跨学科教学_大学物理教学范式的转变.pdf

物理与工程 Vol 20 No 1 2010 基金项目 山西省教育科学 十一五0规划课题 GH 06175 作者简介 阎元红 1957 年出生 男 山西沁县人 太原师范学院物理系副教授 教育学硕士 研究方向 物理教育 科学教育 跨学科教学 大学物理教学范式的转变 阎元红 太原师范学院物理系 山西 太原 030031 收稿日期 2009 07 22 摘 要 本文从科学发展的趋势 国外大学理科教育的角度 我国大学物理教学的传统以及当 今社会对具有跨学科研究能力人才需求的视角 讨论了在大学物理教学中跨学科教学 的内涵 价值 范式 理念 领域 途径与方法 给出了跨学科联系的实例 关键词 大学物理 跨学科教学 范式 运动生物力学 量子生物学 1 问题的提出 20 世纪后半期 科学技术的发展呈现出既高 度分化 又高度综合且以综合为主的趋势 在科学 发展的 分合运动中0 物理学作为自然科学的基 础学科 一方面随着新现象的发现 新概念的产生 及其向纵深方向的不断发展 在内部形成了众多 的分支学科 如量子电子学 量子光学 非线性物 理等 另一方面 物理学的横向拓展使之渗透到自 然科学领域 形成了众多的跨学科研究和交叉学 科 如物理化学 量子化学 量子生物学 生物物理 学 地球物理学等 跨学科研究的出现 从本源性 动力方面来说是知识不断增长与发展的结果 学 者的好奇心促使他们在自由地探求学问时不可避 免地会突破原来专业领域的界限 这是知识发展 的必由之路 因为 每一个专业都要跨越自己的专 业界线进入目前尚未标界的领域才能不断进 步0 1 在此背景下 美英等发达国家的高校 依据 现代科学知识的日益综合而将课程整合成跨学科 的课程 如开设 物理和数量的科学与技术0 物理 学和化学 化学物理学等 斯坦福大学的 多学科 教学 与 研 究0 Multidisciplinary Teaching and Research 行动 2 法国大学强调本科教育的 多 科性0和重视基础知识的跨学科教学 3 德国各州 倡导跨学科教学方式 4 等等 其目的都是要在跨 学科课程学习的基础上培养宽广专业面的人才 比较而言 我国大学物理教学就显得相对封 闭与保守 尽管近十几年来我国大学物理在推进 教学内容现代化 教学方式多样化等方面做了大 量的工作 但是 教学缺乏跨科学的沟通和联系 专业学科间壁垒森严的问题尚未引起人们的关 注 导致了不少学生读了四年书 既不清楚本学科 的前沿问题 又对学科的综合交叉不甚了解 更对 科学发展最有前途的交叉地带缺乏敏感 这种现 状与当代物理学的分化与综合形成了强烈的反 差 与科学发展趋势与社会对人才的要求极不匹 配 同时也不符合国际高等理科教育的趋势 随着科学技术的进一步发展 当今社会更需 要具有跨学科研究能力的人才 因此 在大学物理 各门学科的教学中进行跨学科联系 让学生了解 所学专业知识的横向价值 增强学生的跨学科意 识 培养学生跨学科解决实际问题的能力以及为 日后从事跨学科研究等都是十分必要的 2 跨学科教学 内涵与价值 2 1 跨学科教学的内涵 1989 年 美国学者舒梅克 Shoemaker 在跨 学科学习基本定义的基础上提出了跨学科教学的 定义 教学将跨越学科界限 把课程的各个方面 组合在一起 建立有意义的联系 从而使学生在广 阔的领域中学习 随后其他教育家也提出了对跨 学科教学的理解 共同的解释是跨学科教学是指 53 物理与工程 Vol 20 No 1 2010 以一个学科为中心 在学科中选择一个中心题目 进行加工和设计教学 5 2 2 跨学科联系教学的价值 美国 国家教育进程项目0的研究结果表明 当学生以单学科的形式学习基础知识时 他们在 思考和推理过程中并不能有效地应用他们所学的 知识 6 而跨学科教学使学生在跨学科学习时会 发现物理学科知识在其他学科中加以运用 清楚 地认识到他们所学知识的真正价值 从而激发学 生的学习动机 学生在不同背景下应用所学知识 的过程中 不仅有助于加深对已有知识的记忆 而且能通过对知识的应用加深理解 通过跨学科 教学 使零散的学科知识依据学科间的内在联系 进行整合 通过整合 使学科知识变得更加丰富 充实 学生在整合后的知识中不断获得发展 用联 系的思维对知识进行整体性理解与全面把握 使 学生的思维超越学科间的界限 培养他们以全面 的观点思考问题 现象及方法 3 跨学科教学 大学物理教学范式的转变 3 1 传统教学的范式 我国大学物理教学长期以来沿袭传统的教学 范式 即教师按部就班地讲解 提出问题 引入 概念 讲解物理规律 应用规律解题 学生 听课 记笔记 做作业 考试 即使在教学中开 设 窗口0与 接口0以渗透现代物理知识 引进多 媒体教学手段以增强教学的实效等 但从根本上 并没有突破学科界限和传统的教学模式 仍然在 封闭的学科体系内讲授而没有发生实质的变化 这样的教学只能使学生知晓物理学中的基本概 念 原理 只会做一些理想化后的题目而不知其实 际的应用价值 3 2 跨学科教学 一种新的教学范式 在大学物理教学中实施跨学科教学 与传统 的教学范式相比 就是建立起不同学科间的联系 变学科本位主义的封闭式大学物理教学为物理学 科逻辑 学科理性下的跨学科 关联性 开放式教 学 它使僵化的物理教学变成活的教学 价值得以 体现的教学 能引发起学生兴趣的教学 总之 就 像英国著名的科学家 J D 贝尔纳所倡导的一种 有生气的教学0 是一种新的教学范式 1 跨学科教学理念 科学的综合化趋势必然导致科学教育的综合 性和跨学科 而发生在工业化社会向科学社会转 变的过程中所急剧增长的知识 不再受学科界限 的限制 科学和社会各领域关键性问题的解决 使 得某一种专门知识不能单独胜任 同样 原有知识 的价值总是借助于相关学科才能得以体现 大学 物理跨学科教学正是基于这样的理念 2 跨学科教学领域 我们知道 物理学是自然科学的基础 是新科 学新技术的重要生长母体 许多当代新科学都是 借助于物理学的基本理论和基本方法创建起来 的 物理学与其他自然科学的交叉与相互作用 曾 经产生并形成了诸如生物物理学 物理化学 量子 化学 天体物理学 地球物理学 大气物理学 海洋 物理学和空间物理学等诸多的交叉学科 因此 在 大学物理教学中进行跨学科的领域是众多的 一 般来说 有化学 生物学 信息科学 天文学 环境 科学 技术等跨学科领域 3 跨学科教学途径与方法 在大学物理教学中进行跨学科联系 可通过 教学内容 习题 专题研究项目 学期小论文等途 径实现 方法上 可以在大学物理的某些内容上开 设 接口0 以物理学基础理论或方法为 源0 以其 在其他学科中的应用为 流0进行跨学科的教学 还可以通过精选例题和习题来体现跨学科间的联 系 下面我们以植物的光合作用为例 来阐明通过 无限深势阱 量子跃迁的教学实现与生物学的 联系 7 植物体内所有色素只有叶绿素 a 直接参与光 合作用的光反应 研究发现 在众多的叶绿素 a 中 只有极少数处于特殊状态的叶绿素 a 分子才能进 行光反应 而其余绝大多数的叶绿素 a 吸收光能 并将其传递给反应中心叶绿素 a 叶绿素 a 大分子 结构中的电子被束缚在分子内 可以视其为处于 无限深方势阱中的粒子 由于照射到地面上的太 阳光场场强一般都小于103V m 1 而原子内的 场强为1010V m 1 相比之下 太阳光场非常弱 可视为含时微扰 所以 可以用量子力学中的无限 深势阱模型和微扰理论来计算叶绿素 a 中电子跃 迁的概率 太阳光场可表示为 Ez t 1 2n2En t exp iXnt 态跃迁到 m 态的跃迁 几率为 W 2P h 2D X mk X 3 式中 e 为电子电荷 E t 为电场强度峰值 X为太 阳光频率 Xmk为叶绿素 a 分子的固有频率 利用 一维无限深势阱的波函数 W x 2 L 1 2 sinkPx L 4 代入式 3 计算得 W Pe2E2 t 2h xmk 2D X m k X 5 其中 xmk 4mkL P 2 1 m k 1 m 2 k 22 由式 5 可知 只有当外界照射的太阳光含有 频率 Xmk时 叶绿素 a 分子中的电子才能从 k 态跃 迁到m 态 吸收光子 从而进行光合作用 4 大学物理教学中的跨学科联系 大学物理不同分支学科教学中有着丰富的跨 学科教学内容 如力学与工程 流体与空气动力 学 热辐射与温室效应 热力学与物理化学 电磁 波与环境科学 光学与环境光学 同位素与考古 学 量子力学与化学 生命科学 鉴于篇幅所 限 在此我们仅举两个跨学科的例子 4 1 经典力学与运动生物力学 8 生物力学作为生物物理学的一个分支 是力 学与生物学融合而形成的一门边缘性学科 它研 究的内容涉及生物体与力学有关的所有问题 它 是从力学原理出发来研究复杂的生物体 作为生 物力学分支学科的运动生物力学 是研究人体运 动力学规律的科学 它研究运动中人体所进行的 各种动作 以及在各种不同条件下人体产生运动 和运动状态改变的力学和生物学原因 运动生物力学的研究方法之一便是物理学中 经典力学的研究方法 该方法排除运动中的人体 生物学因素 即不去讨论人体系统的能量 不包括 骨骼肌做外功的机械能 物质组成及其生化特 性 只着重考察体育运动中人体系统状态随时间 的变化 即研究人体系统的 外特性0 整体的运动 学特征 动力学特征以及人体基本参数 用经典力学的方法体现在 首先对人体进行 刚体处理 尽管刚体或刚体系在物理本质上与活 体 人 系统极不相同 但两者在力学行为上却表 现出相似性或者相似的力学功能 合理地应用模 型可使复杂的生物原型问题得以简化 合乎牛顿 力学规律 其次就是把活体当作一个 完整的 被 表皮包裹着的物体0而不去打开的 黑箱0 当人体 对外施力时只研究与约束相接触那一点 而不深 入分析在生物体内部力的发生 分布与传递的具 体过程 当然更不从生理 生化的层次去研究其生 理过程和生化反应诸细节 在运动生物力学中 人体惯性参数是指人整 体及环节的质量 质心位置 转动惯量及转动半 径 它是建立人体模型的基础参数 是人类学及人 体科学研究的重要组成部分 在人体运动技术影 像分析 战斗机弹射座椅设计 宇宙飞船专用假人 设计 国防工业 医学等领域具有广泛的应用价 值 因此 近百年来对人体惯性参数的研究备受国 内外科学工作者的关注 在大学物理教学中 我们 完全可以将质点 刚体 转动惯量 质心 力等基本 概念和原理运用在运动生物力学中建立人体惯性 参数模型上 从而实现经典力学与运动生物力学 中间的跨学科联系 4 2 量子力学与量子生物学 我们知道生命是物质的 所以物理学的发展 也必定要涉及涵盖生命物质运动规律的研究 量 子生物学就是运用量子力学的理论 概念和方法 研究生命物质和生命过程的一门学科 也是现代 分子生物物理学发展的必然结果 因为分子生物物理学要探讨生物分子的相互 作用 就必然要研究分子周围的电子行为 而描述 电子行为的理论就是量子力学 那么量子力学是 如何运用在生物学中的呢 原则的方法是 9 1 根据所研究分子的结构 选定合适的波函数 代入波动方程求解 2 将所得的结果和所研究 的生物结构相联系 3 近似计算的结果再与实 验结果相互印证 计算的结果可得到两类不同性 质的指数 能量指数和结构指数 前者说明体系的 能量状态 如轨道能量 跃迁能 电子能 电子亲合 下转第 58 页 55 物理与工程 Vol 20 No 1 2010 科物理课程的教学模式 看似是对学生严格要求 实际上却使学生对物理课程更加反感和抵触 结 合实际是强调相关物理理论在实际中的应用 介 绍实际应用时不应局限于物理学在医药学中的应 用 应使学生看到物理就在我们身边 我们在教学 中通过介绍相关物理学史 课堂提问 课堂讨论以 及留课后思考题等方式培养学生对物理学的兴 趣 引导他们积极思考 通过对国内医药专业物理课程现状的分析和 思考 以及我们多年的教学实践 我们认为 只有 充分考虑医学生的特点和需求 把物理学中已经 形成的科学知识 科学方法 科学观念和科学精神 贯彻到医药专业物理课程的教学中 才能最大限 度地发挥物理学在医药人才培养中所起的作用 参 考 文 献 1 童家明 刘成玉 周晓彬 易红英 刘春波 普通高等学校医 药类专业物理理论课教学现状调查 大学物理 2005 24 7 55 59 2 童家明 刘成玉 周晓彬 易红英 刘春波 普通高等学校医 药类专业物理实验课教学现状调查 物理与工程 2005 15 4 49 53 3 喀蔚波主编 医用物理学 第 2版 北京 高等教育出版社 2008 4 喀蔚波主编 医用物理学实验 第 2 版 北京 北京大学医 学出版社 2008 上接第 55 页 势能等 后者说明分子的结构特征 如键级 自由 价 电子电荷等 量子力学把分子中的原子核看成是一个 骨 架0 核外电子围绕此所谓的骨架运动 由于生物 分子是由许多原子组成的一个体系 在量子力学 处理这种复杂体系的多种方法中 最常见的是分 子轨道法 该法认为当原子组成分子时 原来属于 某一原子的电子 将在整个分子范围内运动 其轨 道不再是原来的轨道而成为整个分子所共有的分 子轨道 对于生物体系比较普遍的共轭体系更是 如此 在具体运用时 认为原子轨道线性组合的方 法就称为原子轨道的线性组合法 因此 分子轨道 就是薛定谔方程中的波函数 为 5 C1U1 C2U2 CnUn 式中 U1 U2 分别表示各原子轨道 的波函数 它们可以通过解薛定谔方程求得 5 结语 纵观科学的发展 已经使传统学科之间的边 界模糊 淡化 两个传统学科的分支领域之间的 联合可能超过一个学科内部两个分支之间的联 系 例如一些领域中很难区分物理和化学之间的 界限 固体物理一些领域与结构化学之间的联系 远比它们和粒子物理之间的联系密切 分子生物 学与有机化学的联系也远远超