全面引入数字化技术,推进基础物理教学的现

1、省级教学成果奖推荐书附件成果名称： 大学物理CCBP体系的研究与实践目录 1、大学物理CCBP体系的研究与实践成果总结 2、成果支撑材料目录网址： “大学物理CCBP体系的研究与实践”成果总结“大学物理CCBP体系的研究与实践”教学研究成果是以安徽省教育厅2005年批准的“大学物理CCBP体系的研究与实践”项目为基础，结合我校的实际情况，对大学物理的教学内容、教学方法、教学手段进行改革实践。现就本课题所取得的成果汇报如下:一、课题执行情况本课题自2005年开题以来，课题组一直紧紧围绕主要建设内容开展工作，至2007年12月份已经圆满完成了课题全部任务，具体情况如下：1、根据大学物理CCBP教学

2、体系的要求编写了教学大纲和教学计划。2、精选了华中科技大学李元杰教授编写的大学物理（CCBP）的作为CCBP大学物理教材，并结合专业的特点编写有特色的讲稿和教案。3、考虑到我校专业特点和学生的情况，课题组从2005年开始遴选计算机专业作为CCBP大学物理课程教学改革试点专业，并选择了相同专业的另外两个班级作为参照。在试点班改变传统的教学模式，将CCBP引入到大学物理课程教学中，打破传统大学物理教材按照力、热、电、光、原、近代物理的顺序编排，突出物理本质、物理思想，特别是物理方法，引入计算机数值计算和模拟技术等研究工具，引导学生如何充分利用计算机的数值处理功能，将复杂的物理方程，特别是现代物理学

3、的微分、积分方程以及非线性问题的转变为计算机处理，建立起一套完整的物理问题的计算机算法，引导学生自己独立编写求解物理方程的计算机程序，将物理方程的求解过程交给计算机进行处理。使得学生从纯理论的推导转变到利用计算机解决实际问题，得到了较好的锻炼。经过两年的试点，我们发现试点班的同学利用计算机处理实际问题的能力明显比非试点班同学要强。从2007年开始推广到电子信息科学技术和自动化专业，普遍受到学生的欢迎。4、建立了一支具有结构合理、教学经验丰富的师资队伍。本课题组现主要人员中硕士学历以上比例达60%以上，具有高级技术职称的人数达到50%。逐步建立起一支职称分布合理、年龄结构适当，能满足二十一世纪本

4、课程人才培养要求的高水平的教师队伍。5、积极开展教学和科学研究，科研教学相互促进，课题组成员在教学过程中充分发挥计算机在物理教学过程中的作用，编制了大量的程序，建立了一套大学物理计算机程序处理系统，促进了教学质量的提高。6、将课题研究做为学生毕业论文选题，锻炼了学生的科研能力。课题组成员从2005年开始将部分研究内容作为学生毕业论文选题，先后有30余人选了相关的研究课题作为毕业论文选题，其中有10余人的毕业论文获得了校优秀毕业论文，有1人在国家级杂志发表论文。7、购置和开发了大量供学生研究性学习的资源。为学生提供了Java学件、Flash动画、C学件、C+课件和avi数字化小电影，总数达千余种

5、，提供研究性学习的平台学生用计算机模拟软件平台，编写了100多道研究性学习习题，与传统习题大不一样，没有统一答案，有较大的知识拓展与转移空间，体现知识的整体结构。二、改革思路众所周知，大学物理是理工科各专业学生必修基础课程之一，但长期以来由于其内容多、课时少、学习难度大，因此大学物理教学过程中如何解决学时少内容多的矛盾？如何处理经典与近代的关系？如何从单一传授知识向传授知识、方法和思想三者并重的教育思想转变？如何提高学生的素质与能力？如何在新教材上有所创新？这些问题一直困扰着广大从事大学物理的教学人员，我们对这些问题的处理总体思路是：（1）改革原大学物理教材，便其内容适应跨世纪人材培养的要求，

6、创立一个全新的CCBP模式。（2）改变传统的以传授知识为中心的教材体系，建立一个传授知识、思想、方法三者并重的新体系。（3）探讨将计算机全面深入引进物理教学的方式及旨在提高素质能力的综合训练。（4）正确对待继承与发展、正确处理好经典物理与现代物理的关系，经典重在提高，现代重在立稳。（5）勇于创新，开阔思路，力争做到四个突破：即教学思想要有突破、方式要有突破、内容要有突破、体系要有突破。（6）既要有先进性，又要注重可行性，特别是学生的可接受性。三、几点体会教学改革的中心问题是教学现代化，而教学现代化应包含教学内容的现代化、教学手段的现代化和教学思想与观念的现代化。要真正实现教学现代化，教学思想和

7、观念的转变是首要的。教学思想与观念的现代化涉及许多方面，下面是我们在本次课题研究过程中的几点体会：1、要实现从单一传授知识向传授知识、思想、方法三者并重的观念的转变我国传统的基础物理教学都围绕着传授和学习知识这个中心，而在启发学生思维及创新和培养学生处理实际问题的能力方面或重视不够或落不到实处。一般教学中，教师们很少向学生系统介绍物理学的基本研究方法和基本思维方法，那些充满理论物理中的大量光辉的物理思想在基础物理中却所见无几。人们常讲教学要授之以渔，不能只授之以鱼，这个道理大家都容易接受，但具体如何去实现却长期得不到解决。我们的体会是：教学中要授以学生必要的基础知识，这是不容置疑的，但不能只强

8、调知识点的系统性、完整性、严密性，而忽视传授那些重要的物理思想、方法及工具，忽视培养学生自己去获取知识的能力，其实后者应该是教学中更为重要的目的。当今正处于信息时代，知识增长迅猛，严格地讲教师不可能在百余学时的教学中，把所有的物理基础知识毫不遗漏地都讲完。我们在教学过程中始终贯彻以物理研究方法为主线，彻底改造传统教学内容和教学顺序，并将其建立在现代信息科学技术的平台上。他把教师系统提要的讲授， 和自己自主学习、问题研究、论文写作等有机穿插在整个课程的教学过程之中。突出方法的应用，整体概念与整体思维，促使学生产生创新思想，并通过对具体问题的处理，训练学生的科学综合能力与素质，强化对学生探索未知能

9、力的训练。2、要实现从重教轻学向以教为导以学为主的观念的转变我国传统的教学模式有其自身的优点，但必须承认也有许多弱点。新中国成立半个多世纪，高等教育发展是十分迅速的，特别是改革开放以来，发展速度更是惊人，但为什么培养不出一个诺贝尔奖获得者? 其中原因当然是多方面的，但是传统的培养模式及教学观念不利于学生的创新思维与能力的发展，应该是一个重要的原因。我们绝大多数的学生从小学到大学，都是老师手把手地教，基本训练也是大量重复地做一些学院式的习题。一旦离开老师，在学生自己独立地解决实际问题、获取新知识、研究新问题时都会感到困难。因为在传统的教学环节中，缺乏对学生这方面的系统训练。因此，在制定教学现代化

10、的方案时，首先要实现教学思想和观念的两个转变，否则教学改革只能停留在内容的增减或重组这一层面上。3、将基础物理教学与创新教育相结合现行教学中，一些传统的教学模式、教学方法只偏重书本知识的传授，而忽视学生的思维训练，显然，这对学生创造性的培养是十分不利的。因此，我们将“在大学基础物理教学中，如何培养学生的创新精神，启迪学生的创新思维，开发学生的创新潜能”作为重点研究与实践的课题，进行了一些探索和尝试。(1)、结合基础物理教学，介绍现代高新科技成果的创新思维及其物理基础我们认为，将学生引入一个富于现代、前沿及创新气息的学习天地中，对于开发学生的创新思维，激发学生的创新欲望，是十分有益的。因此，在教

11、材里，教学光盘中以及课堂教学时，我们介绍了多个获诺贝尔奖的物理学成就以及一些现代高新技术成果。特别强调它们的创新内容及其与基础物理知识的联系。这些内容包括： 金属低温超导的BCS理论(1972获诺贝尔物理学奖)，创新思想是：电子通过晶格振动为媒介而产生成对机制，电子对的形成，完成了费密子（电子）向玻色子（电子对）的转变，电子对是一个准粒子，其形成使电子的统计性质发生变化（产生相变）。 原子囚禁(1997获诺贝尔物理学奖)，创新思维是：MOT模型。磁光囚禁，非均匀磁场使塞曼分裂随空间而异，形成囚禁优势辐射压环境。VSCPT模型。存在与光子无相互作用的原子与光子耦合的相干叠加态。 整数量子霍尔效应

12、(1985获诺贝尔物理学奖)，创新思维：参杂使分裂的简并态能级构成二类: 一类是在原朗道能级处未移动的态,构成扩展态是一个可传导电流的态；另一类则是偏离朗道能级的局域化态，它是一个绝缘态,与电流无关。结果导致电阻（电导）的台阶效应。 量子隧道效应实验与理论(1973获诺贝尔物理学奖)，基础物理知识：固体能带；量子隧道。 创新思维：量子隧道效应器件、量子阱、超晶格、约瑟夫森结超导量子干涉仪SQUID。 不需加油的全球航行飞机的设计。创新思想 动力与滑翔飞行交替进行、低空动力加速、高空惯性滑翔。基础物理：利用惯性。通过上述内容的介绍，使学生们看到：世界上各种大大小小的创新无不与物理学的基本原理及对

13、称性、稳定性、等效性等基本思想有密切联系。这样学生不仅仅学到了书本上的理论知识，同时也了解到，伟大科学家们的智慧及创新思路的源泉就是基础物理。创新便有了原动力。（2）加强素质能力的训练基础训练：围绕基础，兼顾不同学校不同层次学生；提高训练：重在提高，少直问直答式，多应用理解式；综合训练：(创新）专题综合，方法综合，思想综合，每章后有综合性总结。对每一章内容、方法、思想作综合性总结，图表式的总结。学生尽管学了许多物理定律、知识和概念，但遇上一些实际问题并不会去求解。学生做了不少的练习和习题，为什么遇到实际问题不会求解呢？因为传统教材上的练习与习题基本上与实际问题相差甚远。传统中的习题只是为了训练

14、学生的基本运算技能，并通过运算加深对物理定律及概念的理解。总之，归结到一点，传统教材是以传授知识为主的。即便是习题训练也是为传授知识这一主要目标服务的，而忽视了培养学生处理实际问题的素质及能力。所以，我们认为大学物理改革首先就要实现从单一传授知识向传授知识、方法和思想三者并重的教育思想转变。综合训练就是为了提高学生处理实际问题的能力。（3）物理学的基本理论与研究方法对科学思维的启迪规则运动的研究方法：对称性法；矢量空间法；能量法。通过扩展对称性介绍分形物理。随机运动的研究方法：统计平均法；二项式分布等。混沌运动的研究方法：通过典型问题，在相空间分析、讨论，用计算机进行处理。通过对这些物理研究方

15、法的介绍，有利于加强学生科学思维能力的训练。4、本科基础课教学如何开展研究性教学，提倡研究式的学习方法，充分调动学生的思维本科基础课的研究性教学，就是通过贯彻科研引入教学过程经典理念的以基于研究的教学方式。探索性是研究性教学的基础，没有探索性就没有研究性教学。我们认为首先是科学研究方法的创新，在教学过程中我们以物理学的方法包括现代信息科学技术的方法重组教学内容，并在方法的运用中力图培养学生的物理思想、科学研究的精神，促进学生从学习向研究过渡。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播知识、应用知识和探求未知三个环节及与其配套的训练与考核。建立科学规范的教学过程，扎扎实实实施，从

16、根本上解决这一问题。尤其是教学资源的建设，要提供大量可供研究性教学的如课题库、计算软件等。同时还应该建立健全教学管理制度和考核标准、方法。例如：在教学中，我们介绍了能量法建模（哈密顿正则方程）及计算机编程求解和分析，并且讲解了弹簧振子这一实例，然后，我们要求学生在此基础上，研究更复杂系统的运动情况（见综合题），学生们对这些问题很感兴趣，查资料，分析，建模，编程，上机调试，积极性很高，很多同学不仅完成了我们所留的问题，还主动设计了一些复杂系统的情况加以分析讨论。我们感到：通过这样的训练，不仅可以使学生在现有知识基础上前进一步，也是引导他们超越书本开辟新的视野的重要一步。5、将计算机数值计算引入物

17、理课程CCBP大学物理模式最引人注目的是将计算机数值计算作为除高等数学外的另一工具引入大学物理教学。计算机编程进行数值计算处理物理问题这样的训练，过去由于计算技术和手段不具备，从来没有进入大学物理的课堂。现在随着计算机技术的飞跃发展，让学生在微机上作这类编程训练进而开展一些研究活动不再是一个奢望。进行CCBP模式的物理教学，可以使学生对物理过程了解得更透彻、对物理概念把握得更确切，并且有可能对典型物理模型作拓展研究。更重要的是能激发起创造欲，迫使学生更多更好地查阅资料，思考问题，进行自学和交流，使学生更深切地体会科学研究方法，提高处理实际问题的能力。要使学生能很快、很好地掌握计算机数值计算这件

18、工具，学会一些用计算机研究问题的方法和形式以及各种表现手段，我们在教学上分了三个阶段。第一阶段编程基础训练。我们的宗旨是先干后学、边干边学，干中提高。我们只用两学时课堂简介C语言程序结构( 头文件、发布主函数、变量命名、常量初始量赋值、图形设备初始化、数值计算循环体、计算结果和图形输出、关闭图形设备、程序结束 ) C程序编辑集成系统界面及程序编辑调试方法、数值计算中的叠代方法、观看CCBP光盘所附的原程序及执行过程，然后就由学生上机实践。第二阶段：编程数值计算包括三种选题 编程绘图强化对物理现象、过程的认识 利用图形和数值分析对基本物理模型作一些研究 对基本物理模型的扩展研究、动态模拟研究经过

19、第二阶段的训练，使学生对已掌握的知识的深度和广度都得到很大的扩充，还使学生学到了这样一些方法循迹法、相空间法、参数空间法、微扰法、脉动周期扰动法、对比法、模拟法、不变分布法、李雅普诺夫指数分析法等等。第三阶段作论文。这就要求学生运用已学到的物理学中的各种方法，对实际工程中的模型、经济模型等问题进行研究。学生论文可以独立作，但我们也鼓励合作，提倡团队协作精神，让学生自由结成二、三人的小组，但最多为五人组。在这阶段里，我们特别注重对学生研究过程的指导，可以分解为两步第一步选题、查资料、阅读文献(看模型、看模型中的各物理量、看结果)、举行开题报告会；第二步修改模型、修改扰动方式、换一种研究方法、分析

20、计算结果的物理意义及有无新结果、小论文报告会。并对优秀的论文就行点评，同时建议进行进一步修改投稿发表。已有2位同学的论文公开发表。数值计算方法的掌握和编程能力仅是CCBP精髓中的一方面。事实证明，更重要的是要有清晰的物理概念，在模型的建立过程中，要有很好非定性分析能力，又要有很好的解析计算功底，对计算结果的分析，还必须具备相当的洞察力。因此CCBP特有的这种综合训练，能充分发掘学生的智力和非智力因素，充分激发他们的兴趣、创造力，调动他们的学习积极性，使他们学会学习、学会研究、学会合作与交流。只要看看我们的学生做的物理模型、经济模型，看看他们的论文，就可以得出结论，通过CCBP模式的物理教学，学

21、生的科学素质和能力以及创新精神，确实有了显著提高。有的学生说，如果没有物理课的训练，C语言课结束后，我只能做教材上给的纯语言结构练习，不会用它来解决后序课程中的问题和各种实际问题。6、数字化技术是实现教学现代化的有力支撑有了现代化的教学思想和观念，我们就能统一认识，就有了共同语言，明确了朝什么方向去改革。不过光有认识还不行，教学现代化没有先进的技术支撑，还是一个空中楼阁。基础物理教学内容必须要现代化是教师们的共识，但如何去具体实现却不是一件容易的事。数学上的难度一直是基础物理教学内容现代化的拦路虎。数字化技术的引入，可以使这一局面发生根本的改变。我们多年的实践证明，低年级学生不仅可以很快掌握数

22、值计算、数字模拟、数字处理、数字动画、数字作图等技术，而且完全可以应用这些工具与技术去定量学习研究大量的量子论与非线性方面的知识和问题。我们认为：数字化技术对教学现代化的支撑具体体现在下面几个重要方面:1）、能大大丰富基础物理中许多可教可学的内容。在传统的基础物理教学内容中，许多问题过于理想化、简单化，与科学研究和生产实践中的实际问题相距甚远，使不少非物理专业的学生认为学物理没有用。 数字化技术的引入能在一定程度上拉近以上两者之间的距离。 例如在力学的运动学部分，我们引入了小船过河的模型，河水的流速随距岸边距离而连续变化；在追踪问题模型中，逃跑目标的轨迹是任意设置的，追踪的方案也是多种多样的；

23、在动力学部分我们指导学生处理了像弹簧连接体、耦合振子、耦合摆、弹簧摆等较复杂的动力学系统；在非线性教学中，讨论了Duffing 模型和脉冲转子随机层结构等问题。2）、能把许多难教难学的内容变成易教易学的内容。 数字化技术通过数字模拟、数字动画、数字作图等形象化的表现，使学生对抽象的物理图像与概念有了深入理解，并在形象理解的基础上能极快地过渡到对物理公式或概念的抽象理解。3）、有利于营造素质教育和创新教育的学习环境。数字化技术的引入不仅能丰富教学内容， 同时带来了新的教学模式，有利于营造素质教育和创新教育的学习环境。 例如:授之工具、传之方法，在教师指导下的学生自主学习模式，解析+数字化一条龙式

24、的教学模式等等；这些新的模式能实实在在地提高学生的科学素质，培养创新思维和处理问题的实际能力。在实践中，我们构建的解析+数字化一条龙式的教学模式有明显的效果。 传统教学模式在得到一个解析公式的结果后，问题就告完结。但在许多情况下，学生对这个解析结果包含的整体概念和内容细节并不清楚，特别是对一些较为复杂的解析式，有时连教师也未必真正全弄清楚了。尤其是在现代量子理论教学过程中学生可以自己编制程序研究粒子的传播行为。通过一条龙教学模式，使学生不仅看到解析的又同时看到具体形象数字化的图像，这无疑是数字化技术带来的好处。在电磁学教材中，给出了一个有限长直载流导线的磁场解析公式，而有限长直导线中不可能有持

25、续电流，学生对此产生疑惑。我们利用数字化技术引导学生研究了一个载流正方形线圈的磁场分布，当学生们完成了这个作业后，才理解了有限长直导线解析公式的重要应用，在此基础上，有的学生还独立地求解了环形电流的磁场分布。引入各种新模式的教学，使学生的科学素质和创新能力有了极大的提高，学生用物理学中学到的思维与方法，独立地研究了各种各样的问题，诸如:通讯、控制、生物、化学、量子、非线性、空间物理、经济等等。 这种局面是我们以往教学中从未出现过的。同学们异口同声地说:物理学太重要了!尽管以上的介绍及论述只是我们本次课题研究所获得的一些初步实践与体会，但它足以展现数字化技术引入基础物理教学后所产生的巨大而深刻的变化。希望能够在教学改革和研究方面，尤其是在如何将数字化技术应用于高校基础课教学现代化方面起到一个推动作用。 成果支撑材料目录序号成果名称成果形式作者成果形式为教材的请注明出版社；成果形式为论文的请注明发表的期刊名称等1CCBP教学大纲文档张杰、江贵生、朱