介绍一种大学物理的创新教育与研究式学习模式

1、大学物理理创新教教育与研研究式学学习模式式的研究究与实践践华中科技技大学 李元元杰 清华大学学（20004年年客聘）北京理理工大学学 北京京交通大大学（220044年客聘聘）北京航空空航天大大学（220055年客聘聘）北京京科技大大学（220055年客聘聘）上海华东东理工大大学（220066年客聘聘）一、落实实创新教教育的三三个重要要举措二、建立立科学规规范的课课程教学学过程三、全面面培养学学生的科科学素质质四、构建建研究式式学习模模式五、学生生成果举举例展示示六、创新新教育与与研究式式学习是是一项综综合教育育工程创新教育育与研究究式学习习模式的的探索与与实践一、落实实创新教教育的三三个重要要

2、举措基本思路路创 新基础知识有效方法科学思维掌握知识获取能力授之 工具传之 方法研究式学习大物理与小物理整体知识结构能量与整体结构物理空间与图象介绍平台与训练题如何讲授大物理（1）讲讲知识、讲思想想、讲方方法三者者并重；（教材材体系内内容的改改革）（2）授授之工具具、传之之方法，在在教师指指导下学学生自主主与研究究式学习习； （学学习模式式、训练练方式与与考试方方法的改改革）（3）加加强大物物理的教教学，加加强物理理空间与与图像的的教学，加强能能量观点的教教学，注注重知识识的整体体结构。（教学学方法的的改革）具体落实实：抓“生成元元”基础，抓素质质能力的的培养，抓知识识的拓展展与转移移，抓研研

3、究式学学习。讲思想：九个原原理二十十性稳定性原原理、对对称性原原理、（哈密顿顿原理、相对性性原理、等效原原理、等等概率原原理）叠叠加原理理、普适适性原理理、对应应原理；（1）对对称性（2）稳稳定性（3）等等效性（4）对对偶性（5）不不定性（6）方方向性（7）临临界性（8）相相干性（9）非非定域性性（100）退相相干性（11）二象性性（122）对易易性（113）叠叠加性（14）普适性性（15）不可预预见性（16）手征性性（177）随机机性（118）相相对性（19）因果性性（200）正交交归一完完备性讲方法 介绍基基本研究究方法440种力学（77）：对对称性方方法（守守恒律）、稳定定性方法法（能量

4、量建模）、动力力学方法法（连续续性、相相对性）、等效效性方法法（引入入惯性力力）、矢矢量空间间法（微微分 合合成 分分解 展展开）、相空间间法（能能动量-坐标 参数空空间）、科学计计算与模模拟法（振动与与波）；相对论论（4）：公式式法（洛洛仑兹变变换）、不变量量法（时时空效应应）、实实例法、几何法法；电磁磁学（55）：叠叠加原理理与实验验定律（库仑定定律 毕毕-沙定定律）结结合法、叠加原原理与边边界确定定内部整整体性质质定律（高斯定定理 安安培环路路定理）结合法法、标势叠叠加求场场法、计算机机作图与与模拟法法（场线线与等势势线面绘绘制 偶偶极辐射射）、动动力学法法（矢量量场微分分）；光光学（6

5、6）：光光程差法法（等厚厚与等倾倾薄膜干干涉）、半波带带法（夫夫琅和费费单缝与与菲涅耳耳圆孔衍衍射）、矢量法法（光栅栅衍射）、数值值积分法法（夫琅琅和费圆圆孔衍射射与爱里里斑）、计算模模拟法（圆振动动与线振振动的合合成分解解）、惠惠更斯菲菲涅耳原原理与波波前作图图法（双双折射）；量子子论（88）：半半经典半半量子方方法、测测不准关关系与索索末菲量量子化条条件法、矢量空空间法（态矢量量 本征征态与叠叠加态）、矩阵阵法（波波函数与与力学量量 本征征方程）、微扰扰法、作图法法（等概概率密度度面）、动力学学法（解解薛定方方程）、统计平平均法（平均值值）；热热物理（7）：唯象法法（热力力学四定定律）、相

6、空间间法（PP-V-T相图图，空间间， 空空间）、状态量量与过程程量的计计算法（内能 熵，热热容量 功）、函数积积分法、分布函函数法、分子动动力学方方法、计计算模拟拟法；非非线性现现象（55）：相相空间微微扰法（单摆）、线性性微扰法法（布鲁鲁塞尔振振子）、李亚普普诺夫指指数法、混沌同同步控制制法、不不变分布布法。二、建立立科学规规范的课课程教学学过程在创新教教育的理理念中，一门课课程的科科学完整整的教学学过程应应包括传传授知识识、应用用知识和和探求未未知三个个环节及及与其配配套的训训练与考考核。在在我国现现行的课课程教学学体系中中，传授授知识成成为主体体或全部部，应用用知识方方面主要要表现为为

7、简单直直接应用用或知识识性、技技巧性应应用，并并且大多多采用学学院式的的习题训训练来完完成，缺缺少研究究型、综综合型与与实用性性的应用用，缺少少对知识识的拓展展与转移移能力的的训练，至于探探求未知知就显得得更加薄薄弱。这这是我国国高等基基础教育育存在的的一个问问题，如如何在教教学理念念与方法法上改变变这一现现状，近近年来许许多教师师都做出出了不少少努力。例如，南京大大学卢德德馨教授授，他在在引导学学生研究究式学习习方面取取得了突突出的成成果和宝宝贵经验验，然而而要从根根本上彻彻底解决决这一问问题，必必须在课课程教学学中建立立一个科科学规范范的教学学过程，使更多多的基础础课教师师在课程程教学中中

8、切实认认真完成成传授知知识、应应用知识识和探求求未知三三个教学学环节。要通过过具体措措施落实实：（1）授授课教案案体现三三个环节节：传授知识识、应用用知识、探究知识识；（2）教教学实施施体现三个个原则：教学方方法多样样化，学学习模式式（干、学组合合）多样样化，交交互方式式（师、生、机机（网）互动）多样化化。三、全面面培养学学生的科科学素质质（1）现现代科学学素质三三要素：理论思思维、实实践技能能、科学学计算与与模拟；（2）高高度重视视解析与与数值计计算模拟拟的现代代综合训训练。具体落实实：与解解析方法法结合，引入计计算机的的数值计计算与模模拟功能能，系统训练练与严格格要求。提供研究究式学习习平

9、台-学生用用计算模模拟软件件平台；（VC+与OOpennGL结结合，适适于理工工类多学学科）（2）新新编写1120多多道研究究式学习习训练题题，与传传统习题题大不一一样，没没有统一一答案，没有最最好的答答案，有有较大的的知识拓拓展与转转移空间间，体现现知识的的整体结结构；（3）把把研究式式学习纳纳入开卷卷考试的的教学环环节，提提出三个个超越：超越教教材、超超越教师师、超越越自己，以保证证教学意意图的实实现。四、研究究式学习习模式我们9年年来的多多次反复复实践，已收到到较显著著的效果果。学生自主研究式的学习多样化的教学方法与学、干结合方式科学规范的课程教学过程，教材与习题建设提供研究式学习的专题

10、与工具教师指导实现知识的拓展转移与创新网上教学媒体资源及网上交互与管理规范化 多样化 平台化 网络化五、学生生成果举举例展示示 多年积积累学生生完成研研究模型型数万个个，论文文万余篇篇，大大大丰富了了基础物物理教学学的内容容，成为为我们推推动物理理教学改改革的巨巨大动力力。我们们在力学学、热统统学、电电磁学、光学、量子论论和非线线性教学学内容中中都有重重要的突突破，都都是来自自于学生生的创新新成果，而且与与时俱进进地持续续发展。20000年湖北北省大学学生优秀秀科研论论文评奖奖赛，华华中科技技大5名一等等奖中有有三名是是CCBBP班的的学生陈陈恒、袁袁浚菘（声音保保密）和和何军(光学混混沌同步

11、步控制);20022年CCBBP班学学生孙翊翊、贾文文川的模模拟机器器人获省省二等奖奖，20003年年获全国国大学生生挑战杯杯二等奖奖；20033年CCBBP班学学生李春春辉的论论文Fouur-pphotton,fivve-ddimeensiionaal eentaangllemeent forr quuanttum commmunnicaatioon获获省一等等奖20055年清华华大学有有一批学学生的优优秀论文文将陆续续整理发发表吴雪兵、柳玉倩倩、李青青山、李李长城、孙之杰杰等大多数学学生能做做到基于于基础知知识的创创新：知知识的拓拓展与转转移，知知识的拓拓展与转转移是最最基本的的创新能能力

12、六、创新新教育与与研究式式学习是是一个综综合教育育工程，它需需要领导导及管理理层教育育理念的的转变和和政策导导向的落落实，需需要各学学科的协协调与合合作，需需要整个个教育思思想、教教学计划划的科学学化，这这是高等等基础教教育落实实党中央央的科学学发展观观思想的的重要体体现，教教育、管管理、政政治都要要为科学学发展服服务，用用邓小平平的话讲讲：这是是一个硬硬道理。高等教教育的科科学发展展在目前前有三个个急需解解决的问问题：11、正确确认识人人才的差差异性与与人才难难得；22、抓住住机遇，全面引引入计算算机的计计算、模模拟、智智能判断断功能与与技术，从根本本上推动动高校基基础教育育的发展展；3、希

13、望我我们的高高校能多多留给学学生一些些思考问问题的时时间，不不要把课课程排得得太多太太满！目目前的状状况令人人担忧！长此此下去，对人才才成长极极为不利利！谢谢各位位！一、项目目的背景景情况前期工作作1编写写了一套套具有现现代感和和信息化化的新型型基础物物理教材材大学学物理学学CCBBP，该教材材是与北北京大学学陆果教教授合作作编著的的，20002年年列入国国家十五五规划教教材并由由高等教教育出版版社20003年年十月出出版；2研制制了一整整套内容容丰富、形式多多样、设设计创新新的提供供学生自自主式，研究式式学习的的教学资资源，包包括：大学物物理CCCBP教教学光盘盘、JAVVA学件件180例、

14、基基础物理理典型模模型三百百例及及C+语言物物理模型型2000例（大大部分已已正式出出版）；3研制制设计了了一套网网络电子子版的基基础物理理教材（也是国国家新世世纪工程程项目，包括FFlassh动画画1200个），已通过过国家验验收，即即将出版版。4.创造造了一套套系统的的培养学学生创新新能力的的教学方方法和训训练模式式，发表表了教学学研究论论文十多多篇，其其中一篇篇获全国国首届大大学物理理优秀教教学研究究论文一一等奖。520001年年在华中中科技大大学成立立了大大学物理理CCBBP课程程组，20001-220033年每学学年在华华中科技技大学五五个院系系15000名学学生中进进行规模模化的教

15、教学实践践并取得得了丰硕硕的成果果，学生生的优秀秀作品和和论文有有的获得得省大学学生优秀秀论文一一、二等等奖。有的在国国外SCCI重要要物理期期刊上发发表。教育部教教材发展展研究所所资助立立项20044-20005年年我在北北京五所所高校各各办了一一个试点点班，学学生总人人数达到到9000多名，在高等等教育出出版社刘刘志鹏社社长亲自自关心和和教育部部教材发发展研究究所直接接资助下下，我和和清华大大学吴念念乐教授授、王怀怀玉教授授联合申申请立项项，重点点研究与与探索如如何把研研究式学学习模式式科学化化、规范范化和实实用化。经过一一年多努努力，已已取得较较显著的的效果，项目合合同的三三项指标标已完成成两项，数字化化媒体光光盘也可可如期整整理完成成，这次次报告会会是向各各位领导导和专家家汇报我我们的工工作及主主要的观观点与做做法，同同时举办办清华大大学与华华中科技技大学试试点班学学生的工工作成果果作品展展，希望望得到各各位的批批评指正正。六、创新新教育平平台介绍绍（办班班培训教教师3-5天）1、VCC+与与OpeenGLL（三维维、透视视、光照照、材质质）结合合；2、使用用加减法法与掌握握