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淺談非線(xiàn)性物理教學(xué)改革探討
�。壅撐年P(guān)鍵詞］非線(xiàn)性 教學(xué)改革 教學(xué)質(zhì)量
�。壅撐恼�文章通過(guò)對非線(xiàn)性物理在理工科本科教學(xué)中的現狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，探討了非線(xiàn)性物理的教學(xué)改革與實(shí)踐，以提高非線(xiàn)性物理的教學(xué)質(zhì)量。
非線(xiàn)性物理是大學(xué)物理的一個(gè)重要組成部分，而大學(xué)物理是所有理工科學(xué)生必修的一門(mén)基礎課程。非線(xiàn)性物理作為非線(xiàn)性科學(xué)最基本、最重要的現代知識，它是自然界普遍存在的非線(xiàn)性現象和規律，是人們對世界認識的提高和發(fā)展。非線(xiàn)性物理知識點(diǎn)跨度大，而且由于我國人才培養目標和教學(xué)改革的需要，非線(xiàn)性物理內容在大學(xué)物中占的比例呈增大趨勢。連續幾年的高校擴大招生計劃的實(shí)施，使得高校里理工科學(xué)生的素質(zhì)差距拉大，甚至出現整體基礎水平偏低的情況�？傊�，種種原因，致使學(xué)生們在學(xué)習非線(xiàn)性物理時(shí)倍感吃力，困難重重。為了適應我國教學(xué)改革的需要和高校學(xué)生現狀，有效地解決教學(xué)過(guò)程中出現的問(wèn)題，需要對非線(xiàn)性物理的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革，以及不斷探索與改進(jìn)教材建設、課堂教學(xué)安排等。本文通過(guò)對目前非線(xiàn)性物理教學(xué)現狀的分析和探討，結合教學(xué)改革的實(shí)踐，對其中一些問(wèn)題形成了初步的看法，特此提出，與同行一起商榷。
一、非線(xiàn)性物理教學(xué)的現狀
為適應現代科技的發(fā)展，使理工科本科生具備深厚理論基礎和開(kāi)拓創(chuàng )新能力，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，非線(xiàn)性物理作為大學(xué)物理學(xué)的重要內容，在大學(xué)物理學(xué)教學(xué)改革中，增加或體現非線(xiàn)性物理的內容已成為專(zhuān)家學(xué)者們的共識。為此，許多專(zhuān)家學(xué)者做了積極嘗試，促進(jìn)了非線(xiàn)性物理教學(xué)的發(fā)展，但目前非線(xiàn)性物理教學(xué)仍然存在一些問(wèn)題：
1.在教學(xué)安排上，出現“無(wú)”或“少”。目前，在新一輪課程內容改革中，為了體現實(shí)踐性與應用性，理工科專(zhuān)業(yè)的大學(xué)物理課，學(xué)時(shí)一減再減，而大學(xué)物理學(xué)所涉及的內容多，給非線(xiàn)性物理學(xué)和關(guān)于物理學(xué)前沿的講授帶來(lái)很大的沖擊。其結果是造成在教學(xué)實(shí)踐中有關(guān)非線(xiàn)性物理學(xué)和物理學(xué)前沿的知識少講或不講。
2.在內容介紹上，出現“一多、三少”。在許多教材中，介紹非線(xiàn)性物理現象多，這得益于自然界的本質(zhì)和典型的特征是非線(xiàn)性的�；煦缱鳛榉蔷�(xiàn)性物理的一部分，則是一切對初值敏感的非線(xiàn)性系統共有的特征和行為，費根鮑姆常數是混沌具有普適性的標志�；煦邕\動(dòng)作為自然界中一種典型的運動(dòng)形式，有著(zhù)自己的規律和特征，有別于線(xiàn)性的規則運動(dòng)和系統的隨機運動(dòng)，有著(zhù)自己的規律和特征，非線(xiàn)性物理理論也因此具有一套獨立的、全新的思想、、概念及方法。為此，目前，在非線(xiàn)性物理內容講授上，有關(guān)非線(xiàn)性物理現象的介紹，特別是有關(guān)混沌的發(fā)現、發(fā)展以及混沌基本理論的部分多。
介紹非線(xiàn)性物理控制的內容少。非線(xiàn)性物理控制——混沌控制與同步，經(jīng)過(guò)十幾年的研究與發(fā)展，建立了眾多的控制方法，其中一些在實(shí)際應用中已取得顯著(zhù)的效果。但是，由于它沒(méi)有典型控制理論的成熟理論體系和既定的方法與控制模式，再加上所需的工具深奧、繁雜，講授所用的時(shí)間多，學(xué)生難理解等，因此，在教學(xué)實(shí)踐中就出現了對于這部分內容講授少或避而不談的現象，使得一部分學(xué)生只知道自然界中存在非線(xiàn)性物理現象，而不了解非線(xiàn)性物理現象還可以控制與同步，形成“非線(xiàn)性就是無(wú)益”或“非線(xiàn)性等同于混亂”的不好理念。
介紹非線(xiàn)性物理的應用少。研究非線(xiàn)性物理的目的就是利用它為人類(lèi)服務(wù)，但這些非線(xiàn)性物理應用技術(shù)還處于實(shí)驗室階段，沒(méi)有形成相應的產(chǎn)品，這就給介紹非線(xiàn)性物理應用帶來(lái)極大的困難，因此，出現少講授非線(xiàn)性物理應用或不講的現象。
非線(xiàn)性物理現象課堂教學(xué)的演示少。非線(xiàn)性物理控制理論研究的對象是非線(xiàn)性復雜系統，而描述非線(xiàn)性系統的數學(xué)工具是非線(xiàn)性方程，即研究非線(xiàn)性物理及高深的數學(xué)新概念。在非線(xiàn)性物理教學(xué)中，難以用實(shí)物實(shí)驗來(lái)進(jìn)行教學(xué)演示，加上講授課時(shí)的限制，往往非線(xiàn)性物理現象課堂教學(xué)演示就被忽略了。
3.教材建設滯后。對眾多非線(xiàn)性物理教材研究分析后我們發(fā)現，當前很難找到一本較適合本科用的非線(xiàn)性物理教學(xué)專(zhuān)用的專(zhuān)門(mén)教材，更不用說(shuō)理工科專(zhuān)用的教材了。目前，非線(xiàn)性物理內容往往只是作為一小部分編入大學(xué)物理學(xué)教材中，且居從屬地位。通過(guò)對理工科大學(xué)物理教材的學(xué)習和比較分析發(fā)現：一部分教材沒(méi)有把非線(xiàn)性物理作為大學(xué)物理學(xué)的一部分放入教材中；另一部分教材，僅僅把非線(xiàn)性物理作為一種科普性質(zhì)的課后閱讀納入教材中。從目前非線(xiàn)性物理教材的建設看，不利于非線(xiàn)性物理的教學(xué)、普及，也不利于該學(xué)科的發(fā)展。
4.在非線(xiàn)性物理實(shí)驗教學(xué)中，出現“無(wú)”或“仿”。物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗科學(xué)，非線(xiàn)性物理實(shí)驗教學(xué)的目的不僅是讓學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗的基本知識、方法和技能，更重要的是使學(xué)生可以觸摸到這個(gè)非線(xiàn)性科學(xué)的重要分支，讓學(xué)生了解這一“確定性和不確定性統一”的現象，理解非線(xiàn)性物理等混沌的內涵，激發(fā)學(xué)生學(xué)習非線(xiàn)性物理的興趣，使之知非線(xiàn)性物理、知混沌，并使用它來(lái)解決工作生活中的問(wèn)題。由于非線(xiàn)性物理實(shí)驗，特別是非線(xiàn)性物理實(shí)物實(shí)驗對實(shí)驗條件要求特別苛刻，而且上的非線(xiàn)性物理成套儀器較少，因此，一些本科院校大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)中，沒(méi)有非線(xiàn)性物理實(shí)驗，使學(xué)生無(wú)法驗證非線(xiàn)性物理存在的真偽，更談不上理解非線(xiàn)性物理的特征。更多的院校是利用EDA軟件開(kāi)出了仿真實(shí)驗，這雖有助于學(xué)生對非線(xiàn)性物理現象的了解，但這種了解也只是停留在顯示器上而已。
二、非線(xiàn)性物理教學(xué)的思考與實(shí)踐
為培養高級科學(xué)技術(shù)人才，參與國際競爭，適應新世紀對人才的需求，在大學(xué)物理中增加非線(xiàn)性物理內容，是已形成共識的符合學(xué)科發(fā)展需要的必然趨勢，更高層次地講授非線(xiàn)性物理是大學(xué)物理學(xué)課程應盡的義務(wù)和職責，也是大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)養成的客觀(guān)需要。但是，從以上非線(xiàn)性物理教學(xué)現狀分析來(lái)看，非線(xiàn)性物理教學(xué)仍是一個(gè)需要不斷完善與加強的過(guò)程。根據多年的教學(xué)經(jīng)驗和研究結果，筆者認為，要改變當前非線(xiàn)性物理教學(xué)中存在的問(wèn)題，要做到以下幾點(diǎn)：
1.重視非線(xiàn)性物理教材建設。非線(xiàn)性物理教學(xué)的開(kāi)展，最基本的參考材料就是教材。教材是教學(xué)內容和教學(xué)方法的載體，是教學(xué)的基本工具，是培養人才的基礎和方向。課堂教學(xué)過(guò)程是一個(gè)互動(dòng)的過(guò)程，是將教師傳授知識、思想、方法與學(xué)生的分析、歸納、抽象等各方面能力的訓練進(jìn)行整合的過(guò)程。要把混沌的基本內容、基本規律、思想方法傳授給學(xué)生，沒(méi)有適合的教材做基礎，是難以實(shí)現的。同時(shí)，有了教材，基礎較好、能力強、感興趣的學(xué)生可以在課余時(shí)間進(jìn)行深入的學(xué)習和研究。因此，建設一批適合各種層次需要，特別是適合理工科本科需要的非線(xiàn)性物理學(xué)教材，是推動(dòng)非線(xiàn)性物理學(xué)科教學(xué)與發(fā)展的關(guān)鍵，也是推動(dòng)非線(xiàn)性物理在各方面應用的關(guān)鍵。
如果是受篇幅所限或因處于起步階段，非線(xiàn)性沒(méi)有被絕大多生所接受，則可以在大學(xué)物教材中，單獨安排一章非線(xiàn)性物理內容，以實(shí)現非線(xiàn)性物理逐步受到重視，被更多的學(xué)生所認識、理解并掌握之目的。
2.對非線(xiàn)性物理教學(xué)內容編排精簡(jiǎn)到位。非線(xiàn)性物理作為一門(mén)學(xué)科，具有其基本原理、基本規律和思想方法，它的生存、發(fā)展依賴(lài)于生產(chǎn)生活和的需求，依賴(lài)于服務(wù)社會(huì )的質(zhì)量。非線(xiàn)性物理正是人們認識自然界發(fā)展的結果，也正是因為它具有廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域的潛在價(jià)值而引起人們的關(guān)注。從理工科學(xué)生實(shí)際出發(fā)，非線(xiàn)性物理教學(xué)內容安排上應少而精，注重非線(xiàn)性物理應用內容的安排，繁雜的數學(xué)工具介紹要進(jìn)行刪減，適量即可。
3.引入仿真技術(shù)。在教學(xué)上多應用優(yōu)秀數學(xué)工具軟件Matlab和EDA仿真軟件，對非線(xiàn)性物理現象及混沌控制與同步內容進(jìn)行模擬和仿真，并在課堂教學(xué)中演示。例如，用Matlab模擬經(jīng)典非線(xiàn)性物理模型Lorenz系統、Chen系統等，讓學(xué)生真正感受到“確定性系統存在不確定性”“蝴蝶效應”等非線(xiàn)性物理的特征；用EDA軟件，如Multisim仿真Chua電路、Liu系統的同步控制及應用實(shí)現等，體現非線(xiàn)性物理系統的應用性、可控制性、電路可實(shí)現性。同時(shí)，為了吸引學(xué)生，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習非線(xiàn)性物理及混沌的濃厚興趣，要求并學(xué)生在課外進(jìn)行相應的模擬與仿真。這樣，學(xué)生既學(xué)到了計算機仿真技術(shù)，又親身體驗了展示非線(xiàn)性物理現象的過(guò)程，充分體現了以學(xué)生為主體的教學(xué)原則，收效甚佳。
4.以選修課形式獨立開(kāi)設非線(xiàn)性物理。非線(xiàn)性物理以獨立形式開(kāi)課，在教學(xué)上形成一種既定的認識——非線(xiàn)性物理是一門(mén)獨立的學(xué)科。開(kāi)課的課時(shí)可以根據不同學(xué)科、不同專(zhuān)業(yè)，進(jìn)行適當安排。我們在理科類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)出“非線(xiàn)性物理學(xué)導論”選修課，為51學(xué)時(shí)；工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)出34學(xué)時(shí)的選修課。選該課的學(xué)生較多，收到了很好的教學(xué)效果。
5.非線(xiàn)性物理實(shí)驗教學(xué)應以仿真為主、實(shí)物實(shí)驗為輔。非線(xiàn)性物理實(shí)驗本身對實(shí)驗要求高，運用傳統的實(shí)驗設備，教師會(huì )遇到一些難題：上成套非線(xiàn)性物理實(shí)驗儀器少，即使有也只是經(jīng)典現象演示儀，沒(méi)有非線(xiàn)性物理控制與同步及應用方面的實(shí)驗儀器，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗的需要；自行制作非線(xiàn)性物理實(shí)驗儀器所用元件參數要求較精確，難以實(shí)現；同時(shí)，如果所有開(kāi)出的非線(xiàn)性物理實(shí)驗都以實(shí)物儀器進(jìn)行，在教學(xué)時(shí)間安排上也無(wú)法滿(mǎn)足，因此，在教學(xué)實(shí)踐上一般只開(kāi)出1～2個(gè)非線(xiàn)性物理實(shí)物實(shí)驗。而利用軟件（如Matlab，Multisim）對非線(xiàn)性物理進(jìn)行虛擬實(shí)驗研究，可以減少實(shí)物實(shí)驗儀器少所帶來(lái)的壓力，提高實(shí)驗效率，使實(shí)驗不受儀器品種、性能、時(shí)間地點(diǎn)的限制；不需搭制錯綜復雜的實(shí)物電路，可以對新出現的非線(xiàn)性物理模型、新的控制與同步及應用進(jìn)行仿真；沒(méi)有損壞儀器設備的擔憂(yōu)。應用仿真模擬技術(shù)，學(xué)生可以自己設計電路進(jìn)行實(shí)驗，充分發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的聰明才智和創(chuàng )造能力，既提高了學(xué)生學(xué)習非線(xiàn)性物理的興趣，又加深了學(xué)生對非線(xiàn)性現象的理解，學(xué)生也可以在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行更廣泛的非線(xiàn)性物理實(shí)驗研究。所以，以仿真實(shí)驗為主、實(shí)物實(shí)驗為輔，非常有利于學(xué)生學(xué)習與研究非線(xiàn)性物理。
三、結束語(yǔ)
本文就非線(xiàn)性物理教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，結合教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了分析與探討。非線(xiàn)性物理教學(xué)是一項系統工程，它不僅與教材建設、教學(xué)方法、教學(xué)課時(shí)以及教學(xué)手段相關(guān)聯(lián)，還與師資水平、學(xué)科自身發(fā)展與建設等相關(guān)聯(lián)。因此，在理工科本科非線(xiàn)性物理教學(xué)中，作為擔負培養學(xué)生科學(xué)素養的第一線(xiàn)工作者，我們有義務(wù)和責任把非線(xiàn)性物理的思想方向、框架，學(xué)習非線(xiàn)性物理的方法傳授給學(xué)生；引導學(xué)生去了解、學(xué)習這一方興未艾、蓬勃發(fā)展的學(xué)科；啟發(fā)學(xué)生在學(xué)習、工作、生活中應用它，實(shí)現優(yōu)化和擴大學(xué)生知識面，夯實(shí)和鞏固學(xué)生理論基礎的目的，并形成理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的專(zhuān)業(yè)思想，從而提高學(xué)生的創(chuàng )新意識、創(chuàng )業(yè)能力等，為社會(huì )培養全面發(fā)展的高素質(zhì)的物理人才。
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