《新形势下应用物理专业的教学创新及前景定位的探索与实践》项目

2015年获得省级鉴定和校级成果特等奖

　一、 成果主要解决的问题

　我国应用物理学专业的症结是：a、该专业的人才虽然就业面比较广，但是往往竞争力不够强。b、基础性研究成效慢，难以实现产业化；c、作为物理的基础教育领域，则少有人问津。但困难与机遇是并存的：a、应用物理学专业能够在很多工程技术领域成为专家。b、基础性专业的人才可塑性强，基础知识扎实，受各个行业的重视。c、我国东部沿海地区的行业对基础技术的需求越来越大。

　二、 问题解决方案

　1.对专业存在的问题进行探讨和分析。

　对本校2013、2014、2015级应用物理学专业作出问卷调查。主要找出应用物理专业学生学习、心理、未来期许等的现状，来发现专业存在的问题。

　感兴趣的物理学科前沿领域：纳米、能源与环保、半导体、量子信息、超导、宇宙（反物质、虫洞等）希望指导：就业(约50%)、动手实践(接近50%)、专业发展方向(学科优势、前景等)、学习方法(应具备的技、该学什么)、考研共五个方面。

　2．明确应用物理学的方向——光电信息与器件，课程设置偏重光学和电磁学优化课程结构，对专业培养方案、课程体系进行改革与修订。

　3．优化教学形式，结合学生的认知水平和生活体验，创设新的教学情景和教学模式，不断激发学生主动探索的欲望。

　改变传统的教学形式，探索较为新颖有趣、既能加深对理论的理解，又可对实际应用有所了解，从而更深层次的理解与掌握物理学理论一直是我们不断寻求的目标。

　2.3.1丰富多彩的演示实验

　自主探索、研发、制作一整套物理教学演示实验装置，教具达200多件。注重素质教育，努力将物理学课程与身边的生活现象相联系。注重观察，注重发现，逐步积累了一系列物理学教学的演示实验。物理学中的力学、热学、光学和电磁学现象在日常生活中随处可见：自行车的稳定性涉及到刚体力学，用冰箱制作过冷液体属于热学现象，液晶显示屏的偏振特性涉及到光学，电磁炉的工作原理涉及到电磁学。我们的演示实验装置内容涵盖力、热、电磁、光等物理学几乎所有的基础内容，造价低廉、丰富多彩、生动有趣、寓意深刻。注重观察，注重发现，逐步积累了一系列物理学教学的演示实验，这里选取“振动与波”的几个实验为例。

　a.简谐振动与蛇形摆:在课堂上让学生从侧视和俯视两个方向对蛇形摆进行观察，引导学生找出相邻摆长之间的递推关系，进而使用计算机程序对其进行模拟，并结合“单位圆”方法进行讲解。这将极大的激发学生的求知欲，引导学生掌握简谐振动的周期、初相位、相位等相关知识。

　b.“拍”与复音口琴:拍是由振动方向相同、频率相近、振幅相近的两个信号叠加形成的时强时弱的信号。吹奏单音口琴的某一个音时，其振幅基本恒定；但在吹奏复音口琴的某一个音时，可以非常容易的听到声音忽大忽小的现象，这是很好的拍现象，不同音调对应的拍频也不相等。

　c.驻波:一维驻波演示如图(a)所示。首先，将下水管道拉伸至最长，然后一节节的使其收缩。随着管道长度的减小，管道中所发出声音的频率不断增加，这是因为L减小导致ν增大。还可以利用加热钢管来演示驻波频率。由于管壁内热空气上升，导致钢管发出嗡嗡声。可以使用图3(c)中所示的胶带、竹签和长尾夹来演示驻波。只需要改变长尾夹的与竹签中点的距离，即可改变波速u。

　二维驻波最著名的例子是克拉尼图形。

　三维驻波的波节和波腹图5中的招财蛙。当用木槌从其尾部向上滑动时，会发出悦耳的声音，很像青蛙的鸣叫。体积越大，其发出声音的频率则越低。这是三维驻波振动频率随其特征尺寸变化的一个定性演示实验。

　2.3.2 课堂艺术教学

　a.激发求知欲望:物理教学课堂上可以设计几个不合理的结果引导学生思考，甚至可以故意出错引导学生改错。比如，讲解电磁学中电容的定义时，提出问题：同学们，老师请大家帮忙买个电容是1法拉的球形电容器好吗？结果一出，大家惊呼！极大激发学生求知欲，对结果也会有较深刻的记忆。

　b. 引起学生情感共鸣:我们曾对我校物理学院14级应用物理学、材料物理和光电科学与技术三个专业做调查，在最感兴趣的物理学前沿领域中，宇宙反物质的存在，黑洞与虫洞理论研究名列前茅，在最崇拜的物理学家中当然有爱因斯坦和霍金。讲狭义相对论之初，引入爱因斯坦著名的“追光理论”实验和小时候“三个小板凳”的故事，从真实趣味的案例，引导学生从爱因斯坦的思索出发，揭示狭义相对论的发现和成果。

　c. 训练学生具有批判性思维的能力，提高科学素养:在课堂教学中，抖出一个有一个包袱，提出一个又一个问题，设置一个又一个障碍，让学生在批判中学习，在解决问题中进步。笔者在课堂上曾设置一个场景，登上月球的两名宇航员，是不是必须穿宇航服？宇航服上应具备哪些功能？利用什么物理学原理来实现？两名宇航员如何才能对话？

　d.展示物理科学美，揭示物理理论内在美:美亦是科学的本性之一。爱因斯坦深信美是理论物理学上探求重要答案的指导原则。”物理现象缤纷多彩，物理学理论简洁对称，却蕴含着深奥的科学道理。科学美的典范是麦克斯韦方程组，形式简单，对仗工整，道理深刻，涵盖了电磁世界中所有的物理规律，使每一位物理学家都陶醉其中。

　2.3.3 教学紧密结合科研

　多层石墨烯的晶格振动谱，给出了相应的振动模式，和大学物理中的一维驻波进行对比，发现发现其振动频率与一维驻波的情况非常符合理论和实验相互结合、相互印证的研究成果已发表在Nature Materials, 11, 294, 2012，被引用近150次。

　4.对前景定位进行探索和实践，形成系统的创新方案。

　a. 光伏材料 b. 物理学研究材料的手段c.计算机模拟物理实验。

　三、对效果进行推广和总结。

　a. 2015年6月和2016年7月，王翚老师受深圳市科协邀请，为深圳市中小学生和教师做了两堂以成果为推广的物理学讲座

　b.成果在西安邮电大学、西安科技大学理学院应用物理系、洛阳理工学院实践中引起很好的反响，普遍认为具有很好的应用推广价值。

　四、创新点

　（一）、一整套物理学教学的演示实验

　（二）、科研与教学相结合，建立网上交流平台

　（三）、实现分层次教学

　五、公开发表论文

　论文《浅谈物理教学的艺术性》（《中国大学教学》中文核心期刊，中文社会科学索引来源期刊CSSCI检索），《新形势下应用物理专业的改革与前景定位的探索》、《物理应用型人才培养模式改革》等9篇。

　六、实施效果

　项目实施以来，SRTP项目数明显增加，创新实验室—光电设计大学生创新实践平台已获学校批准建立；连续两次共有7名学生获得挑战杯校级一等奖，省级二等奖。“机器人”大赛近两年来获得全国一等奖1项，二等奖3项，三等奖3项，省级奖9项，获奖学生数29人。学生参与发明专利4项。学生发表SCI检索论文两篇。不完全统计，今年就业率94%，其中考研率29%， 

　1. 孙金锋教授出席“第五届河南高等教育高峰论坛”并作主题演讲。

　2. 巩晓阳教授主编河南省普通高等教育“十二五”规划教材《大学物理实验教程》《物理学教程（上、下）》《大学物理学》。

　3. 王翚、王辉、李同伟老师获2015年度河南省教学技能竞赛一等奖，“河南省教学标兵称号”。河南科技大学教师教学优秀奖一等奖多次。青年教师课堂教学比赛一等奖三人次。全国高校物理基础课程青年教师讲课比赛（河南赛区）初赛第一名，中南六省大赛区第一名，全国比赛三等奖。物理工程学院青年教师教学比赛一等奖三人次。河南科技大学优秀教师三人次。河南科技大学青年学术带头人培养对象二人。项目组成员近期获得国家自然科学基金项目6项。发表SCI二区以上文章15篇。