非物理學(xué)科物理教學(xué)淺析

賀雅奇

《大學(xué)物理》課程主要面向非物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。但就物理學(xué)深度來(lái)講，很簡(jiǎn)單，但是廣度大，需要對(duì)物理學(xué)有較為廣泛的認(rèn)知，主要分支都要了解并且要有深刻的理解。大學(xué)物理課程的教學(xué)要求是盡量完整地、系統(tǒng)地、準(zhǔn)確地講解經(jīng)典物理學(xué)以及近代物理學(xué)的進(jìn)展與成就。筆者遵循以上的教學(xué)原則，注重基本規(guī)律、基本知識(shí)、基本概念和基本方法，對(duì)于物理科學(xué)發(fā)展的重大事件結(jié)合新觀點(diǎn)和方法進(jìn)行講授，使學(xué)生們不僅了解了物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，又提高了他們的科學(xué)素養(yǎng)。

一

這門(mén)課包含近代到現(xiàn)代的物理學(xué)發(fā)展史，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式計(jì)算，只需要把內(nèi)容講清楚、準(zhǔn)確，使得非物理專(zhuān)業(yè)的各專(zhuān)業(yè)學(xué)生可以清楚準(zhǔn)確地了解物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)而提高他們的物理科學(xué)素養(yǎng)。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，我發(fā)現(xiàn)不深究物理學(xué)內(nèi)在的邏輯以及處理技巧，把那些支配整個(gè)自然界的物理規(guī)律和知識(shí)講清楚，使學(xué)生對(duì)物理學(xué)基本框架結(jié)構(gòu)都有了較清楚的理解，同樣培養(yǎng)了學(xué)生探索自然的興趣。

以量子理論為例，量子力學(xué)在物理學(xué)中的難度是公認(rèn)的，要深入了解量子理論，甚至去解決實(shí)際的物理問(wèn)題，那是物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生所要做的。而我們的課時(shí)有限，根據(jù)教學(xué)目的的不同，我們只需要讓學(xué)生把量子理論中的主要分支，以及重要的發(fā)展講清楚就可以，目的是讓學(xué)生們簡(jiǎn)單清楚地了解這一理論的基本觀點(diǎn)。

從紫外災(zāi)難引出能量發(fā)射的量子觀點(diǎn)：（1）紫外災(zāi)難。頻率決定紫外發(fā)射，這是量子理論的觀點(diǎn)；而經(jīng)典理論觀點(diǎn)是強(qiáng)度決定紫外發(fā)射。然后，講解量子論主要觀點(diǎn)：（2）德布羅意的波粒二向性，愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)，普朗克的量子假說(shuō)，波爾的原子理論。進(jìn)而該理論的基本方程——薛定諤方程，即：（3）薛定諤方程：接下來(lái)講述這一方程的基本物理意義：（4）伯恩的幾率波解釋最后解釋非常重要理論——測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，即海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系

這種簡(jiǎn)單的教學(xué)方法能否使學(xué)生掌握基本的物理知識(shí)，并且了解物理的一些基本規(guī)律，物理學(xué)看似很難，其實(shí)不然，其中的基本規(guī)律淺顯易懂。本質(zhì)上講，物理學(xué)家的意義無(wú)非就是探索大自然的最本質(zhì)而又最質(zhì)樸的自然規(guī)律，讓世人得以了解。那么，現(xiàn)在就讓我們的學(xué)生從這一動(dòng)機(jī)出發(fā)來(lái)了解物理學(xué)吧。

二

有位學(xué)者曾這樣說(shuō)，“歷史給人以智慧，科學(xué)給人以知識(shí)?！睂?duì)科學(xué)事件的歷史分析一方面可以使學(xué)生了解科學(xué)研究的思路，另一方面可以啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。因此，在講課時(shí)，筆者認(rèn)為在講授知識(shí)的同時(shí)，分析科學(xué)發(fā)展歷史的方法效果比較好。例如，講授“原子結(jié)構(gòu)”這一章節(jié)時(shí)，讓同學(xué)們對(duì)原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步認(rèn)識(shí)，使他們明白科學(xué)家是如何一步步發(fā)現(xiàn)原子，進(jìn)而研究，最后接近客觀實(shí)際，達(dá)到正確結(jié)論的。

1909年蓋革和馬斯登首次觀測(cè)到α離子束穿過(guò)金屬薄膜后散射的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中少數(shù)存在大角度散射，這完全出乎他們的意料，經(jīng)觀測(cè)這些散射角達(dá)到150°。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)并不像湯姆孫所說(shuō)的正負(fù)電荷混合在一起，而是正電荷聚集在一起，進(jìn)而得出盧瑟福有核模型：原子中心有一核，半徑約為100萬(wàn)分之一米，其中這個(gè)核占據(jù)了原子的絕大部分重量并且聚集了所有的正電荷，電子分布在核外半徑約為100億分之一米處。

盧瑟福模型使我們了解了原子的大概結(jié)構(gòu)，正電荷以及電子的分布。那么進(jìn)一步會(huì)想到電子在核外是如何運(yùn)動(dòng)或是遵從什么樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？1913年丹麥物理學(xué)家波爾提出的氫原子理論充分地解釋了這一問(wèn)題。

這一過(guò)程讓學(xué)生了解到可以從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中分析出重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)并不難，科學(xué)家們只是比普通人對(duì)一些自然現(xiàn)象具有更強(qiáng)一些的感知力而已。除此之外，作為教師的我們還應(yīng)告知學(xué)生，宇宙之大，對(duì)自然規(guī)律我們只能不斷地去探索，現(xiàn)有的很多結(jié)論還不是很確定，甚至還很膚淺，只有繼續(xù)探索才能不斷接近自然界的客觀規(guī)律。

三

每堂課的開(kāi)始，我都會(huì)向同學(xué)們展示一段科學(xué)家對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)論述，我稱之為“科學(xué)格言”，以此使同學(xué)們對(duì)科學(xué)研究有個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，了解如何去創(chuàng)造。例如在上第一堂課時(shí)，我引用了愛(ài)因斯坦和貝弗里奇的一段話，來(lái)讓學(xué)生們了解對(duì)于物理科學(xué)研究，究竟什么才是最重要的?！皩?duì)于物理學(xué)上的基本概念決不能用歸納法來(lái)實(shí)現(xiàn)。19世紀(jì)多數(shù)研究者最基本的哲學(xué)錯(cuò)誤莫過(guò)于此?，F(xiàn)在我們很清楚：靠相信歸納經(jīng)驗(yàn)來(lái)產(chǎn)生理論的理論學(xué)家是多么的幼稚和錯(cuò)誤！”——愛(ài)因斯坦?！罢軐W(xué)家以及一些科學(xué)家這樣認(rèn)為：系統(tǒng)地積累資料，最后根據(jù)邏輯概括出結(jié)論，這一結(jié)論就是新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但事實(shí)上這種想法是錯(cuò)誤的，僅有個(gè)別的發(fā)現(xiàn)采用這樣的方法?！薄惛ダ锲?。愛(ài)因斯坦和貝弗里奇兩位偉大科學(xué)家告訴我們，重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)并不是通過(guò)邏輯和歸納，而是通過(guò)重要的創(chuàng)造性思維，這是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。對(duì)于物理學(xué)為什么邏輯嚴(yán)密，我同樣用愛(ài)因斯坦的話在第二節(jié)課上進(jìn)行了回答：“一個(gè)物理理論的建立，起決定性作用的是基本觀念，即使物理書(shū)中到處都充斥著復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。一切物理理論都源于思考和概念，并非公式?！薄獝?ài)因斯坦。

在我國(guó)，很多著名大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生牢固地掌握基礎(chǔ)知識(shí)，并且以此為傲，當(dāng)然，筆者也不例外，每當(dāng)夸獎(jiǎng)同學(xué)時(shí)總是會(huì)說(shuō)“基礎(chǔ)扎實(shí)”。然而，回過(guò)頭來(lái)想想，難道基礎(chǔ)扎實(shí)就是培養(yǎng)學(xué)生的目的嗎？自古以來(lái)，學(xué)習(xí)是為了創(chuàng)造。僅僅是學(xué)習(xí)別人創(chuàng)造的知識(shí)，不去創(chuàng)新，那社會(huì)就不會(huì)進(jìn)步，這樣的科學(xué)家是失敗的，同樣不是我們這個(gè)社會(huì)所需要的。所以，僅僅學(xué)習(xí)課程中的邏輯關(guān)系而不假思索，這對(duì)科學(xué)的發(fā)展史并無(wú)益處。目前，大多數(shù)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)物理課程學(xué)完之后，喜歡根據(jù)基本定理進(jìn)行推倒，這恰恰違背了物理課程的初衷。

通過(guò)這一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，我發(fā)現(xiàn)，通過(guò)短短幾分鐘的科學(xué)格言，學(xué)生們得到了不小的科學(xué)啟發(fā)。一位同學(xué)曾經(jīng)這樣給我來(lái)信：

“我很喜歡物理這門(mén)學(xué)科，然而陷入復(fù)雜的公式推導(dǎo)是無(wú)法享受物理之美的。選擇您的課，使我可以遠(yuǎn)觀物理，欣賞它的美。對(duì)于這門(mén)課印象最深的是每節(jié)課您給我們講的科學(xué)格言，字雖少，卻意義重大，這使我們懂得了從事科研工作所需具備的基本素質(zhì)。感謝您一學(xué)期來(lái)對(duì)我們的教誨?！?/p>

四

大學(xué)里應(yīng)該教同學(xué)些什么呢？教自然科學(xué)的質(zhì)樸還是社會(huì)的現(xiàn)實(shí)，這在任何一門(mén)課上都會(huì)有所體現(xiàn)。近年來(lái)，我國(guó)的教育界主要采取的是應(yīng)試教育模式，學(xué)生所追求的除了分?jǐn)?shù)還是分?jǐn)?shù)，因?yàn)閷W(xué)習(xí)成績(jī)的好壞和以后的就業(yè)以及研究生保送都有著重要的關(guān)系。這樣造成的后果是，學(xué)生們只追求分?jǐn)?shù)，而失去了對(duì)知識(shí)的熱愛(ài)和興趣。在此大背景下，有了“錢(qián)學(xué)森之問(wèn)”。我們應(yīng)反思，教師的職責(zé)是傳道、授業(yè)、解惑，引導(dǎo)學(xué)生們真正地去熱愛(ài)科學(xué)，而不是成績(jī)。學(xué)生的信中這樣寫(xiě)道：“非常高興這學(xué)期選了您的《大學(xué)物理》這門(mén)課，收獲最大的是每堂課您講的科學(xué)思想以及您自身對(duì)科學(xué)研究的體會(huì)，我認(rèn)為，相比知識(shí)，這個(gè)是最主要的?，F(xiàn)在的我們都有浮躁的趨勢(shì)，對(duì)于學(xué)術(shù)很少再去體會(huì)那種對(duì)于知識(shí)的熱愛(ài)，相反都更加注重結(jié)果，關(guān)注了幾篇文章。每次上完您的課，都有一種讓心靈得以凈化的感覺(jué)，從而可以靜下心來(lái)做事。感謝給予我們知識(shí)與精神的開(kāi)悟?！睂W(xué)生學(xué)到知識(shí)，做教師的當(dāng)然會(huì)感到欣慰。多年來(lái)的教育工作，始終認(rèn)為讓學(xué)生學(xué)到東西才是我的目的所在，然而，暮然回首才發(fā)現(xiàn)，主要還是出于我對(duì)自然科學(xué)的熱愛(ài)。

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