毕业论文关于美国大学物理专业教学改革的研究.doc

关于美国大学物理专业教学改革的研究 摘要：第一部分介绍美国物理教育的基本情况；第二部分介绍美国大学生在学习方面的情况；第三部分结论及对我国大学物理教育的建议。关键词：导论课；物理专业；建议The research about the physics professional reform in education of the university of U.SAAbstract: The first part introduce the basic situation of physics specialized education of U.S.A, the second part introduce the American university students situation in study ,the third parts of conclusions and suggestions educated to university physics of our country.Key words: introduction lesson; physics specialty; suggestion。 1引言 美国的教育研究有着悠久的历史，而且比较完善，先进。在此我们来把美国大学物理教育的改革和我国物理教育的现状做比较，从其成功中借鉴好的经验，在其糟粕中吸取教训，为我国大学物理专业教学服务。2 美国大学物理教育情况2.1物理专业的现状 物理专业的特点是连续性强，以微积分为工具的导论课是专业的基础，要学完大学四年的物理专业课程，不管学生今后的方向是什么，都必须从踏进校门的第一天起就学习物理导论课。事实上，要想获得成功，应在入学前就要有所准备，在高中阶段未学过于大学学习有关的数学和自然科学知识的学生是很难学好物理的。然而，大多数高中毕业班并没能为学生提供学好大学传统的物理导论课所需的基础知识。在大学新生中，只有不到百分之二十的人学过高中物理并把微积分作为大学的必修课程。在60年代和70年代，物理学士数下跌了50%，到了80年代，每年获得物理学士学位的人数开始上升，从较低4400人上升到5200人，其中妇女占4.4%，在物理专业的学生中，黑人占3.5%。拉丁美洲人占1%，亚洲人占4.4%，1/3的人成为物理专业的研究生；20%的成为其他专业的研究生和职业学校的学生，如：工程学，法律或医学专业，约有40%的人在民政部门就业，其中工业部门占25%，政府机构占11%，高中教师占4%，还有7%的人进入军事机构。几十年来，这样的比例始终保持稳定，即使在物理专业学生数增加约20%的情况下也一样。尽管近几年物理专业的学生人数有所增加，今后十年内物理学家仍可能严重短缺，因为有许多工业部门中和教师岗位上的不同层次的工作人员将要退休。2.2物理专业教学大纲的目标美国物理教学大纲的一般目标是：要深刻理解科学推论的实质而不满足于听课所获得的知识。物理专业的学生应懂得，科学的进展离不开训练有素的研究和发现，离不开错误的开端和富有灵感的猜测，离不开偶然的事故，矛盾对立以及有效的技术，对大量的实验结果进行测试，理论与物理模型的变换将符合一个定义得好的准则。 掌握物理学的概念和方法。学生能灵活运用物理学的概念和方法来解决理论的和实验的问题。能够把物理概念及表达式（如：图，表，方程式等）与存在与现实生活中的研究对象相联系。学生应能建立客观过程的模型，不局限于物理学范畴。对于所获得的消息，要能进行合理的定量分析和推理。 2.3 物理专业的课程 大学物理教学大纲不仅在美国而且在全世界都有着惊人的一致性。一门一至二年的导论课作为专业学习的开端。导论课概述五个基本专题。这些专题创立于19世纪末,20世纪初。它们是：力学，热学，电磁学，光学和波，量子物理学。另外，学生还要上六至十二学期的专业课。无论在综合性大学还是在规模不大的学院，可授予学位的（文学学士或物理学学士）的物理学课程中都少不了这门中等程度的核心课程，各校的重点也许不一样，但这五个基本专题却总是保持不变。其他专业课及选修课还有声学，波动物理学，计算物理学，相对论，高级实验技术，原子物理学，固态物理学，核物理学，基本粒子物理学，激光和现代光学，流体动力学。许多为这些课程编写的教材正在被广泛地使用，这就体现了物理学课程的一致性。通常，我们把物理学课程的结构形容为螺旋形。上述五个核心专题至少要在选修课和专业课中被重复两次，而更常见的是要被重复三次。每门课对后继课来说都是必不可少的。中级和高级课程侧重于增加概念复杂性和数学的复杂性，用综合以前所学过的知识的方法来讲授这些核心专题。因此，首先学好核心课程对于今后学好选修课来说是很重要的。为了掌握数学这门工具以便学好物理专业课，物理专业的学生要学习微积分，多元积分和矢量分析，微分方程和线性代数。有些程度更深的课程还要求学生掌握偏微分方程和复变函数，尽管这些内容在物理课中也会涉及，一般物理专业的学生至少五至六个学期的数学课。2.3.1大学物理导论课以微积分为基础的导论课是通向物理学，其他物理自然科学和工程学三门。据统计，每三十名学生中只有一人能顺利学完大学物理导论课，除物理专业学生外，其他自然科学，工程学，医科大学预科和生物学等专业学生也必须学习导论课，以微积分为基础的导论课能为学生提供选择学习不同科学知识的机会。只有一门通往更高层次的物理学研究工作的课程势必给学生，教师和学校带来一定的困难。导论课成了一些学生不能逾越的障碍。通不过这门课，就不能继续专业学习。少数得以继续学习专业课的学生给人一种印象，似乎导论课是在选拔那些已具备某种推理技能的学生。导论课可以加强这种技能却不能培养这种技能。撇开原因不谈，有相当数量基础较差的少数民族学生没能通过这门课程的学习。相对来说，选择继续学习物理的女学生的数量很少。她们的困难可能在于没有学好数学物理基础知识，也可能在于学习方法有问题。还有一些学生不愿继续学习物理可能是因为导论课的表达很有限，不能吸引学生，也可能是因为所选专题的局限性。导论课成为学习障碍的问题在一些小学院的物理学已成为一个举足轻重的问题。因为在这些系里，没有很多的物理系学生来呼吁解决好配备物理专业师资的问题和使师生们都能保持充足的信心。然而，几十年来，导论课的这五个专题总是保持不变，仅仅是在侧重点和表达方面有些变化而已。这些变化产生于多次对地区性或全国范围内导论课发展的讨论及修改，产生于近期物理学的发展。新的发现，作为变化的重点的，作为传统的题目的补充，或作为对基本原理和概念的运用及说明而出现在课程内容中。在全国范围内，现代化的计算机，数字处理和计算机辅助教育还未对物理学的教学方式产生较广泛的影响。直接对物理现象进行实验是学习物理的一个基础部分。物理学注重观察，测量，建立模型，对自然界进行概括。示范教学和实验的目的是要让学习了解实验的步骤，从而能在此基础上测试模型和解释自然现象。学生还须学习做记录，测量和分析自然界的变化。由于理论与客观世界之间总可能有不太一致之处，学生对此应有所了解。实验的模型（现在可以使用计算机软件）还是很不够的。但是通过计算机辅助获得数据进行分析及结果演示，可使学生从烦琐的计算中解放出来，把更多的精力投入到处理好实验的方法及概念问题中去。2.3.2中高级实验在大学物理教学大纲中，无论中等程度还是高级的都要使学生有机会做实验。对师生双方来说，实验课的教学困难更多，所需时间及经费也比导论课时的实验课要多得多。不应使用较便宜的替代装置和替代方法，因为这样的实践是教学的基础部分。高级实验课的目标是在导论课实验的基础让学生自己做经典物理实验，观察物理现象。还要引进先进技术，使学生能把课程中的范例很好的运用于研究工作，并学会熟练的使用各种仪器，高年级学生要更直接地接触与测量物理现象有关的问题：选择合适的测量技术和设备，选用适当的刻度，测量分析数据，选取所需的信息，对特定的情况做出推论性的解释。2.3.3专门化问题对物理专业来说，有一点是很重要的，即要鼓励学生广泛全面地了解物理学科，学生获得的学位是物理专业的学位，而不是诸如核物理或凝聚态物理之类的任何专业化的学位，专业课程要到研究生时期的第二或第三年才正式开始。所以，不应该提倡较早地在大学课程中开设专业课。我们应该牢记这一点，物理学家应该受广泛的训练，具有从广泛的客观实际的实践中综合模型的能力。大学期间的六至十二学期的课程为今后从事不同职业的学生提供各种学位，那么要进入研究生院学习的学生则可以选择更高的课程。这一点并不是所有的大专院校都能做到的。 2.4物理学科与其他学科领域的联系 物理学科与其他学科有着广泛的联系，许多获得物理学学士学位的学生后来成为其他学科领域的研究生，如：数学，天体物理学，地球物理学，大气科学，海洋物理学，材料科学，工程学，化学物理等，许多规模不大的院校以口头介绍或组织参观访问来丰富法学生的知识，帮助他们了解相关领域，综合性大学同样也能做到这一点。数学是物理学的工具，所以数学与物理学之间的联系十分密切。物理专业的学生都要学几门大学的数学课。要使教学更符合教师和学生的共同需要，加强物理与数学课教师间的联系也许是有效的。讨论可以使课程及其要求的制订或修改更加连贯。物理教师要对数学模型的意义作更多的描述，以此来丰富自己的教学。通常课程中没有物理学史及哲学，物理学的社会意义方面的内容，要介绍这些专题：可采取下列三种方式：1.把这方面的内容作为课程的一部分；2.另外开设有关这些内容的物理课；3.把这些内容作为各系课。物理学史专家和物理学哲学专家讲授的物理学史及哲学课常常最为精彩。3 学生学习方面的研究3.1综合学生的知识物理学的特点是具有统一性和逻辑结构，其各个分支学科之间有着内在的联系。自牛顿证明地球上的物体与月球和行星遵循同一自然法则以来，统一性已成为人们要了解自然界的一个主题。一个半世纪以后，奥斯特又揭示电和磁可能是一种更基础的电磁现象的二种形式。后来，麦克斯韦又证明光是电磁波的一个特例。物理学的统一性通常体现在数学上。早在听导论课时学生就知道光波和声波的表达式相同。不同之处只是对表达式中符号的解释。通常只有导论课才力图通过综述整个物理学领域来引导学生对物理学统一性的关注。虽然以后那些更趋专门化的课程仍与核心专题有所联系却是因为物理学课程的结构是螺旋形的。所以，“最深奥的课程”这样的说法只属于金字塔和树形结构的课程而不适用于物理课程。那些结构的课程，一般都较早就深入到专业领域去了。还有一些综合性的措施。如高年级学生中实行综合考试，大学生参加研究工作。许多系科要求建立高年级学生的综合考试制度，要求所有的大学高年级学生都参加。这种考试能使学生全面地复习大学期间所学的知识，各高等院校的实行情况大不相同。在一些学校，师生们对这类考试的态度草率和马虎；而在另一些学校，对待这类考试就比较严肃认真。有的学校里有一些专门负责增强高年级学生之间的相互联系，或促进师生之间的联系，共同复习迎考。在这样的环境中进行的综合考试就会激励学生去仔细地洞察物理学内部的多种联系。大学生参加研究工作也能达到这样的目的。研究工作的范围很广，可以在教授的实验室当助手，或利用暑假到某个试验室去谋个职位，还可以为获得较多的学分，完成某个需要一年时间的规划并写出重要的论文，或上公开课和进行口头论文答辩。这些做法虽不能确保学生全面了解贯穿于物理学科的各种内在联系，却要求学生能综合几年来在大学中所获得的技能和知识。如果安排合理，能让学生了解物理学家实际从事的工作，从而获得比平时从一般课程中得到的更真实和精确的介绍。目前还有人不赞成大学生从事研究工作，如果一个学生的毕业论文做得非常认真，可能会因此延长做研究工作的时间，也就是说会占用一些高级课程的时间。而这些课程又是被看作是用来扩充专业内容覆盖面和增加学生进入研究院的机会的。这时就会有不同的看法。事实上，高年级学生论文计划的好处是很多的。有的物理教学大纲中，没能为学生提供综合性的学习机会。尽管一些目光敏锐的学生能捕捉到物理学的统一性，或者可以由教授们不时地告诉学生，还是应做好这方面的工作来强调物理学的统一性，宁可减少一些传统的课程，因为这种变化对学生有利，不管他们是否继续研究生学习。3.2书面报告和口头表述 众所周知，学生应有较强的书面报告和口头表达能力。分析思考和清晰表达思想两者缺一不可。学生们要有口头表达和书面报告物理学知识的实践机会，要学习向专家或非专家们介绍自己的思想。高级实验和讨论会为学生提供了作口头报告的机会。一些已参加研究工作的学生也常常要对自己的工作情况作正式的口头介绍。但是，大多数学生没有足够的口头表达机会，教师应积极地为他们创造条件。有一些物理教授要改进学生的写作能力，因此要求学生写出思路清晰、结构严密的文章来,偶尔还布置学生写论文，并在考试中出一些问答题。有一些高校很重视学生的写作能力，然而，许多教授不愿对学生的写作能力进行评论，有些人认为让物理学家来评估不合适，让学生自己去改进吧，结果，几乎在所有的地方，很少有人要求学物理专业的大学生写一段文章，甚至是一段完整的句子。实验报告不包括在内，因为实验报告通常是由未经专门训练，一般无人指导的助教们来指导的。3.3关于学生学习方法的研究在过去十年里，物理教师和其他人一起为改进物理教学而进行调查学生学习方法方面的研究。现已发现了一些学生所碰到的共同的有关概念及推理方面的困难。调查的结果已被用来设计强调具体难点的教学，并且已对高中和大专院校的物理学导论课的教学产生了影响。有一点很重要，就是要把了解学生的学习方法和培训物理教师及助教有效地结合起来。以此来改进高级物理课程的教学方法，训练想成为教师的学生，要进一步帮助物理教师掌握学习方法。人们已越来越清楚地认识到，改进中学物理教学工作需要有一批合格的中学物理教师。物理专业的学生有的将从事教学工作，他们在大学中的学习就变得十分重要，应把研究成果很好地运用到大学的教学方法中去。3.4基础较差的学生要通过大学物理导论课的学习，没有足够的中学基础物理数学知识是不行的。结果，导论课常常成为一些学生的学习障碍。与其他专业相比，物理专业很难吸引那些基础较差的少数民族学生和女学生。这种现象不太理想，很大程度上与物理专业课程的连续性有关，和学生应具有的基础知识有关。不同的社会经历，缺少高中自然科学和数学方法面的基础知识使女生和少数民族学生总是处于劣势。现已制订了一些教学大纲来帮助基础较差的学生，使他们能顺利学完导论课。学生的困难还远远不止数学问题。为了理解抽象的概念，学生就要学习建立真实生活的抽象模型。在这方面，基础较差的学生有着与其他学生相同的困难，只是程度上有所不同。为帮助这些学生获得成功，教学大纲规定，在大学一、二年级时，增加每周的师生联系时间。按照含有补充基础知识课程的教学大纲，学生要用多于四年的时间才能学完物理专业的所有课程。为了排除导论课这一障碍，要重视设计为基础不一样的学生所开设的各种课程，许多学校这样做了，以此来满足学生选择不同职业的需要和帮助教学基础较差的学生。一定要增加补充基础知识的课程，否则那些基础较差的学生是学不好物理的，要帮助女学生和基础较差的少数民族学生树立学习物理的信心就要在导论课中和高级课程中为他们树立榜样和提供良师益友。这些人可以是一些与他们经历相同和处于相同地位的人。3.5计算技术在物理学中的作用学生获得了有效的计算工具正给物理学带来巨大的变化。然而，也正因为这一点，物理陷入了困境。十七世纪就被引入至今仍在不断改进的分析数学技术使现代物理学得以持续发展，使物理学的进展不必过分依赖详尽的数值计算。学生们以精通计算机的使用并以此来增加对物理学的分析也就显得极其重要。计算机可用于收集和分析数据，进行复杂的运算，探讨分析式的实际含义，进行复杂的模拟和处理全新的过去无法解决的问题。对没有从事物理学的研究工作的人来说，怎样才能融计算机技术于大学物理专业课程之中是一个十分重要的问题。4 结论及对我国大学物理教育的建议六十年代，召开过一系列有关大学物理课程性质的会议和专题讨论会，有许多美国物理教师参加。那些广泛而详尽的研究报告已发表了许多年了，建议，广泛动员物理学学术团体和广大教师参加对物理课程改革的讨论。有些物理系已对大学课程进行研究并提出课程的目标，还就此进行定期的评论。建议，所有的物理系都来研究大学教学大纲的目标，并采取措施确保定期进行评论。有过许多关于改进物理学导论课的建议，当前主要是建议把那些物理学家认为属于本专业的，新的，有趣的和突出中心的内容作为重点。建议，要特别重视物理系“客户”们的需要。报告中提到，要把综合学习作为大学物理教学大纲的一个部分。建议，让每个物理专业学生都获得这样的机会，宁可减少一些正规的课程也要鼓励学生这样去学习。待添加的隐藏文字内容3某些规模不大的文科院校的物理系，通过学术讨论会和专家讨论会来丰富学生的物理知识 ，加强与相关学科的联系。而一些规模较大的高等院校里却很少采用这样的方法。建议，在所有的大学物理教学大纲中都加上这样的安排，使学生能在课余时间里畅谈自己的。使学生清楚了解物理系及有关知识的工作已取得了很大的进展。建议，把已获得的研究成功运用到各种程度的物理教学大纲中去，并将这项研究继续深入到物理学的其他课程和以后的教学大纲中去。多年来，受过培训的高中物理教师一直严重短缺。建议，所有的物理系加强直接参与培训物理教师的工作，把重点放在物理专业内容方面和前面提到的有关学习方法方面的研究成果等。六十年代对大学物理课程研究强调，要重视提供适合不同对象的教学大纲。打算毕业后参加工作和继续其他专业研究生学习及接受职业教育的学生在那时就是学生的主体。尽管一些物理专业的教学大纲能适应这部分学生的需要，大部分的则不适合。建议，所有的大学物理教学大纲要有足够的灵活性，要以此帮助那些具有扎实物理基础知识而准备就业或从事相关领域研究工作的学生。建议，要让学生选择物理专业作为获得人文学科学位的部分课程。计算机价格便宜，有效而又使用方便。它的问世为物理学创造了良好的条件。建议，认真研究如何把它运用到物理教学中去，做到既能增加学生的知识又能使学生不脱离参加物理学研究工作的实践。书面表达能力是学好物理学知识的一个重要方面。建议，要求物理专业的学生经常写一些关于物理学科变化的书面报告。实验报告不包括在内。应要求学生用书面形式来表达物理学的观点。其形式可以是测验，考试，写论文和做评分的课堂作业。口头表达自己的观点是物理家研究工作中的一个重要内容。建议，改进大学物理课程，为学生提供跟多的口头表达自己观点的机会，近年来，以纯教学大纲所强调的传统物理学与数学之间的联系有所减弱。建议，物理教师要与数学教师加强联系，相互交换意见。根据传统的作法，物理教育主要靠讲课和做实验。建议，向那些正在对此进行改革的学校学习，改变一下教学的手段。目前对物理专业的女学生和少数民族学生重视不够。建议，要有更多的学校来制订能鼓励和帮助这部分学生顺利学完物理专业课程的教学大纲。物理专业中出现对某些学生的重视不够，这显然与他们不具备足够的高中数学物理知识有关。建议，要让物理教学大纲更加灵活，使学生能在入学一年后较为轻松地进入专业课程学习并完成大学四年的学习要求，获得物理专业的学位。 答谢：本篇论文自始自终由杨江河老师指导下完成的，在此表示由衷的感谢。另外卢刚，黄凌峰两位同学也给予了大力支持。 参考文献：1.梁建锋. 美国教育M. 合肥：中国科学技术大学出版社，2002. 2.骆炳贤，何汝鑫. 中国物理教育简史M. 长沙：湖南教育出版社，1991.3.殷传宗等. 物理教育学研究M. 成都：四川科学技术出版社，1996.4.丁钢. 中国教育M. 北京：教育科学出版社，2002.5.袁振国.中国教育政策评论M. 北京：教育科学出版社，2002.6.王小力.美国大学物理教学特色兼谈对我国大学物理教学的改革建议J.比较教育研究，1999，（1）：912.7.王小力.美国大学物理教学改革评价J.广西民族学院学报（自科版），1996，（2）：1013.8乔玉金.21世纪美国高等教育M.北京：高等教育出版社，2000.