现代教学理念与教学方法的改革

第四届电工电子论坛大会报告20081130西安现代教学理念与教学方法的改革中国数字物理教学工作室主任华中科技大学教授李元杰西安交通大学钱学森班特聘教授一.中华民族在世界崛起的三个阶段中华民族在世界上的崛起，应该分为三个大的阶段：第一阶段是毛泽东主席把西方马克思的社会科学理论与中国具体实践相结合，夺取了中国革命的胜利，让中国人站起来了；第二阶段是邓小平主席把西方科学经济学的市场经济理论与中国改革开放相结合，实现了中国经济的高速腾飞，让中国人富起来了；第三阶段是胡锦涛主席将面临的，如何把西方科学的知识经济理论与建设中国式的和谐社会和创新国家相结合，去实现中国经济的长期自主并持续稳定地发展，让中国人真正强大起来。

这三个阶段有几个共同的特点：其一是都从国外引入了一种科学的理论；其二是都能与中国的国情与具体实践相结合，而不是死搬硬套；其三是这三个阶段是相互关联，又是一个整体，并逐步深化，从站起来-富起来-强大起来成为真正的巨人。

所以，从科学发展观来讲，当前要把发展知识经济作为我国经济发展的重要战略或者为发展知识经济做好前期的准备，而知识经济的核心问题就是创新人才的培养，培养创新人才的关键就是要提高教育质量特别是高等教育的教学质量，近20年我国投入了很多物力财力，对教育发展起了极好的推动作用，但是仍有许多方面需要深入，需要见实效。

我下面介绍的数字教学-计算机的科学计算与模拟技术与学科教学的深入结合的新模式-是值得我们高校领导乃至教育部领导的高度关注和重视的。

因为一个国家的知识经济离开了高等创新教育便是空中楼阁。

二. 要实现从应试教育和纯知识教育向创新教育的转变提高我国高等教育质量的核心问题是教育理念的转变，即要实现从应试教育和纯知识教育向创新教育的转变。

20世纪伟大的物理学家爱因斯坦曾说过“发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首位。

如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。

”这段话的意思讲的就是 下面是一个实现创新教育的方框图，没有基础知识是不能创新的，但是仅有基础知识也是不能创新的，创新需要三个基本条件：知识、思想和方法 （传道、授业、解惑）思想与方法往往比知识更重要。

以上框图给出了实现创新教育的一个关键点和两个突破点： 1 关键点 教学中要坚持讲知识、讲思想、讲方法三者并重； 2 突破点之一 计算机的数值计算与模拟、思维判断技术给现代教学改革带来了强大先进动力和重要技术支撑；3突破点之二 注重知识的整体结构和知识的交叉与综合，发扬中华传统的思维，“小”规律中见“大”规律。

教学方法的改革要围绕这三条去做才有突破性和实质性的效果，如果就方法而论方法会使我们的教改进入虚假的繁荣而毫无质的变化。

下面我们通过几个具体案例介绍我们教学中是如何实现创新教育的一个关键点和两个突破点的。

案例1：碰撞问题的研究处理弹性碰撞一类问题的主要基本知识是动量守恒与机械能守恒定理以及2-3维中的斜碰撞作用力方向判断，我们在教学中详细向学生作了分析与讲解，同时还把问题扩展到一般的相互作用情况，并介绍了散射问题、连续相互作用问题和 衰变问题等等；接着教会学生计算机的数字判断技术，它能实时监控多粒子或多系统的复杂连续碰撞，准确判断发生碰撞的时间，这是一种解决多粒子或多系统的复杂连续碰撞必备的能力与技术；学生有了基本知识又具备了必要的技术与能力，就会有较大的拓展与创新空间，清华、北航、北科大试点班的同学创作了大量的作品，如小球与弹基本知识基本方法 （一） 把知识-方法-思想串在一起的“三结构”教学法簧连接体的横碰、多球自由下落与弹簧板的碰撞、变形壁中的碰撞等等，特别是清华的吴雪兵同学设计了一个安全碰撞（不发生直接接触）的多粒子系统，并在此基础上建立了一个智能交通系统和紧急疏散模型得到其专业指导教师的好评。

案例2：混沌同步控制的研究（华中科技大学试点班）混沌同步控制是1990提出来的新理论与新技术，我们在92年把它引入教材的非线性现象一章中，其相关的基本知识是洛仑兹吸引子、混沌同步与控制；接着我们介绍了一种重要的数字技术就是如何将图形与声音数字化，有了这个能力学生就像添了翅膀一样，有了较大的创新思维空间；机械学院的贾文川同学查阅文献设计了一个-图像伪装模型利用混沌同步控制技术把世界名画蒙娜丽莎伪装成一幅风景草地的图画，电信系陈浩和袁俊菘同学马上提出声音伪装的想法并研究实现了这一想法，他们的论文当年就在清华大下面为了简化叙述我们把对案例的介绍列成三个短语，介绍如何把知识、能力与创新思维的教育构成一个完整的教学模块，读者一看便知。

案例3：交变电磁场的研究（北航与北科大试点班）知识-有限长直流的磁场与法拉第电磁感应定律能力-圆环电流的磁场的四种数字描述（场线、矢量、拓展创新曲面、等值线）创新思维-线圈的互感与通电线圈的相互作用的研究案例4：波的叠加研究（清华大学和同济大学试点班）知识-简谐波表达式、相位、波的独立性与波叠加原理 能力-时空分段表述与叠加数字技术（反射驻波的暂态过程和二维串波的叠加）创新思维-作任意运动的波源激发的波叠加，喀纳斯湖的冲击波与古嘉峪关的雁鸣石，多种类型的驻波。

案例5：量子纠缠态的研究（华中科技大学试点班李春辉同学）知识-波函数、态矢量的直积、纠缠态能力- 量子传密的数字模拟技术创新思维-四光子的五维纠缠态在量子通讯中的应用案例6：波的能量到何处去了？一个院士遇到的难题对于暂态过程：叠加波总能量 = 媒质振动能（底能量） +水平流动的能量以上案例充分表明，（二）关于在教学中如何发扬中华传统的思维，注重知识的整体结构，“小”规律中要见“大”规律，我们也举一例， 电磁学教学中麦克斯韦方程是难点，学生不理解这些方程的意义，我们从二维流体出发，引导学生讨论一般矢量场要研究什么？又有什么可研究？用一个简单设计的课件，学生一眼就明白了矢量场只有两个物理量可研究，即场的通量与环量；然后从二维推广到三维，指出3维曲线的切向分量是唯一的，曲面的法向分量是唯一的，所以麦克斯韦方程只有4个，2个是电场的通量与环量，2个是磁场的通量与环量。

又如静电场的高斯定理，不能只推公式，而要讲其深刻的数学物理意义，要从具体规律提升到一般规律，我们从简单的1维定积分讨论起，说明下面三个公式的共同思想：边界决定内部，)()()(a F b F dx x f ba -=⎰QV z y x V ==⋅⎰⎰⎰⎰⎰d dS D ),,(ρ∑即使是低年级的本科生也蕴藏着巨大的创造潜力，只要教师的教学观念与方法对头，学生的创造潜力就会得到正常的发挥。

反之，如果坚持应试教育或纯知识教育的模式不变，不加强对学生能力和创新思维的培养，就会扼杀学生的创新和创造性，我们的教育也会走向死胡同。

I S C =⋅=⋅⎰⎰⎰dS j drH所谓不仅要知其然，还要知其所以然，所谓画龙点睛，此例教案是一个绝好例子。

高斯定理和安培环路定理的教学如果只有数学推导和表面结论而缺此思想部分的讲授就是只讲了“小”物理，没有讲“大”物理。

（三）在教学中引导学生观察问题、发现问题和分析思考问题也是十分重要的，2004年暑期我们在新疆喀纳斯湖上拍到一条游艇在湖面泛起的冲击波，它和教科书本上画的不同。

我们请清华的同学研究，发现是游艇作加速运动所致。

在此基础上激发了学生的极大兴趣，于是学生们设计了各种各样的冲击波。

类似地，我们引导学生还研究了嘉峪关的雁鸣石的声学之谜、氢分子化学键的成因等等。

在汶川地震后，我们还引导学生研究模拟了各类固体波喀纳斯湖上的游艇计算机模拟的加速冲击波 （四）授之工具、传之方法、在教师指导下学生自主研究式地学习的教学模式我们在网上看到美国麻省理工大学用计算机模拟的电场线十分新颖，可它是如何画出来的，我们并不清楚，于是请同学去研究，经过清华、北航、北科大、华中科技大多个学校的同学反复推敲我们终于独立地完成了这一难题，特别是有了这一技术，再加上我们的创新思维，在电磁学教学上我们取得了重要突破。

我们改革的教材中30%的内容是学生的创新，也是全世界同类教材中所见不着的美国麻省理工学院制作的电场图（照片） 用亮度与密度同时定量表现场强是有限长螺线管的磁场等值线是教学的重要突破（华中科技大学制作）在数字物理教学改革实践中我们还实施了许多行之有效的教学方法：1）思想带动知识与方法的教学（稳定性原理、哈密顿正则方程、电磁场）；2）方法带动知识与思想的教学（波动光学、非线性）；3）知识带动方法与思想的教学；4）类比与对称性法（质点与刚体、电与磁）；5）典型专题模型教学法（十八案例）；6）数字教学法（碰撞、波、电场线作图、偶极辐射、氢原子与分子）；7）科学报告式教学法（非线性、宇宙学）、8）PPM教学法（参考系、方势阱）；9）块式教学法（简谐振动、）；10）提问与讨论式教学法（量子、相对论）等等。

三.教学方法改革的关键是坚持三个基本科学原则第一个原则就是教学法是要以实现教学理念为目标，我们的理念是如何把应试教育与纯知识教育转变为创新教育，离开科学的教学理念而谈教学法是于事无补的；第二个原则就是多样化，教学方法一定要多样化，不同的教学内容、不同的教师、不同的学生对应的教学方法应该是多样化的，没有哪一个方法永远是最合适的，所以对教学法的讨论我们认为重点应放在你的教学法是有利于实现什么样的教学理念；第三个原则就是教学法必须符合教育规律，必须经过实践的检验，符合教育规律并有利于实现科学的教学理念的方法都是好方法。

我们在 华中科技大（2002）、清华（2004）、北航和北科大（2005）、华东理工大（2006）、同济大学（2007）、西安交大（2008）共举办学生自主研究学习优秀作品展七场，展出作品达千余幅；华中科技大学自控系的李春辉同学在二年级就写出了《 量子通讯中4光子的五维纠缠态》的高水平论文，发表在 Physics Lett A ；机械学院试点班的同学杨永智、刘铁锋等成为微软亚洲研究院的优秀人才。

实践证明按此新的教学模式可以又好又快提高我国高校的基础教学水平，这是一条花钱少见效快的改革方案和思路，在中国物理学会教学委员会的积极支持下，我们成立了一个数字物理教学工作室，在高等教育出版社的支持下，我们的数字物理新教材的中英文网络版即将面向全国与世界开放。

网络教材见：安装网上浏览器步骤：1）装MicrosorftNET.Framework2.02）安装专用浏览器中国物理学会教学委员会数字物理教学工作室与高教社理工中心向到会代表免费提供该数字物理网络教材的专用浏览软件。

当前世界的竞争，经济竞争为首，而经济的竞争又以创新人才的竞争为关键，可见创新人才的培养是与中华民族的命运紧紧联系在一起的。