淺談非線性物理教學(xué)改革探討
［論文關(guān)鍵詞］非線性 教學(xué)改革 教學(xué)質(zhì)量
［論文摘要］文章通過對非線性物理在理工科本科教學(xué)中的現(xiàn)狀及存在的問題進行了分析，探討了非線性物理的教學(xué)改革與實踐，以提高非線性物理的教學(xué)質(zhì)量。
非線性物理是大學(xué)物理的一個重要組成部分，而大學(xué)物理是所有理工科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程。非線性物理作為非線性科學(xué)最基本、最重要的現(xiàn)代知識，它是自然界普遍存在的非線性現(xiàn)象和規(guī)律，是人們對世界認識的提高和發(fā)展。非線性物理知識點跨度大，而且由于我國人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)改革的需要，非線性物理內(nèi)容在大學(xué)物中占的比例呈增大趨勢。連續(xù)幾年的高校擴大招生計劃的實施，使得高校里理工科學(xué)生的素質(zhì)差距拉大，甚至出現(xiàn)整體基礎(chǔ)水平偏低的情況。總之，種種原因，致使學(xué)生們在學(xué)習(xí)非線性物理時倍感吃力，困難重重。為了適應(yīng)我國教學(xué)改革的需要和高校學(xué)生現(xiàn)狀，有效地解決教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，需要對非線性物理的教學(xué)方法和教學(xué)手段進行改革，以及不斷探索與改進教材建設(shè)、課堂教學(xué)安排等。本文通過對目前非線性物理教學(xué)現(xiàn)狀的分析和探討，結(jié)合教學(xué)改革的實踐，對其中一些問題形成了初步的看法，特此提出，與同行一起商榷。
一、非線性物理教學(xué)的現(xiàn)狀
為適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，使理工科本科生具備深厚理論基礎(chǔ)和開拓創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，非線性物理作為大學(xué)物理學(xué)的重要內(nèi)容，在大學(xué)物理學(xué)教學(xué)改革中，增加或體現(xiàn)非線性物理的內(nèi)容已成為專家學(xué)者們的共識。為此，許多專家學(xué)者做了積極嘗試，促進了非線性物理教學(xué)的發(fā)展，但目前非線性物理教學(xué)仍然存在一些問題：
1.在教學(xué)安排上，出現(xiàn)“無”或“少”。目前，在新一輪課程內(nèi)容改革中，為了體現(xiàn)實踐性與應(yīng)用性，理工科專業(yè)的大學(xué)物理課，學(xué)時一減再減，而大學(xué)物理學(xué)所涉及的內(nèi)容多，給非線性物理學(xué)和關(guān)于物理學(xué)前沿的講授帶來很大的沖擊。其結(jié)果是造成在教學(xué)實踐中有關(guān)非線性物理學(xué)和物理學(xué)前沿的知識少講或不講。
2.在內(nèi)容介紹上，出現(xiàn)“一多、三少”。在許多教材中，介紹非線性物理現(xiàn)象多，這得益于自然界的本質(zhì)和典型的特征是非線性的。混沌作為非線性物理的一部分，則是一切對初值敏感的非線性系統(tǒng)共有的特征和行為，費根鮑姆常數(shù)是混沌具有普適性的標(biāo)志。混沌運動作為自然界中一種典型的運動形式，有著自己的規(guī)律和特征，有別于線性的規(guī)則運動和系統(tǒng)的隨機運動，有著自己的規(guī)律和特征，非線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，在非線性物理內(nèi)容講授上，有關(guān)非線性物理現(xiàn)象的介紹，特別是有關(guān)混沌的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展以及混沌基本理論的部分多。
介紹非線性物理控制的內(nèi)容少。非線性物理控制——混沌控制與同步，經(jīng)過十幾年的研究與發(fā)展，建立了眾多的控制方法，其中一些在實際應(yīng)用中已取得顯著的效果。但是，由于它沒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，講授所用的時間多，學(xué)生難理解等，因此，在教學(xué)實踐中就出現(xiàn)了對于這部分內(nèi)容講授少或避而不談的現(xiàn)象，使得一部分學(xué)生只知道自然界中存在非線性物理現(xiàn)象，而不了解非線性物理現(xiàn)象還可以控制與同步，形成“非線性就是無益”或“非線性等同于混亂”的不好理念。
介紹非線性物理的應(yīng)用少。研究非線性物理的目的就是利用它為人類服務(wù)，但這些非線性物理應(yīng)用技術(shù)還處于實驗室階段，沒有形成相應(yīng)的產(chǎn)品，這就給介紹非線性物理應(yīng)用帶來極大的困難，因此，出現(xiàn)少講授非線性物理應(yīng)用或不講的現(xiàn)象。
非線性物理現(xiàn)象課堂教學(xué)的演示少。非線性物理控制理論研究的對象是非線性復(fù)雜系統(tǒng)，而描述非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具是非線性方程，即研究非線性物理及高深的數(shù)學(xué)新概念。在非線性物理教學(xué)中，難以用實物實驗來進行教學(xué)演示，加上講授課時的限制，往往非線性物理現(xiàn)象課堂教學(xué)演示就被忽略了。
3.教材建設(shè)滯后。對眾多非線性物理教材研究分析后我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前很難找到一本較適合本科用的非線性物理教學(xué)專用的專門教材，更不用說理工科專用的教材了。目前，非線性物理內(nèi)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。通過對理工科大學(xué)物理教材的學(xué)習(xí)和比較分析發(fā)現(xiàn)：一部分教材沒有把非線性物理作為大學(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。從目前非線性物理教材的建設(shè)看，不利于非線性物理的教學(xué)、普及，也不利于該學(xué)科的發(fā)展。
4.在非線性物理實驗教學(xué)中，出現(xiàn)“無”或“仿”。物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，非線性物理實驗教學(xué)的目的不僅是讓學(xué)生掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技能，更重要的是使學(xué)生可以觸摸到這個非線性科學(xué)的重要分支，讓學(xué)生了解這一“確定性和不確定性統(tǒng)一”的現(xiàn)象，理解非線性物理等混沌的內(nèi)涵，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)非線性物理的興趣，使之知非線性物理、知混沌，并使用它來解決工作生活中的問題。由于非線性物理實驗，特別是非線性物理實物實驗對實驗條件要求特別苛刻，而且上的非線性物理成套儀器較少，因此，一些本科院校大學(xué)物理實驗教學(xué)中，沒有非線性物理實驗，使學(xué)生無法驗證非線性物理存在的真?zhèn)危劜簧侠斫夥蔷�性物理的特征。更多的院校是利用EDA軟件開出了仿真實驗，這雖有助于學(xué)生對非線性物理現(xiàn)象的了解，但這種了解也只是停留在顯示器上而已。
二、非線性物理教學(xué)的思考與實踐
為培養(yǎng)高級科學(xué)技術(shù)人才，參與國際競爭，適應(yīng)新世紀(jì)對人才的需求，在大學(xué)物理中增加非線性物理內(nèi)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性物理是大學(xué)物理學(xué)課程應(yīng)盡的義務(wù)和職責(zé)，也是大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)養(yǎng)成的客觀需要。但是，從以上非線性物理教學(xué)現(xiàn)狀分析來看，非線性物理教學(xué)仍是一個需要不斷完善與加強的過程。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗和研究結(jié)果，筆者認為，要改變當(dāng)前非線性物理教學(xué)中存在的問題，要做到以下幾點：
1.重視非線性物理教材建設(shè)。非線性物理教學(xué)的開展，最基本的參考材料就是教材。教材是教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的載體，是教學(xué)的基本工具，是培養(yǎng)人才的基礎(chǔ)和方向。課堂教學(xué)過程是一個互動的過程，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(xùn)練進行整合的過程。要把混沌的基本內(nèi)容、基本規(guī)律、思想方法傳授給學(xué)生，沒有適合的教材做基礎(chǔ)，是難以實現(xiàn)的。同時，有了教材，基礎(chǔ)較好、能力強、感興趣的學(xué)生可以在課余時間進行深入的學(xué)習(xí)和研究。因此，建設(shè)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性物理學(xué)教材，是推動非線性物理學(xué)科教學(xué)與發(fā)展的關(guān)鍵，也是推動非線性物理在各方面應(yīng)用的關(guān)鍵。
如果是受篇幅所限或因處于起步階段，非線性沒有被絕大多生所接受，則可以在大學(xué)物教材中，單獨安排一章非線性物理內(nèi)容，以實現(xiàn)非線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.對非線性物理教學(xué)內(nèi)容編排精簡到位。非線性物理作為一門學(xué)科，具有其基本原理、基本規(guī)律和思想方法，它的生存、發(fā)展依賴于生產(chǎn)生活和的需求，依賴于服務(wù)社會的質(zhì)量。非線性物理正是人們認識自然界發(fā)展的結(jié)果，也正是因為它具有廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的潛在價值而引起人們的關(guān)注。從理工科學(xué)生實際出發(fā)，非線性物理教學(xué)內(nèi)容安排上應(yīng)少而精，注重非線性物理應(yīng)用內(nèi)容的安排，繁雜的數(shù)學(xué)工具介紹要進行刪減，適量即可。
3.引入仿真技術(shù)。在教學(xué)上多應(yīng)用優(yōu)秀數(shù)學(xué)工具軟件Matlab和EDA仿真軟件，對非線性物理現(xiàn)象及混沌控制與同步內(nèi)容進行模擬和仿真，并在課堂教學(xué)中演示。例如，用Matlab模擬經(jīng)典非線性物理模型Lorenz系統(tǒng)、Chen系統(tǒng)等，讓學(xué)生真正感受到“確定性系統(tǒng)存在不確定性”“蝴蝶效應(yīng)”等非線性物理的特征；用EDA軟件，如Multisim仿真Chua電路、Liu系統(tǒng)的同步控制及應(yīng)用實現(xiàn)等，體現(xiàn)非線性物理系統(tǒng)的應(yīng)用性、可控制性、電路可實現(xiàn)性。同時，為了吸引學(xué)生，進一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)非線性物理及混沌的濃厚興趣，要求并學(xué)生在課外進行相應(yīng)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性物理現(xiàn)象的過程，充分體現(xiàn)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設(shè)非線性物理。非線性物理以獨立形式開課，在教學(xué)上形成一種既定的認識——非線性物理是一門獨立的學(xué)科。開課的課時可以根據(jù)不同學(xué)科、不同專業(yè)，進行適當(dāng)安排。我們在理科類專業(yè)開出“非線性物理學(xué)導(dǎo)論”選修課，為51學(xué)時；工科類專業(yè)開出34學(xué)時的選修課。選該課的學(xué)生較多，收到了很好的教學(xué)效果。
5.非線性物理實驗教學(xué)應(yīng)以仿真為主、實物實驗為輔。非線性物理實驗本身對實驗要求高，運用傳統(tǒng)的實驗設(shè)備，教師會遇到一些難題：上成套非線性物理實驗儀器少，即使有也只是經(jīng)典現(xiàn)象演示儀，沒有非線性物理控制與同步及應(yīng)用方面的實驗儀器，無法滿足實驗的需要；自行制作非線性物理實驗儀器所用元件參數(shù)要求較精確，難以實現(xiàn)；同時，如果所有開出的非線性物理實驗都以實物儀器進行，在教學(xué)時間安排上也無法滿足，因此，在教學(xué)實踐上一般只開出1～2個非線性物理實物實驗。而利用軟件（如Matlab，Multisim）對非線性物理進行虛擬實驗研究，可以減少實物實驗儀器少所帶來的壓力，提高實驗效率，使實驗不受儀器品種、性能、時間地點的限制；不需搭制錯綜復(fù)雜的實物電路，可以對新出現(xiàn)的非線性物理模型、新的控制與同步及應(yīng)用進行仿真；沒有損壞儀器設(shè)備的擔(dān)憂。應(yīng)用仿真模擬技術(shù)，學(xué)生可以自己設(shè)計電路進行實驗，充分發(fā)揮每個學(xué)生的聰明才智和創(chuàng)造能力，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)非線性物理的興趣，又加深了學(xué)生對非線性現(xiàn)象的理解，學(xué)生也可以在業(yè)余時間進行更廣泛的非線性物理實驗研究。所以，以仿真實驗為主、實物實驗為輔，非常有利于學(xué)生學(xué)習(xí)與研究非線性物理。
三、結(jié)束語
本文就非線性物理教學(xué)中存在的一些問題，結(jié)合教學(xué)實踐進行了分析與探討。非線性物理教學(xué)是一項系統(tǒng)工程，它不僅與教材建設(shè)、教學(xué)方法、教學(xué)課時以及教學(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(shè)等相關(guān)聯(lián)。因此，在理工科本科非線性物理教學(xué)中，作為擔(dān)負培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的第一線工作者，我們有義務(wù)和責(zé)任把非線性物理的思想方向、框架，學(xué)習(xí)非線性物理的方法傳授給學(xué)生；引導(dǎo)學(xué)生去了解、學(xué)習(xí)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(xí)、工作、生活中應(yīng)用它，實現(xiàn)優(yōu)化和擴大學(xué)生知識面，實和鞏固學(xué)生理論基礎(chǔ)的目的，并形成理論聯(lián)系實際、學(xué)以致用的專業(yè)思想，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)能力等，為社會培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)的物理人才。
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