突出文化特色的大學(xué)物理教學(xué)模式

朱世秋 李春燕 祁 錚 賈貴儒

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083）

科學(xué)史的發(fā)展證實(shí)，物理學(xué)是自然科學(xué)的核心，是新技術(shù)的源泉。物理學(xué)是一門集哲學(xué)的概括性和抽象性，數(shù)學(xué)的嚴(yán)密性和邏輯性，實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性和操作性于一身的科學(xué)。物理學(xué)中充滿了哲學(xué)，是素質(zhì)教育中不可或缺的內(nèi)容。學(xué)好物理學(xué)不僅對(duì)學(xué)生在校的專業(yè)學(xué)習(xí)十分有益，而且對(duì)學(xué)生畢業(yè)后的工作和進(jìn)一步學(xué)習(xí)、知識(shí)更新、創(chuàng)新能力都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

正如葛墨林院士在“物理教學(xué)的思考”一文中說(shuō)，21世紀(jì)的物理教學(xué)要有新的思維，老師的任務(wù)之一就是如何把原有的物理思想翻新，并在教學(xué)中體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)非物理專業(yè)的大學(xué)生學(xué)習(xí)“大學(xué)物理學(xué)”來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其重要。教師的任務(wù)之一，就是找到物理思想的精髓，在課堂教學(xué)中傳達(dá)給學(xué)生，帶領(lǐng)學(xué)生一起思考，一起探究，讓物理知識(shí)在其他學(xué)科中找到交叉點(diǎn)，與其他學(xué)科相容相生，形成新的思想。教師的作用就是引發(fā)學(xué)生的悟性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理中悟出新東西，能發(fā)現(xiàn)物理原理、定理，甚至常數(shù)潛在的文化意義。

作者多年在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)農(nóng)學(xué)、生物及食品科學(xué)等專業(yè)的學(xué)生講授大學(xué)物理學(xué)，發(fā)現(xiàn)開始時(shí)大多數(shù)學(xué)生對(duì)物理學(xué)有畏難情緒，對(duì)大學(xué)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)仍停留在高中對(duì)物理的印象，認(rèn)為物理難學(xué)枯燥，難理解，求解物理題很難。非物理專業(yè)的大學(xué)生大多認(rèn)為，物理與自己的專業(yè)沒多大聯(lián)系，選課是因?yàn)閷W(xué)校要求選的。很多學(xué)生上課很被動(dòng)，沒興趣。這是我們作為大學(xué)物理教師所不愿看到的。為此，老師的主要任務(wù)之一就是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的興趣，興趣是最好的老師，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)有了興趣，才能談其他學(xué)習(xí)大學(xué)物理學(xué)的益處。作者努力讓學(xué)生通過大學(xué)物理學(xué)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，養(yǎng)成客觀地、辯證地分析問題，解決問題的習(xí)慣，讓物理科學(xué)的精髓以文化的形式，在學(xué)生的成長(zhǎng)中，幫助培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素質(zhì)和文化修養(yǎng)。

為了激發(fā)非物理專業(yè)的學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)大學(xué)物理學(xué)的興趣，作者在教學(xué)中，在傳授物理知識(shí)的同時(shí)，嘗試從物理知識(shí)聯(lián)想其隱含的人文思想和文化含義，把物理原理、定理或公式能賦予的人文科學(xué)的思想揭示出來(lái)，在教學(xué)中賦予物理知識(shí)跨學(xué)科的含義，突出物理學(xué)的文化特色和跨學(xué)科包容性。讓學(xué)生體會(huì)到，物理學(xué)是自然科學(xué)，也是藝術(shù)，是文化，甚至是人生。另一方面，在教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)物理學(xué)中的辯證思維，突出物理學(xué)中的哲學(xué)思想。學(xué)生的成長(zhǎng)過程，也是世界觀人生觀不斷發(fā)展形成的過程，作為大學(xué)基礎(chǔ)課程之一的物理學(xué)，在幫助學(xué)生形成科學(xué)的辯證思維，正確的哲學(xué)理念中起著重要的作用。

教學(xué)實(shí)踐證明，這樣的教學(xué)模式確實(shí)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂教學(xué)氣氛，啟發(fā)學(xué)生跨學(xué)科思考，取得了較好的教學(xué)效果。通過學(xué)習(xí)，很多學(xué)生甚至改變了對(duì)大學(xué)物理學(xué)的看法，給老師發(fā)來(lái)感謝信，告訴老師，他們?cè)诖髮W(xué)物理學(xué)的課堂上學(xué)到了很多東西，甚至被美妙的物理世界深深吸引，表達(dá)了對(duì)大學(xué)物理學(xué)課程的熱愛。

下面舉幾個(gè)例子，介紹作者突出物理學(xué)中的人文思想與文化的教學(xué)模式。

1 圓周率“π”與人生的無(wú)限可能

我在講到圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，想起了美劇“person of interest”中關(guān)于π的一段話，這段話深深打動(dòng)了我，也啟發(fā)了我的教學(xué)創(chuàng)新，我在課堂上與學(xué)生們分享了這段話。劇中的男主角給中學(xué)生講數(shù)學(xué)課，走進(jìn)教室，看到學(xué)生們無(wú)精打采，有的在玩手機(jī)，有的打瞌睡，有的在互相講話，正如我們?cè)诖髮W(xué)物理課堂上常見的一樣，他走進(jìn)教室，開始講π，在黑板上寫下：π=3.141592……，然后不緊不慢卻充滿感情地說(shuō)，“π是圓的周長(zhǎng)與其直徑之比，而這些數(shù)字只是開始，后面無(wú)窮無(wú)盡，這意味著，在這串?dāng)?shù)字中，包含著各種可能的組合，你的生日，你的社保號(hào)，你的儲(chǔ)蓄密碼，都在其中某處?！边@時(shí)，學(xué)生們抬起頭，睜大了眼睛，驚奇地注視著老師，我看到，學(xué)生們的興趣被激發(fā)了。當(dāng)他繼續(xù)說(shuō)道，“如果你把π中的這些數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的字母，就會(huì)得到所有曾存在的詞語(yǔ)，以每種可能的方式組合：你幼時(shí)發(fā)出的第一個(gè)音節(jié)，你心上人的名字，你一生的故事，我們說(shuō)過與做過的每件事……，宇宙中所有無(wú)限的可能，都在這簡(jiǎn)單的圓之中?！敝v到這兒，學(xué)生們以敬畏專注的神情注視著老師，有的學(xué)生甚至雙眼含淚，注意力再也沒有離開老師，離開課堂。作為一名老師，能看到學(xué)生如此專注的興趣，是激動(dòng)人心的。我相信他們一生都不會(huì)忘記“π”了。我在講到圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，和學(xué)生們分享了這段話，我的大學(xué)生們也發(fā)出了贊嘆，他們也是第一次聽到一個(gè)簡(jiǎn)單的習(xí)以為常的圓周率，卻富含了如此動(dòng)情的人文精神，像精彩的劇本，印在了他們的心里，此生很難再忘記。我深深感到，當(dāng)科學(xué)思想被翻新，賦予了人文的魅力，變成文化，就煥發(fā)了生動(dòng)的活力。物理科學(xué)不再只是平鋪直敘的原理、生硬的字母和數(shù)字，不再是枯燥的、遠(yuǎn)離生活的難解之題，讓學(xué)生感到陌生遙遠(yuǎn)，本能地避讓，而是充滿人文光輝和文化魅力的詩(shī)、散文或者劇本，像一股深?yuàn)W的、神秘的、富有魅力的文化之泉，滋潤(rùn)了學(xué)生的思想，撫慰了他們急需滋養(yǎng)的心靈。

2 坐標(biāo)變換與換位思考

在牛頓力學(xué)中，講到質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)，肯定會(huì)介紹參照系（reference frame）。同一個(gè)運(yùn)動(dòng)，選取不同的物體做參照，對(duì)其描述就不同。觀察者在不同參照系中所觀測(cè)到的物體運(yùn)動(dòng)是不同的，軌跡不同，速度也不同。

如圖1所示，O-xyz是相對(duì)于觀察者不動(dòng)的參照系中的笛卡兒坐標(biāo)系，坐標(biāo)系O′-x′y′z′的參照系相對(duì)于不動(dòng)參照系以速度v0作勻速運(yùn)動(dòng)。物體在兩個(gè)坐標(biāo)系中的位移和速度，可用伽利略變換聯(lián)系起來(lái)：

圖 1

相對(duì)運(yùn)動(dòng)的伽利略變換告訴我們：同一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體，在不同的參照系中觀察，其軌跡和速度都是不同的，但加速度相同，即牛頓第二定律是不變的，即物理實(shí)質(zhì)不變。“參照系”這一重要的物理思想啟發(fā)我們，在現(xiàn)實(shí)生活中，每個(gè)人所處的成長(zhǎng)環(huán)境不同，其成長(zhǎng)經(jīng)歷、教育、文化背景均不相同。對(duì)同一個(gè)事件，每個(gè)人就是一個(gè)不同的參照系，肯定會(huì)有不同的看法。一百個(gè)讀者心中，就會(huì)有一百個(gè)哈姆雷特，這是很正常的。在面對(duì)不同意見的人時(shí)，要學(xué)會(huì)將心比心，換位思維，站在對(duì)方的角度去感受世界，就能做到寬容諒解。伽利略變化還告訴我們，不同參照系中的運(yùn)動(dòng)描述可以通過“矢量合成”聯(lián)系起來(lái)，而且，最終的牛頓定律是一樣的，動(dòng)力學(xué)實(shí)質(zhì)是相同的。這可以啟發(fā)學(xué)生，不同坐標(biāo)系中的位移矢量和速度矢量，通過兩參照系間的位移矢量r0和牽連速度v0，通過伽利略變換相互關(guān)聯(lián)起來(lái)，通達(dá)對(duì)方的位置。在現(xiàn)實(shí)生活中，不同的人面對(duì)同一事物的認(rèn)識(shí)不同，就像兩個(gè)坐標(biāo)系中的分矢量，在自己的參照系中都是合理的存在，我們只要找到二者聯(lián)系的平臺(tái)，通過變通，就可以到達(dá)彼此，達(dá)成一致，和諧相處。伽利略變換還啟發(fā)我們，對(duì)同一事物，同一現(xiàn)象，我們從不同的角度看待，結(jié)論可以不同，但只要找到它們實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，就能發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)，真理只有一個(gè)。

在經(jīng)典力學(xué)中，我們所講的參照系是慣性系，即牛頓定律在其中成立的參照系或相對(duì)于它作勻速運(yùn)動(dòng)的參照系。當(dāng)兩參照系相互間不是作勻速運(yùn)動(dòng)，而是作加速運(yùn)動(dòng)，只要考慮因加速度引起的慣性力，兩坐標(biāo)間一樣可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立聯(lián)系。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度很大，接近光速的情況下，伽利略變換不再適用，洛倫茲變換取而代之，但坐標(biāo)變換的哲學(xué)思想的實(shí)質(zhì)是不變的。它啟發(fā)我們，世上沒有絕對(duì)獨(dú)立的事件，沒有不可逾越的鴻溝。在這樣的啟發(fā)下，學(xué)生對(duì)后面學(xué)到的慣性力及高速下的洛倫茲變換充滿了期待，會(huì)主動(dòng)去查閱，主動(dòng)思考其哲學(xué)層次的含義。

3 振動(dòng)與波的生命不息

簡(jiǎn)諧振動(dòng)和簡(jiǎn)諧波是大學(xué)物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容之一。機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波在中學(xué)物理中介紹過，很多同學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)漫不經(jīng)心，注意力不集中。作者在講授此部分內(nèi)容時(shí)，嘗試了如下的教學(xué)模式，吸引了同學(xué)們的注意力，激發(fā)了學(xué)生的興趣和思考。

振動(dòng)和波動(dòng)是自然界中常見的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)是物體圍繞平衡位置的往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)，廣義地，振動(dòng)是圍繞某一個(gè)值的周期性起伏變化，是時(shí)間的周期函數(shù)，可用f(t)表示，通過傅里葉變換，可表示為余弦函數(shù)的疊加：

我們啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想到，組成生命的細(xì)胞，是由分子原子組成，這些微觀粒子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在振動(dòng)著，這些振動(dòng)以波動(dòng)的形式互相關(guān)聯(lián)著，波動(dòng)性是微觀粒子的基本屬性之一，生命中的不同分子或原子的振動(dòng)信息，通過波動(dòng)傳遞著，而波的傳播滿足惠更斯原理，傳到介質(zhì)中任意點(diǎn)，都會(huì)形成新的子波源，生命中的信息和奧秘就是這樣，通過振動(dòng)波動(dòng)一層一層傳遞下去，互相影響著，決定了生命的繁衍、發(fā)育，生長(zhǎng)和衰老，周而復(fù)始，生生不息。由于波動(dòng)受初始條件，邊界條件及介質(zhì)特性的影響，其振幅，頻率，相位，波速等都會(huì)發(fā)生變化，正說(shuō)明了生命的復(fù)雜多變，多姿多彩。在量子力學(xué)中，我們會(huì)學(xué)到，自然界的一切微觀粒子，其基本的屬性就是波動(dòng)，波動(dòng)影響著自然界的歷史演變和現(xiàn)實(shí)的千奇百態(tài)。

在電磁學(xué)、熱力學(xué)、量子力學(xué)和相對(duì)論的內(nèi)容中，都很容易發(fā)現(xiàn)其文化的含義。例如，熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換和守恒在熱力學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用：Q1=W+Q2，其中，Q1是熱源提供系統(tǒng)的熱量，W是系統(tǒng)做功，Q2是系統(tǒng)向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?。這個(gè)公式用于不同的系統(tǒng)，可以有不同的含義。如，將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于社會(huì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)，Q1可以是資源消耗，W是國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP），Q2就是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境的影響。制約國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）的既有資源問題又有對(duì)環(huán)境影響的問題。啟發(fā)學(xué)生思考社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源和環(huán)境間的可持續(xù)和諧發(fā)展的制約關(guān)系，不能單純追求效益而忽視對(duì)環(huán)境的破壞，這也是文化的一個(gè)部分。更多的例子，不一一列舉。

其實(shí)，在教學(xué)中，我們不難發(fā)現(xiàn)，所有物理學(xué)的內(nèi)容，都包含了人文科學(xué)，都可以找到其文化的內(nèi)涵，只要稍微展開，物理學(xué)中的原理、公式、常數(shù)就不再是單調(diào)乏味的數(shù)學(xué)函數(shù)和數(shù)字，而是生動(dòng)的音符，活的劇本，它們從人性的角度，撥動(dòng)學(xué)生的心弦，激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的聯(lián)想，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中悟出許多新的東西。大學(xué)物理教學(xué)的過程，變成了一種科學(xué)文化傳播的過程，潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)生良好的科學(xué)素質(zhì)和文化修養(yǎng)。

正如王正行老師在《物理和做物理的文化》一文中所說(shuō)，如何做物理是一種文化，物理本身也是一種文化。如果把文化理解為文明的栽培、養(yǎng)育與教化，物理恰恰是在培養(yǎng)和教育我們，如何文明理性地觀察和看待我們周圍的一切。物理學(xué)與文學(xué)、藝術(shù)、思想、哲學(xué)一起，共同構(gòu)成一種完整的文化，甚至是“當(dāng)代真正文化的主體”。作者認(rèn)為，如何教物理也是一種文化，在教學(xué)中把物理概念、原理、定理、公式甚至常數(shù)等隱含的人文意義及文化思想挖掘出來(lái)，和學(xué)生一起分享，是作者嘗試的創(chuàng)新教學(xué)模式之一。這對(duì)非物理專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，比單純強(qiáng)調(diào)物理學(xué)本身的學(xué)科特點(diǎn)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。突出文化特色的教學(xué)模式，啟發(fā)學(xué)生從物理學(xué)科本身的框架搭橋，從科學(xué)延伸到文化，多角度思考自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)，拓寬了學(xué)生的思維空間，幫助學(xué)生從學(xué)習(xí)物理中感受文化精神，培養(yǎng)了學(xué)生豐富的科學(xué)文化氣質(zhì)。從學(xué)生的反饋來(lái)看，取得了較好的教學(xué)效果。

[1] 葛墨林. 物理教學(xué)的思考[J]. 中國(guó)大學(xué)教育, 2013(5): 4-10.

[2] 王正行. 物理和做物理的文化[J]. 物理, 2014, (43)5, 345-349.

[3] 賈貴儒, 左淑華, 戴允玢. 對(duì)大學(xué)物理教學(xué)改革的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J]. 教學(xué)研究與實(shí)踐, 1999(3～4), 14-16.