心与支持下，我们在中国物理学会教学委员会下创建了数字物理教学工作室，该工作室成立以来与高等教育出版社合作完成了一部数字教学网络大学物理教材，它是目前国内、外较先进的大学物理网络教材。它体现新的教学理念、新的数学技术和新的教学方法。2009年高等教育出版社还出版了我的数理方程与特殊函数，它更是一部全新的数字教学教材（），我还完成了物理专业使用的数学物理方法，2010年底即将由高等教育出版社出版，它们都是在新的理念与技术的框架下构建的。（一） 对教学内容的改造主要表现在四个方面：一是在传统的知识内容上，我们增加了与之相关的思想与方法，这些思想与方法常常用数字技术去实现与表达会收到意想不到的效果；二是对传统的核心基础知识作了一些重大变动，这些变动都是基于数字技术的引入；三是在涉及定量研究的内容时，能把数学进行到底，对传统内容的分析、理解与诠释有明显的提升与拓展；四是借助数字技术极大地发展和加深了讲授的学科基础知识，为学生的拓展与创新提供了广阔的空间和强有力的数学技术支撑。下面我们列举实例来加以说明。电磁学内容（电磁场的唯一性定理），从一般矢量场讨论开始，矢量场又从二维流体速度场入手 - 一切矢量场只有二个物理量可研究-通量与环量一个课件解决一个思想问题 龙卷风通量与环量漩涡 运动学中关于运动的分解与合成：本征运动（基本运动）与基底的思想直线运动与圆运动哪个更基本？一般运动按基本运动的展开思想：函数用微分方程定义、本征方程与本征函数给出一套基矢、边界信息决定内部。 C大力加强势模型的教学 总能量决定运动方程，势能决定一切可能的运动。关于势能的几个基本观点：单摆的三种运动1）势能是由体系中物体之间相对位置所确定的能量；2）势具有不定性；3）保守系势能决定一切可能的运动；4）势能的梯度冠以负号等于力，势能下降最大的方向为力的方向，势能下降最大变化率为力的大小；5）势对动量有贡献。马里兰大学的演示实验 非线性单摆与倒摆的势能研究 决定论中隐藏随机性。A-B效应，A-C效应，COW相移d对机械波教学内容的改革把从无穷远来两列相向行进的正弦波的叠加，改为一端固定弹性弦上，入射正弦波与反射波从暂态到稳态的叠加全过程。（核心知识点的变化：分空时段表达的波；运动波源产生的波叠加；驻波） 极大丰富了关于波的叠加和驻波的教学关于驻波的研究增加了十种：e对量子论教学内容的改革，将数学进行到底波函数的几何定量描述有三种基本方式1）概率密度云粒子处在r附近体元dxdydz内的概率为我们可以在r附近体元dxdydz内随机打上n(r)个点，其中为固定参数或总点数。2）等概率密度面如果让计算机把满足下面条件的点找出来，是一件十分简单的事。 其中C为常数我们称这些点的集合为等概率密度面，实际操作时C要取一范围，如从C到C+0.1，否则等概率密度面画不出来。3）概率密度幅波用一个三维的格点组作为球心，取一小量 r为球半径，球内随机洒上一些点，点数目与 成正比，我们就可以得到氢原子的概率密度幅分布。化学键与量子交换力、量子退相干下面是学生拓展设计制作的例子氢原子的电子云图氢原子电子云的二维截面图 等概率密度面f对电磁学教学内容的改革（把数学进行到底！）计算环电荷及环电流的场（矢量级数有限项求和）1一个简单的数学思想：随边数增加，圆内接正多边形逼近圆； 2.一个物理的解析结果：对于圆内接正多边形半径：其中边长：正多边形顶点到考察点的矢径：边长（电流）与矢径的夹角余弦： 取考察点到边长的垂直距离 对各边磁场分量求和 有限长 茅班（二）对传统教学模式的改造我国高校的基本模式有两个：应试教育模式和纯知识教育模式。正是钱老所说的“都是些人云亦云、一般化的，没有自己独特的创新东西，受封建思想的影响，一直是这个样子。”数字教学的重要特点是“以学为主，以教为导；师生合作，学研一体。”的教学模式，为此我们自主研究设计制作了一个软件平台科学计算与模拟平台（VC+与OPENGL结合+自主开发的物理数学专用输出功能函数，网络版采用C#语言），实践表明，该平台在教学中发挥了极重要的作用，有利于实现将数学进行到底的目的，有利于开展研究式的学与教。我们还创造了授之工具、传之方法、在教师指导下的研究式学习的模式及先学后干、边学边干、先干后学的多样化学习模式取得了令人惊喜的好效果。关于碰撞的研究关于冲击波的研究关于非线性的研究关于电磁波与能流的研究教学相长：首先得益于华中科技大学的学生-获国家教学成果二等奖，国家名师奖；接着就是清华-北大的学生使新教学获重大突破（碰撞、波、场、势）；北航与北科大的学生（交变场、霓虹光、碰撞与连接体、非线性创作了大量的优秀作品）；西安交大-西南交大-同济（进一步丰富发展刚体、波辐射、波导、波散射）；华南师大（数理方程）等等。（三）教学方法的改造（略）（四）训练、考核和评估（略）（五）教学实践的效果美国麻省理工学院两次来北京高等教育出版社要求我们的物理教学资源与他们共享。华中科技大学 从1997-2005 年，先是电信教改班100人/年，继而是机械普通班120人/年，最后是四大院系1500人/年（五年）；2004-2010先后在清华、北京理工大、北京交大、北航、北京科技大、中国农大（生物班）、华东理工大、上海同济、西安交大（钱学森班）、华东师大、华南师大（物理及综合班）、西南交大（茅以升班）、吉林大学（李四光班）、浙江理工大（启新班）、华中科技大（启明班）共十五所大学的试点班使用。举办学生研究式学习成果作品展九个，共展出作品近千件，获得任课学校领导、专家及师生的一致好评。如在北航担任五系（飞机设计与制造专业）264名学生的物理教学期间，全年共64次课，每次打下课铃学生全体长时间鼓掌，可见学生欢迎之程度。邀请我们介绍新模式教学的高校达五十余所（包含北京大学、上海交大、吉林大学、北师大等）华中科技大学机械学院试点班的学生杨永智、刘铁锋创建了“华中科技大学联创团队”，多次荣获微软举办的世界大学生软件设计大赛的一等奖，比尔盖兹还专程来北京为他们颁奖，杨永智、刘铁锋本人还多次被微软评为亚洲最有价值的年度软件专家。华中科技大学联创团队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我们试点班的学生陈恒、袁浚菘（声音保密）和何军(光学混沌同步控制);2002年试点班学生孙翊、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年试点班学生李春辉的论文 在Physics Lett A(荷兰)发表Four-photon five-dimensional entanglement for quantum communication获湖北省大学生优秀论文一等奖。2009年被评为华中科技大学最优秀的博士贾文川也是出自我们试点班的学生。学与研、教与研的结合 清华 西交大 华科大华南师大 西南交大 波的能量到何处去了？数理方程介绍 示范课高斯定理最后，如果大家愿意进一步了解数字技术改造物理课程后，大学物理和数理方程课会是个什么样子，我们从2010年十月开始，计划了一个系列示范课讲座，选择十个专题，让大家看到一种全新的教学模式：看到教学内容、方法是如何创新的；看到如何进行研究式地教与学；看到本科生的水平可以提到何种高度；看到如何在讲知识中讲思想和讲方法；看到