本科階段等離子體物理教學(xué)探討

梅冰

(中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院 江蘇 南京 211101)

等離子體是顯著電離的氣體，作為物質(zhì)的存在形態(tài)之一，為區(qū)別于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)而通常被籠統(tǒng)地稱(chēng)為物質(zhì)的“第四態(tài)”．日常能見(jiàn)到的等離子體如火焰，閃電，霓虹燈里的電弧等，太陽(yáng)本身就是一個(gè)巨大的等離子體球．事實(shí)上，等離子體態(tài)物質(zhì)占宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的99%以上.等離子體物理早已成為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用與技術(shù)日益在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用．但是，在大學(xué)的普通物理教材中卻難以找到等離子體的概念.最新版的新概念物理《電磁學(xué)》教材中所涉及的等離子體概念也是比較模糊的，其中等離子體基本物理性質(zhì)的介紹僅寥寥兩三頁(yè).即使是針對(duì)物理類(lèi)的本科專(zhuān)業(yè)，開(kāi)設(shè)等離子體物理課程的院校也非常少見(jiàn).這種局面的形成和等離子體物理理論本身發(fā)展有關(guān)，也和教育的重視程度有關(guān)．

1 普及等離子體物理基本知識(shí)的必要性

1.1 技術(shù)發(fā)展的需要

等離子體物理應(yīng)用廣泛.其相對(duì)獨(dú)立的研究和應(yīng)用領(lǐng)域主要包含三個(gè)方面：受控?zé)岷司圩兊入x子體物理、空間等離子體物理和低溫等離子體物理與應(yīng)用[1]．受控?zé)岷司圩優(yōu)榻鉀Q目前全球日益嚴(yán)重的能源問(wèn)題提供了發(fā)展方向.空間等離子體物理是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地球空間環(huán)境，進(jìn)而走向太空的必要條件.近年來(lái)人們?nèi)找骊P(guān)注的影響電網(wǎng)、通訊等技術(shù)設(shè)施的太陽(yáng)風(fēng)暴等都屬于空間等離子體物理的研究范疇.低溫等離子體物理與應(yīng)用則與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活息息相關(guān)，例如等離子體對(duì)材料表面的改性，低溫等離子體滅菌，等離子體顯示屏等等．從國(guó)內(nèi)的人才市場(chǎng)需求來(lái)看，加快等離子體物理與應(yīng)用的人才梯隊(duì)的培養(yǎng)，已成為當(dāng)務(wù)之急．

1.2 物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的需要

21世紀(jì)物理學(xué)在三個(gè)方向上的繼續(xù)發(fā)展，離不開(kāi)等離子體物理的貢獻(xiàn).

(1)從微觀上的深入，例如飛秒激光等離子體物理；

(2)宏觀上的拓展，例如深空等離子體探測(cè)；

(3)非線性科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，例如等離子體的各種不穩(wěn)定性的研究．

等離子體物理在上世紀(jì)70年代末形成獨(dú)立的物理分支學(xué)科，和物理學(xué)的其他分支理論相比，等離子體物理研究的對(duì)象是復(fù)雜體系，相關(guān)物理量(自由度)遠(yuǎn)多于其他物理分支研究對(duì)象．等離子體物理經(jīng)常要面對(duì)的任務(wù)是在信息量不足和不準(zhǔn)的情況下，盡可能精確地理解其對(duì)象的性質(zhì)．這使得等離子體物理在思維方式上明顯區(qū)別于其他物理學(xué)分支．等離子體體系作為一種復(fù)雜體系，在對(duì)其進(jìn)行定量化描述中所遇到的困難，也同時(shí)將存在于21世紀(jì)領(lǐng)頭學(xué)科的定量化描述問(wèn)題之中[2]．物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生如果能夠盡早地接觸等離子體物理，對(duì)于在現(xiàn)今主流物理學(xué)家追逐物理學(xué)大統(tǒng)一理論的框框下拓展思路也將產(chǎn)生積極影響．

1.3 高等教育發(fā)展的需要

狹義上的等離子體是指由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)組成的，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性(準(zhǔn)中性是指在等離子體中的正負(fù)離子數(shù)目基本相等，系統(tǒng)在宏觀上呈現(xiàn)中性，但在小尺度上呈現(xiàn)出電磁性),且具有集體效應(yīng)的混合氣體[3]．廣義的等離子體是指集體行為起支配作用的宏觀體系．存在著集體相互作用是等離子體最重要的特點(diǎn)；而正是這一特點(diǎn)為“和諧”等人文概念注入了新的科學(xué)涵義．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉萬(wàn)東在其《等離子體物理講義》中的一段話很好地詮釋了等離子體物理學(xué)中的人文內(nèi)涵：“我經(jīng)常將等離子體人性化，她的許多表現(xiàn)酷似于我們?nèi)祟?lèi)……等離子體中的兩性，相互獨(dú)立又相互扶持，平和時(shí)若即若離，逃逸時(shí)則攜手并肩．等離子體中的相互作用，長(zhǎng)則綿綿，短則眈眈；遠(yuǎn)可及周天之外，近可抵唇齒之間．等離子體的集體行為，自由與束縛兼得，溫和與暴虐并存．等離子體的自洽稟性，可以欺之以嫵媚，不可催之以強(qiáng)蠻.若以力，人人奮憤可兵；以弱，則諾諾列隊(duì)而從．如此以陳，等離子體的每一個(gè)秉性都值得我們用詩(shī)一般的語(yǔ)言來(lái)渲染．電子離子，以其簡(jiǎn)潔的庫(kù)侖作用，本不堪言，然一成群體，即如此絢麗，何況人乎？”可以預(yù)見(jiàn)，在現(xiàn)代科學(xué)與人文相互融合的教育理念下，普及等離子體物理必然促進(jìn)高等教育及其理論的進(jìn)一步發(fā)展．

已經(jīng)如此重要的等離子體物理，卻在大學(xué)物理教育中被忽視．因此，在大學(xué)物理教育中普及等離子體物理的基本知識(shí)已經(jīng)顯得非常必要．

2 普及等離子體物理基本知識(shí)的可行性

2.1 等離子體物理的教育現(xiàn)狀

等離子體物理是一門(mén)建立在多門(mén)基礎(chǔ)物理學(xué)科之上的交叉學(xué)科，其理論的學(xué)習(xí)在一般的等離子體物理教育者看來(lái)必須具備相當(dāng)深度和廣度的物理基礎(chǔ)．等離子體物理在國(guó)內(nèi)的教育現(xiàn)狀是，少數(shù)高等院校的物理類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)將其作為選修課；而只有極個(gè)別高校(如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，解放軍理工大學(xué)等)由于專(zhuān)業(yè)設(shè)置的需要才把等離子體理論設(shè)置為本科的高年級(jí)必修課程；其他院校學(xué)生一般都是研究生階段才真正接觸到等離子體的基本性質(zhì)；而設(shè)置等離子體物理相關(guān)碩士或博士專(zhuān)業(yè)的院校本就非常稀少．

2.2 物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)普及等離子體基本理論和應(yīng)用的可行性

本科物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)普及等離子體基本理論顯然是可行的，可作為獨(dú)立的課程開(kāi)設(shè)，或者滲透到電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)等課程中去．

物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的電動(dòng)力學(xué)課程一向被認(rèn)為是過(guò)于抽象的理論課，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中很少能體會(huì)到其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而最初集中體現(xiàn)等離子體物理磁流體力學(xué)理論的恰恰是阿爾文著的《宇宙電動(dòng)力學(xué)(基本原理)》一書(shū)，該專(zhuān)著將電動(dòng)力學(xué)的基本原理應(yīng)用于揭示宇宙空間等離子體中的具體物理現(xiàn)象．由于等離子體是帶電粒子構(gòu)成的體系，電動(dòng)力學(xué)是等離子體物理研究中的基本要素，有時(shí)在電動(dòng)力學(xué)課程中會(huì)涉及很少量的等離子體電動(dòng)力學(xué)理論，如果能再引入一定量的等離子體技術(shù)與應(yīng)用，這必然會(huì)使電動(dòng)力學(xué)課程變得生動(dòng)起來(lái)．當(dāng)然，這對(duì)教師提出了更高要求，需要編寫(xiě)教材與授課的教師通曉電動(dòng)力學(xué)以及等離子體理論與技術(shù)．

實(shí)際上，經(jīng)典力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理等都能夠在等離子體物理中找到自己的應(yīng)用領(lǐng)域，而等離子體物理本身較強(qiáng)的應(yīng)用性和創(chuàng)新性，為抽象的物理理論課生動(dòng)化、實(shí)用化提供了一個(gè)可借鑒的方向．

2.2 等離子體應(yīng)用方向的工科學(xué)生如何掌握等離子體基礎(chǔ)理論

如何給以等離子體物理的應(yīng)用為核心技術(shù)的工科專(zhuān)業(yè)(例如核聚變方向，空間技術(shù)方向以及材料物理應(yīng)用方向等)本科學(xué)生講授等離子體理論是一個(gè)非常值得研究和探討的教育課題；事實(shí)上在國(guó)內(nèi)院校已經(jīng)有解放軍理工大學(xué)成功開(kāi)設(shè)工科的等離子體基礎(chǔ)理論課程的成功經(jīng)驗(yàn)；而武漢工程大學(xué)的材料物理本科專(zhuān)業(yè)(雖然該專(zhuān)業(yè)屬于理科，但根據(jù)其就業(yè)導(dǎo)向仍然是技術(shù)應(yīng)用)也開(kāi)設(shè)了其專(zhuān)業(yè)核心課程工業(yè)等離子體．

解放軍理工大學(xué)的等離子體課程是空間工程專(zhuān)業(yè)的工科學(xué)生的學(xué)科核心基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生掌握相對(duì)系統(tǒng)的等離子體基礎(chǔ)理論．由于該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)完全一致，而物理基礎(chǔ)相對(duì)薄弱(一般的工科專(zhuān)業(yè)的情況也大抵如此)，因此通過(guò)數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)來(lái)分析物理原理的授課方法，使得工科學(xué)生系統(tǒng)地掌握等離子體理論成為可能．當(dāng)然，由于空間等離子體理論的應(yīng)用本身是非常能夠激發(fā)學(xué)生興趣的內(nèi)容(統(tǒng)計(jì)表明，所有空間工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)空間等離子體應(yīng)用有一定興趣或非常有興趣)，只要將應(yīng)用的介紹很好地貫穿于理論之中，即不用擔(dān)心學(xué)生會(huì)過(guò)度的排斥抽象的理論部分．

武漢工程大學(xué)的材料物理專(zhuān)業(yè)方向側(cè)重于等離子體技術(shù)應(yīng)用(物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積)，強(qiáng)調(diào)技術(shù)的使用和研發(fā)，因此相對(duì)于抽象的等離子體物理基本理論，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)顯得更加重要，除了設(shè)置工業(yè)等離子體的理論課程外，還設(shè)置了等離子體技術(shù)與應(yīng)用試驗(yàn)課．該專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的高就業(yè)率也表明了在本科設(shè)置等離子體技術(shù)相關(guān)方向?qū)I(yè)的成功．

2.3 一般理工科學(xué)生如何掌握等離子體基本理論

國(guó)內(nèi)自編并正式出版的適用于本科非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)的等離子體物理教材近年來(lái)從無(wú)到有地開(kāi)始發(fā)展，同時(shí)也已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的國(guó)外教材被引進(jìn)，并呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)．系統(tǒng)地學(xué)習(xí)等離子體理論需要一定的電磁理論知識(shí)，但在國(guó)內(nèi)的可選擇教材還很少.教材內(nèi)容的難度相對(duì)要求學(xué)生物理基礎(chǔ)較高的前提下，可以先嘗試在學(xué)習(xí)過(guò)電磁場(chǎng)與電磁波理論的學(xué)生中開(kāi)設(shè)如現(xiàn)代等離子體技術(shù)與應(yīng)用等的選修課，教師在教學(xué)的實(shí)踐中才能逐漸總結(jié)出足夠的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)出適用于一般工科專(zhuān)業(yè)的教材．

2.4 普通物理或文科物理教材中引入等離子體物理基本內(nèi)容時(shí)的側(cè)重點(diǎn)

普通物理中可以通過(guò)增加相關(guān)章節(jié)，引入閱讀材料，或者分散式地逐步介紹有關(guān)的概念和性質(zhì)．一般在電磁學(xué)內(nèi)容部分就可以引入等離子體基本概念和基本性質(zhì)，如德拜屏蔽；等離子體振蕩則在振動(dòng)與波的內(nèi)容部分引入．普通物理介紹等離子體物理內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)在于，使學(xué)生認(rèn)識(shí)等離子體的自然存在形式，理解等離子體中的集體相互作用，了解等離子體應(yīng)用領(lǐng)域．

文科物理既可縱向地介紹等離子體物理的發(fā)展史，也可橫向地介紹等離子體物理的現(xiàn)代應(yīng)用；但要強(qiáng)調(diào)等離子體的集體相互作用特性，因?yàn)檎沁@個(gè)特性恰可以和很多復(fù)雜的人文社會(huì)現(xiàn)象作類(lèi)比，使得文科生能夠更容易接受等離子體物理，從而達(dá)到科學(xué)與人文教育相互融合的目的．

3 面臨的困難和解決方案

在本科物理教育中推廣等離子體物理面臨的最大困難是師資力量的相對(duì)缺乏.國(guó)內(nèi)具有等離子體物理專(zhuān)業(yè)背景的物理教師有限.又因?yàn)槟壳霸诟咝Ｖ卸嘁哉撐暮驼n時(shí)多少統(tǒng)計(jì)教師工作量，很少有物理教師愿意承擔(dān)一門(mén)新的課程，尤其是等離子體物理這種缺少成熟教材，需要花大力氣去搞清理論和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的課程．這種現(xiàn)狀的改變需要依賴大學(xué)物理教育界的宣傳.可以先嘗試一些比較科普的做法，例如通過(guò)普通物理和文科物理教材中內(nèi)容的滲透，逐漸讓更多的人認(rèn)識(shí)等離子體，了解等離子體技術(shù)的重要性．對(duì)于師資隊(duì)伍建設(shè)，一方面需加強(qiáng)師德教育，提倡奉獻(xiàn)精神，也要做好政策和制度上的傾斜.

等離子體物理是一門(mén)基礎(chǔ)物理課程，內(nèi)容大體上屬于經(jīng)典物理的范疇，然而它所面對(duì)的對(duì)象幾乎是宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的全部、人類(lèi)活動(dòng)的主要能區(qū)．等離子體物理對(duì)物理問(wèn)題的許多處理方法，尤其是涉及集體相互作用和現(xiàn)象的方面，對(duì)物理學(xué)以及其他科學(xué)都具有可借鑒的價(jià)值．從等離子體物理學(xué)成為現(xiàn)代物理學(xué)的獨(dú)立分支學(xué)科到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了三十多年，形成了其獨(dú)特的新的物理文化．相信本科階段等離子體物理基本知識(shí)的普及必將給大學(xué)物理教育以及新技術(shù)的發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)．

參考文獻(xiàn)

1 張谷令, 敖玲, 胡建芳, 劉元富. 應(yīng)用等離子體物理學(xué). 北京: 首都師范大學(xué)出版社, 2008

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3 李定, 陳銀華, 馬錦繡, 楊維纮. 等離子體物理學(xué). 北京: 高等教育出版社, 2006