浅论大学物理中的拓展教育

  拓展教育是基础教育的一种延伸和扩展。从形式上而言,拓展教育更注重教学的实践性和创新性。由于拓展教育的特质,受到各专业课程教师的越来越多的关注。本文先以直观简洁的语言阐述了拓展教育特别是大学物理中的拓展教育的定义。并结合半波损失的拓展教学,阐述了大学物理教学过程中加强创新教育的重性和可行性。 
  关键词拓展课程;工科物理教育;创新教育 
  中图分类号G642.41?摇 文献标志码A 文章编号1674-9324(213)33-162-2 
  什么是拓展教育?从内容上说,拓展教育是基础教育的一种延伸和扩展。从形式上而言,拓展教育更注重教学的实践性和创新性。由于拓展教育的特质,受到各专业课程教师的越来越多的关注。拓展教育已在包括中学,小学甚至幼儿教育中得到广泛的推广并取得成果。各个学科各个分支均有其与自身相关的研究和实践。作为一个从事多年大学物理教学的工作者,长期以来我一直在关注拓展教育在大学物理课程中的应用。我所思考的是在大学物理中如何有效地开展拓展教育?它应该包括哪些部分?如何在基本教育和拓展教育中进行合理的安排? 
  我们必须认清拓展教育在大学物理课程中的重地位。物理课的作用一方面在于为学生较系统地打好必的物理基础;另一方面使学生初步学习科学的思想方法和研究问题的方法。这对于开阔思路、激发探索和创新精神、增强适应能力和高人才科学素质具有重意义。学好大学物理课不仅对学生在校学习十分重,而且对毕业后的工作和进一步学习新理论、新技术和不断更新知识都将产生深远影响。教育部拟定的规划学时(136学时)能够基本保证工科后续专业课程学习的求。但由于课时或内容局限,某些重概念和技术应用无法展开,这样将势必影响工科学生的能力培养,这些很多都是值得介绍的。比如半波损失现象、铁磁现象、耗散结构等。随着时代的进步,这方面的内容越来越多。归类于大学物理的范畴但又超出基本教学大纲求的这一部分内容就可以被认作是大学物理的拓展教育所面临的对象。各个学校对这方面的问题已经有了一些想法比如可以通过增加课时设置专门的选修课等。笔者的观点是在不改变基本学时,不设置新课的基础上,同样也可以做大学物理的拓展教学。这里主是搞好基本内容和拓展之间的平衡,首的当然必须满足大纲的基本求,然后合理安排,做一些选择性的拓展教学。在多年大学物理的教学过程中,本人做了一些尝试,并获取了一些好的经验。比如本人在半波损失的教学中,做了一些有益的尝试。一是把各种半波损失串起来讲,二是从不同的研究方法说明半波损失产生的机制,三是充分调动学生的积极性,有许多工作让学生来做。众所周知,光的干涉现象是光学中很重的一部分,而只涉及到光的干涉现象,半波损失就是一个不得不考虑的问题。机械波、光波、电磁波都存在半波损失现象。鉴于半波损失问题在理论和工程实践中的双重地位,引起了物理学界的普遍关注,研究的论文层出不穷。但在大学物理课程的实践中,由于大纲和课时的限制,半波损失问题的讲解无法达到清晰满意的效果。其实物理课程中此类情况并不少见,往往比较重的内容么删去,么轻描谈写一笔带过,多少给这个课程留下一点遗憾。长期以来我一直很关心如何讲好半波损失这方面的内容,所以在前年的一届物理教学课程中,进行了以这个问题研究为核心的拓展教学实践。在基本教材中,半波损失只描述现象,并未给出有关机理的分析。我从两个方面进行了拓展,并通过matlb模拟牛顿环直观地说明了半波损失的存在和原因。首先从麦克斯韦方程的边界条件,推导了菲尼尔公式设入射光波、反射光波和折射光波的电场强度分别为E,E’和E”;磁场强度分别为H,H’和H”;波矢量分别为k,k’和k”;入射角、反射角和折射角分别为θ,θ’和θ”。 
  ①E⊥入射面ts=■=■=■(2-2) 
  ②E∥入射面,可得rp=■=■=■ (2-3) 
  tp=■=■=■(2-4) 
  (2-1)-(2-4)式被称为菲涅耳公式。式中的rs和rp分别称为垂直分量和平行分量的振幅反射比,ts和tp分别称为垂直分量和平行分量的振幅透射比。其中E⊥,E⊥’,E⊥”,H⊥,H⊥’,H⊥”以及E∥,E∥’,E∥”,H∥,H∥’,H∥”仅仅为区分E⊥入射面和E∥入射面两种情况,只是一种记号。由于≤θ≤9°,≤θ”≤9°,则θ+θ”≤18°,-9≤θ-θ”≤9°,所以由(2-2)、(2-4)式可得ts>且tp>,则分别与其规定方向相同。例如图c(各平行分量、垂直分量和相应的光波的传播方向构成右手螺旋关系) 
  根据上面的方法,我们可以得到反射光波和入射光波 E的各个分量的方向,若反射光波的合矢量方向与入射光波的合矢量方向恰好相反,即反射光波振动方向相对于入射光波发生了位相为π的突变,这就好像是反射光波多走或少走了半个波长,故称为半波损失。需特别指出的是,通过rs,rp的正负只能得到各个分量的方向,即使反射光波与入射光波相应的分量的方向相反,也不能以此说明反射光波发生了半波损失。根据矢量叠加原理,合矢量的方向相反,并且在同一条直线之上,必须满足其变化率相等即|rs|=|rp|。若|rs|≠|rp|则其合矢量不会在同一条直线之上而是发生了一定角度(非18°)的旋转如图d,这种旋转的效果是不可以用光波多走了或是少走半个波长来替代的,也就没有所谓的半波损失。其次,根据德布罗意假设一切微观粒子都具有波粒二象性,即一个能量为E、动量为P的自由粒子,相当于一个波长为λ、频率为ν的波,这个波称为物质波,也叫德布罗意波,满足德布罗意关系式E=hv,p=■. 
  根据量子力学理论粒子状态可用波函数表示,设入射光子、反射光子和折射光子的波西数分别为Ψ1(y,t),Ψ2(y,t)和Ψ3(y,t),设其表达式分别是■根据量子理论,描述微观粒子状态的波函数应满足有限、单值、连续(一阶导数也连续)这3个标准条件,由连续性条件可得 
  Acosφr=■ ■ 
  大学物理课程中此类例子甚多。这种拓展的点是对一个基本概念和现象的深入挖掘。还有许多有效的手段和方法,比如有些传统的基本概念在后续历史又有发展,对于这种概念的延伸可以有的放矢加以拓展。比如在讲解霍尔效应时,在讲清霍尔效应的基本概念的基础上,可以顺带介绍量子霍尔效应以及光霍尔效应。此外也有注重实践性的拓展教育,比如可以去现场观摩教育。搞好拓展教育对培养创新人才更快地高学生的科技竞争能力很有必!目前的大学物理教育的现状是令人担忧的,许多做法实际上还是非常的陈旧,并未脱离应试教育的瓶颈,这样培养的学生的能力是很成问题的,必须扭转这一不利现象。 
  综上所述,我认为(1)物理课程尽可能满足培养学生创新能力的高需求,不能片面地为单一地迎合考试而讲课。(2)学生是课堂教学的主体,学生有很大的学习能力和潜力。释放他们的潜能。(3)大学物理教学的改革势在必行,如何平衡大纲和实际应用的关系,值得商议。总而言之,在大学物理课程中加强拓展教学是有成效的。为了培养适应日益增加的国际竞争我们必须增强创新人才的培养,积极推进大学物理中的拓展教育很有必,一定搞! 
  参考文献 
  1倪卫新.浅论大学物理课程中的成功教育J.华东理工大学学报(自然科学版),28(34卷增刊)97. 
  2钟锡华.现代光学基础M.北京北京大学出版社,23115-135. 
  3彭金生,等.近代量子光学导论M.北京科学出版社,1996. 
   
   基金项目上海理工大学大学物理优秀教学团队建设项目 
  作者简介倪卫新(1957-),男,江苏海门人,上海理工大学讲师,大学物理课程骨干教师,主从事大学物理教学,大学物理网络建设,量子物理等研究。