費(fèi)米的教育及研究風(fēng)格對物理教師的啟示

(天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院,天津 300382)

諾貝爾物理學(xué)獎是1900年6月根據(jù)諾貝爾的遺囑設(shè)立的,用以授予“在物理學(xué)領(lǐng)域作出重要發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的人”。物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi,1901-1954)于1938年因“用中子輻射原子核產(chǎn)生放射性同位素以及相應(yīng)的用慢中子引起核反應(yīng)”，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。此外,費(fèi)米還提出了費(fèi)米統(tǒng)計(jì)、β射線理論,并建造了第一座人工自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆。費(fèi)米不僅對物理學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)突出,他還是位出色的教師,他領(lǐng)導(dǎo)的兩個學(xué)派先后涌現(xiàn)了六位諾貝爾獎金獲得者，其簡歷如圖1所示。本文將分析費(fèi)米的教育及研究風(fēng)格，以期為物理教師帶來一些有價(jià)值的啟示。

圖1

1 物理研究及教育

1.1 物理專業(yè)素養(yǎng)

費(fèi)米是一位專業(yè)知識豐富的物理學(xué)家和物理教師,他的研究興趣覆蓋了整個物理學(xué),廣博的知識使得費(fèi)米在專業(yè)領(lǐng)域常常擁有很高的權(quán)威性。費(fèi)米從小喜歡閱讀有關(guān)物理的書籍,他的鄰居阿米達(dá)工程師借給了他一些科學(xué)書籍,廣泛的閱讀為他奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ),費(fèi)米17歲時以第一名的成績考入比薩大學(xué)高等師范學(xué)院,費(fèi)米在比薩大學(xué)學(xué)習(xí)期間竟可以給他的老師講授愛因斯坦的相對論。在美國芝加哥大學(xué)任教期間,他講授的課程包括熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、核物理、量子理論、固體物理學(xué),他的學(xué)生向他請教時,他會向?qū)W生推薦圖書館里有關(guān)的經(jīng)典書籍。此外,他還常常利用自己的豐富知識幫助別人解決一些“疑難雜癥”,他曾在有限的二十多分鐘時間里幫助電學(xué)專家解決電路問題,不僅畫好了電路圖,還找到關(guān)鍵原因,成功排除了故障。

費(fèi)米除了掌握豐富的物理理論知識外,他還非常注重做實(shí)驗(yàn)。費(fèi)米在意大利領(lǐng)導(dǎo)羅馬學(xué)派期間,他猜想用中子轟擊一些合適的物質(zhì)時會產(chǎn)生放射性,于是他采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來進(jìn)行驗(yàn)證,最初失敗的實(shí)驗(yàn)并沒有使費(fèi)米放棄他的猜想,終于在輻照氟時發(fā)現(xiàn)了放射性,此后他和他的小組成員繼續(xù)研究,他們試驗(yàn)了六十多種元素,并在其中四十種中誘導(dǎo)出放射性。匈牙利物理學(xué)家奇拉特(Leo Szilard,1898-1964)也曾有過和費(fèi)米一樣的猜想,但他沒有做相關(guān)的實(shí)驗(yàn),最后的成功屬于費(fèi)米。

作為物理教師,雖然我們常說專業(yè)知識和物理實(shí)驗(yàn)十分重要,但是在實(shí)際教學(xué)中常常忽略實(shí)驗(yàn),甚至講錯部分物理知識。費(fèi)米雖然是物理理論和實(shí)驗(yàn)的權(quán)威,但他在講課之前仍會將每一個細(xì)節(jié)記錄下來并核實(shí),我們物理教師在備課時更應(yīng)該備好每一個細(xì)節(jié),多和同事交流經(jīng)驗(yàn),還要有能做好實(shí)驗(yàn)和自制教具的能力,全身心投入教學(xué)。

1.2 教學(xué)研究風(fēng)格

費(fèi)米善于分類，他會試著把面臨的問題進(jìn)行分類量化,盡量使復(fù)雜的問題變得條理清晰,找出問題的本質(zhì),他的分類能力似乎與生俱來,他甚至?xí)⑷税凑账麄兊纳砀?、相貌、?cái)富等特征進(jìn)行分類。在費(fèi)米中年時期,為了彌補(bǔ)記憶力的下降,他將多年來積累的數(shù)據(jù)資料等進(jìn)行整理分類,并將之編碼放入文件柜,再在筆記本上做好索引,在他使用這些資料時,可以通過索引在幾秒鐘內(nèi)找到所需的文件。

善于分類的習(xí)慣使得費(fèi)米可以更精確地整理歸納。在比薩大學(xué)學(xué)習(xí)的一個暑假里,費(fèi)米充分利用這一時間對自己所學(xué)的物理知識進(jìn)行總結(jié),他用鉛筆寫滿了一個筆記本,上面很少有擦抹的痕跡,其中前28頁對分析動力學(xué)做了總結(jié),后面是關(guān)于物質(zhì)的電子理論的總結(jié),此外還有對氣體放電現(xiàn)象的抄錄,這本筆記保存至今。這種不斷整理總結(jié)的習(xí)慣有效地提高了知識的吸收和使用效率,這使得他在執(zhí)教期間知道什么是重點(diǎn),什么可以忽略不講,他會將復(fù)雜的證明簡潔化,并邏輯清晰、層次分明地為學(xué)生講授知識。

費(fèi)米還具有很強(qiáng)的估算能力。他的妻子勞拉曾回憶說：“費(fèi)米的大拇指就是他隨時可以用來量東西的尺子”,他可以用他的大拇指測量出一個人的身高或者一座山的高度,費(fèi)米在芝加哥指導(dǎo)原子反應(yīng)堆的建造時,被那里的物理學(xué)家們稱之為“先知”,因?yàn)樗偸菍Φ?他可以很快地估算出數(shù)據(jù),而這些估計(jì)值往往與真實(shí)值相差無幾。

費(fèi)米在研究過程中很重視時效性和前瞻性。在面臨任務(wù)時,他的研究小組成員可以迅速地被組織起來,他們會先將問題的主次分清楚,再做出合理假設(shè)和近似處理,最后在實(shí)驗(yàn)上獲得成功,共同完成任務(wù)。費(fèi)米一直重視物理學(xué)的前沿問題,在20世紀(jì)20年代末,費(fèi)米果斷地將研究方向從量子力學(xué)轉(zhuǎn)向?qū)υ雍说难芯?雖然當(dāng)時他和他的小組對新興的核物理知識了解淺薄，并且缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器,但他們卻敢為人先,最終取得杰出成績。高效、前瞻的研究特點(diǎn)成就了費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的羅馬學(xué)派及芝加哥學(xué)派,他們不但在物理學(xué)方面成就突出,更代表了一種物理治學(xué)精神,影響著我們的物理研究與教學(xué)。

1.3 教學(xué)方法

費(fèi)米有著獨(dú)特的教學(xué)方法,他注重師生、生生間的交流討論,教學(xué)生動有趣,不僅使學(xué)生掌握了所學(xué)知識,還激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。

費(fèi)米常常與學(xué)生展開“討論會”,這些討論會總是臨時的或非正式的,他會確定一個主題,講解這個主題及其相關(guān)的問題,學(xué)生有什么不懂的問題也可以提問,費(fèi)米總會給予清楚的解釋,這種開放的教學(xué)氣氛使學(xué)生不停思考,激發(fā)了思維活力,學(xué)生們還可以看到理性的思維是如何拋棄那些次要因素,找到問題關(guān)鍵,幫助學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上，運(yùn)用類比、分析，從而弄清楚未知的東西,從本質(zhì)上解決問題。這種討論式教學(xué)法完全可以應(yīng)用在我們的課堂討論中。

費(fèi)米對學(xué)生的要求是非常嚴(yán)格的，費(fèi)米上課時不用教材,自己也不帶備課筆記,但他要求學(xué)生必須做筆記,課后作業(yè)通常是物理知識的應(yīng)用問題，并且要求用多種方式解答,以此培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。費(fèi)米雖然也希望自己的學(xué)生可以早日取得成就,但是他們發(fā)表論文前必須保證這篇論文有發(fā)表的價(jià)值,而且要在費(fèi)米認(rèn)為好的雜志上發(fā)表,這種寧缺毋濫的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度深深地影響著費(fèi)米的每一位學(xué)生。

費(fèi)米獨(dú)特的教學(xué)方法以及淵博的知識吸引了好多年輕人向他求學(xué),其中就包括了來自中國的楊振寧,1949年他們共同提出了“費(fèi)米—楊振寧模型”,該模型在粒子物理學(xué)中有著重要意義。

1.4 師生關(guān)系

共同游戲、學(xué)習(xí)使費(fèi)米和他的學(xué)生們建立了親密的關(guān)系和深厚的情誼，在意大利時期,費(fèi)米常與學(xué)生一起登山、打網(wǎng)球。他還參加學(xué)生們的集會,他充當(dāng)導(dǎo)演,為學(xué)生們分配角色,他們無聲扮演一些電影里的角色,同時有一個人朗讀配音,再有一個人模仿放音機(jī)噪聲發(fā)出嗡嗡的響聲,他們稱這種游戲?yàn)椤盁o聲電影”。后來費(fèi)米移居美國，在芝加哥大學(xué)執(zhí)教時,他也常常參與學(xué)生們組織的活動,例如游泳、滑雪、下棋、方塊舞等。費(fèi)米與他的學(xué)生相互討論、爭辯，促使一些不成熟的假說發(fā)展成為新思想、新發(fā)現(xiàn)。此外,這些交流使得團(tuán)體成員之間更加了解,調(diào)整了人際關(guān)系,形成融洽的學(xué)習(xí)、工作氣氛。師生關(guān)系是影響學(xué)生學(xué)習(xí)的重要因素,很多學(xué)生因?yàn)樾蕾p任課教師而喜歡上一門學(xué)科,良好的師生關(guān)系在成功的教學(xué)里必不可少,物理教師必須重視良好師生關(guān)系的培育。

2 費(fèi)米的“遺憾”

在羅馬期間,費(fèi)米及他的學(xué)生認(rèn)為鈾被中子轟擊后,會衰變?yōu)橐环N人造超鈾元素,他們稱之為鈾X,但是因?yàn)樗麄兒雎粤蒜櫤肆炎?，而?dǎo)致他們產(chǎn)生了錯誤結(jié)論,并錯過了發(fā)現(xiàn)重大理論的機(jī)遇,這一理論在四年后被哈恩(Hahn Otto,1879-1968)提出,費(fèi)米對此深感遺憾。無論是研究還是教學(xué),追根溯源、找到本質(zhì)原因是非常重要的,否則關(guān)鍵問題往往就會因?yàn)槲覀兊摹白砸詾槭恰北缓雎浴?/p>

或許是因?yàn)檫@件事,費(fèi)米偶爾談?wù)摾狭艘院笠鍪裁磿r,他希望可以繼續(xù)從事物理教學(xué),并編著一本涵蓋物理學(xué)中所有難點(diǎn)的圖書,而這些難點(diǎn)常被人們通過“眾所周知”等詞匯掩蓋。費(fèi)米甚至已經(jīng)開始收集相關(guān)的重要問題,但此書尚未完成他便于53歲時與世長辭。

3 結(jié)語

作為物理學(xué)家,費(fèi)米在理論和實(shí)驗(yàn)兩個方面都做出了突出貢獻(xiàn)。作為物理教師,費(fèi)米培養(yǎng)了許多杰出的物理人才,費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的羅馬學(xué)派和芝加哥學(xué)派也在物理史上成為佳話。賽格萊在他去世后寫到:“這樣,最后一位支配著理論和實(shí)驗(yàn)全部領(lǐng)域的物理學(xué)家就此消失。隨著專業(yè)化的不斷增長,我們要再次看到像費(fèi)米這樣的一位多才多藝的杰出人物是值得懷疑的?！币苍S費(fèi)米的奇才智慧不是我們每個物理教師所擁有的,但費(fèi)米的研究精神和教學(xué)方式是值得我們學(xué)習(xí)和應(yīng)用的,扎實(shí)豐富的專業(yè)知識、邏輯清晰的分析思維、有效的教學(xué)形式、對學(xué)生的嚴(yán)格要求和細(xì)致關(guān)愛,這是我們每個物理教師可以做到、也是必須做到的。