人文物理教學(xué)與卓越型人才培養(yǎng)探索

于肇賢 劉鳳敏 胡紀(jì)平

摘要：本文介紹了在大學(xué)物理中滲入人文物理教學(xué)的一些探討，論述了人文大學(xué)物理教學(xué)在培養(yǎng)卓越型人才方面的重要意義。

關(guān)鍵詞：人文物理；卓越型人才；學(xué)生

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0034-03

一、引言

21世紀(jì)的今天，“人文教育”已成為教育界關(guān)注和討論的焦點。目前國內(nèi)不少高校為文科大學(xué)生開設(shè)了人文物理。眾所周知，大學(xué)物理是大學(xué)教育中唯一一門科學(xué)課程。人文物理涉及原理、公式和推導(dǎo)不多，更多的是要傳播物理思想和物理文化。對理工科學(xué)生而言，在大學(xué)物理教學(xué)中滲入一些人文物理的內(nèi)容，對培養(yǎng)卓越型人才有著積極的意義，這一點已經(jīng)在國內(nèi)物理教育界形成了共識。教學(xué)離不開藝術(shù)，只有講究藝術(shù)的教學(xué)，才能取得最佳的教學(xué)效果。在大學(xué)物理教學(xué)中探索人文物理教學(xué)的藝術(shù)是至關(guān)重要的。

二、人文物理的教學(xué)藝術(shù)探討

（一）挖掘物理學(xué)科中的科學(xué)美

自然界存在著規(guī)律，如何借助科學(xué)研究去發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律，需要一些行之有效的方法。這些方法包括把大量看似沒有聯(lián)系、孤立、零亂的觀察資料和實驗事實，運用邏輯思維和藝術(shù)思維規(guī)律進行加工組合，使之成為彼此有機聯(lián)系的和諧整體，這就是物理學(xué)理論產(chǎn)生的原始根源。物理學(xué)理論反映了自然界物質(zhì)運動圖景，描述了自然界客觀屬性和物質(zhì)運動規(guī)律的本質(zhì)。這些來自大自然的客觀物質(zhì)及其運動規(guī)律，本身就包含著美的因素，也遵從美學(xué)的基本原則。

1.和諧之美?！暗溬飧Ｖ?，福兮禍之所伏”。中國古代道家的思維傳統(tǒng)，不追求絕對的一致，講究的是事物之間具有的統(tǒng)一性和關(guān)聯(lián)性，能夠在事物的兩極保持一種協(xié)調(diào)或互補的關(guān)系。

1950年，著名物理學(xué)家Frohlich指出，在常溫下導(dǎo)電性很好的堿金屬在低溫下沒有一個是超導(dǎo)的。相反，那些在常溫下導(dǎo)電性相對較差的元素卻有較高的轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)Frohlich本人的回憶，他受中國道家學(xué)說的影響“神奇變朽腐，朽腐變神奇。禍兮福所依，福兮禍所伏?！敝袊糯鷤ゴ蟮恼軐W(xué)思想，不但得到了國際科學(xué)家的尊重，而且也能從中受益。

高溫超導(dǎo)體的發(fā)展史應(yīng)該是從巴德雷諾茲和穆勒的論文《鑭、鋇、銅、氧體系中可能的高臨界溫度超導(dǎo)性》開始的。氧化物超導(dǎo)體是在1964年首次被人們發(fā)現(xiàn)，即鍶鈦氧化物，但Tc只有0.3K。此后在1975年有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了Tc為14K的鋇鉛鉍氧化物超導(dǎo)體，雖然吸引了一些科學(xué)家的注意，但還沒有更驚人的進展。瑞士科學(xué)家穆勒（A.Müler）最初是一個名不見經(jīng)傳的超導(dǎo)領(lǐng)域的普通研究者，他在1978年的一次偶然的機會第一次接觸到超導(dǎo)問題，此后對氧化物超導(dǎo)體的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。1983年，穆勒說服了一起工作的同事巴德雷諾茲（J.G.Bednorz）共同研究超導(dǎo)體。年輕的巴德雷諾茲在完成其他主要工作之外，利用業(yè)余時間與穆勒進行這項研究。1986年1月，他們在自己制備的鑭鋇銅氧樣品中，利用電阻測量觀察到了30K左右的起始轉(zhuǎn)變溫度。這是一個難以置信的振奮人心的消息。但由于巴德雷諾茲和穆勒在超導(dǎo)物理界成績并不突出，大部分的超導(dǎo)物理學(xué)家或沒有注意到他們的工作，或者對他們的研究存在疑問，他們的論文也沒有發(fā)表在超導(dǎo)研究最權(quán)威的雜志上，所以當(dāng)時并沒有造成巨大反響。然而，在中國、日本和美國，巴德雷諾茲和穆勒的論文卻受到了一些科學(xué)家的高度肯定和重視，正是因為他們的進一步證實和深入研究，使超導(dǎo)體的發(fā)展速度遠遠超出了巴德雷諾茲和穆勒最初的預(yù)料。

愛因斯坦堅信相對性原理是自然界普遍規(guī)律的表現(xiàn)，揭示了同時性具有相對性。正如馬克思所說：“在科學(xué)的入口處，正像在地獄的入口處一樣，必須提出這樣的要求：這里必須根絕一切猶豫；這里任何怯懦都無濟于事！”狹義相對論的建立正是根絕猶豫、大膽創(chuàng)新的科學(xué)典范。愛因斯坦在1905年建立了狹義相對論，成為對牛頓力學(xué)的推廣或者說牛頓力學(xué)是狹義相對論的特例。必須強調(diào)的是，科學(xué)理論的發(fā)展，不是拆了舊房蓋新房，它像登山一樣，創(chuàng)立一個新的理論就像登上了一座高峰。視野擴大了，原來隱藏著的東西被發(fā)現(xiàn)了。原來的理論仍然歷歷在目，只是顯得小了，成了廣闊視界中的一小部分。

我們也可以從一些詩詞中發(fā)現(xiàn)一些共性的思想，比如，蘇軾的《題西林壁》：“橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同。不識廬山真面目，只緣身在此山中?！痹偃?，杜甫的《望岳》：“岱宗夫如何？齊魯青未了。造化鐘神秀，陰陽割昏曉。蕩胸生層云，決眥入歸鳥。會當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小?！?/p>

2.對稱之美。對稱是指物體或系統(tǒng)各部分之間比例的平衡與協(xié)調(diào)。對稱美是人們認識自然的一種概念。物理學(xué)中的對稱美，一方面表現(xiàn)為條件的對等，另一方面表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)上的對稱。例如：動量守恒是坐標(biāo)平移下的對稱屬于空間對稱性；而能量守恒則是時間移動下的對稱屬于時間對稱性。再如，原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、宇宙結(jié)構(gòu)等都具有對稱美。

從物理現(xiàn)象上看，對稱美的表現(xiàn)也不勝枚舉。如電場與磁場的相互轉(zhuǎn)化，變化的電場可以產(chǎn)生磁場，變化的磁場也可以產(chǎn)生電場。這種電場與磁場的變化現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在。他還利用對稱性的原則大膽引進位移電流的概念，從而得到了麥克斯韋方程組第四個方程，對電磁場理論進行了完善。再如，丹麥物理學(xué)家奧斯忒發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)；法拉第經(jīng)過近11年的努力，實現(xiàn)了磁變電，也就是電磁感應(yīng)定律；狄拉克追求負電子的對稱性而發(fā)現(xiàn)了正電子，磁單極子也是他追求對稱性的意外收獲。所以說，對稱性對于促進人類對自然界的認識，從而建立科學(xué)的理論起到了重要的能動作用，諸多科學(xué)理論都是在追求對稱美的過程中發(fā)現(xiàn)并逐步研究形成的。在授課過程中，我們特別強調(diào)了楊振寧、米爾斯理論是麥克斯韋電磁理論的推廣者。換言之，麥克斯韋電磁理論并非終極真理，讓學(xué)生知曉真理的相對性，活學(xué)、活用哲學(xué)原理。

3.簡潔之美。任何好的物理規(guī)律的表述和公式都應(yīng)該是簡潔和優(yōu)美的。牛頓的萬有引力定律，只用幾個字母就概括了一切物體間的相互作用，揭示了天體運動的原因，并能夠計算出未知行星的位置，體現(xiàn)了宏觀低速情況下，牛頓定理可以推知過去、預(yù)言未來的威力，使萬有引力定律呈現(xiàn)出無與倫比的簡潔美。電荷之間的庫侖力與之相似。所以，生命不能承受低維之簡，同樣生命也不能承受高維之變。再如，愛因斯坦的廣義相對論成功預(yù)言了以下結(jié)論：加速度與引力場等價、強引力場或加速度使時間變慢、宇宙中可能存在蟲洞（引力場強度是零的地方）、宇宙中可能存在奇點（引力場無限大的地方）、紅移（光的波長變長）、空間彎曲、成功解釋了水星近日點的進動等。

簡潔美還表現(xiàn)在物理學(xué)研究方法和思維方法上。例如，為了研究復(fù)雜的物理問題，需要突出或者體現(xiàn)事物的主要矛盾，忽略其次要矛盾，這就要求提出合適的理想模型。比如變復(fù)雜為簡單的質(zhì)點、剛體、理想氣體、點電荷、光線、薄透鏡等的理想模型，能夠概括出物質(zhì)運動的基本規(guī)律，引導(dǎo)人們提示科學(xué)規(guī)律的同時，也帶來了物質(zhì)世界美的享受。

（二）灌輸物理知識中的文學(xué)美

物理學(xué)是以科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的一門自然科學(xué)。物理教學(xué)必須求實嚴(yán)謹、精確無誤、合乎邏輯。文學(xué)語言是將美視作靈魂，為了完美地表達某種感情，需要擺脫模式化的邏輯順序，運用豐富的聯(lián)想進入情感空間，有時甚至不惜虛構(gòu)一些優(yōu)美的情節(jié)。從表面上看，文學(xué)語言與物理教學(xué)似乎是格格不入的。其實不然，文學(xué)語言具有那種很強的感染力，對于任何學(xué)科都是很好的借鑒。如果在物理教學(xué)中能夠適時地運用文學(xué)語言，將抽象的理論用比喻的手法描述的形象生動、妙趣橫生，一定會達到事半功倍的效果。為了說明江河瀑布所蘊藏的巨大的動能和勢能，我們借用了李白的詩句：“飛流直下三千尺，疑是銀河落九天”以及杜甫的詩句：“無邊落木蕭蕭下，不盡長江滾滾來”。為了說明描述運動的相對性和參照物的必要性，我們引用了詩句和歌詞：“兩岸青山相對出，孤帆一片日邊來”、“小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走?！睘榱私沂疚矬w的顏色與光的密切關(guān)系，我們介紹了“夕陽返照桃花渡，柳絮飛來片片紅”。而李白的詩句“日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川”更是生動地說明了光的散射原理。

為了提高學(xué)生的文學(xué)修養(yǎng)和物理知識的結(jié)合，我們在上課過程中引用了宋代詩人陳與義的《襄邑道中》：“飛花兩岸照晚虹，百里榆堤半日風(fēng)，臥看滿天云不動，不知云與我俱東?！眴l(fā)學(xué)生可用相對運動、參考系的知識來解釋，提高了學(xué)生的興趣。我們總結(jié)出了相對論中的快板書：“說稀奇，道稀奇，愛因斯坦更神奇，抓住了‘以太這個鬼東西，光速不變一語驚天地。相對論，開新局，時空成一體。尺縮、鐘慢驚天地，質(zhì)能得統(tǒng)一。幾何學(xué)、論引力，光線彎曲有證據(jù)，由狹義，到廣義，相對論的歷史豐碑永銘記?！?/p>

（三）滲透物理學(xué)史中的社會美

為了培養(yǎng)學(xué)生執(zhí)著、無畏，為追求真理而不懈探索的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，我們在課堂上介紹了一些科學(xué)家的事跡。比如，牛頓、居里夫人、玻爾、愛因斯坦等的事跡。特別是愛因斯坦所言：“人只有獻身于社會，才能找出那短暫而有風(fēng)險的生命的意義?！编嚰谙?、錢學(xué)森、趙忠堯、郭永懷、周培源、嚴(yán)濟慈、錢三強、錢偉長、華羅庚等人的愛國壯舉，都是很好的素材。

（四）在美的誘導(dǎo)中傳授學(xué)科知識

興趣是最好的老師，人一旦對某一事物產(chǎn)生了濃厚的興趣，就會主動去實踐探索，也能夠自主地克服在實踐中產(chǎn)生的不良情緒，甚至困難和問題，所以古今中外的教育家都非常重視學(xué)生興趣的培養(yǎng)。2001年頒布的基礎(chǔ)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出“要讓學(xué)生領(lǐng)略自然界的美妙與和諧，培養(yǎng)學(xué)生終身的探索興趣?！痹诖髮W(xué)物理學(xué)科教學(xué)中，我們要善于借助物理知識中的理性美、藝術(shù)美、自然美以及社會美，規(guī)范學(xué)生的日常行為，鍛煉完美的心理品質(zhì)，陶冶道德情操，同時引導(dǎo)學(xué)生的求知欲，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，提高修養(yǎng)和悟性，使學(xué)生在美的引導(dǎo)和啟迪中學(xué)習(xí)物理知識，使學(xué)生逐步獲得終身學(xué)習(xí)的能力，為社會進步做出貢獻。

三、人文物理的精神力量培養(yǎng)

（一）培養(yǎng)團隊合作精神

在物理學(xué)史上，絕大多數(shù)發(fā)明創(chuàng)造成就的取得都離不開團隊協(xié)作。瑞士科學(xué)家科拉頓（J.D.Colladon）1825年做電磁感應(yīng)實驗時，把磁鐵、閉合線圈和電流計分別放在兩個房間，來回奔跑觀測，失去觀測瞬時變化的良機。丹麥天文學(xué)家第谷獨自研究行星，花費了30多年的時間觀察行星的位置，積累了大量精確、可靠的資料，但卻始終沒有得到重大的科學(xué)突破。他去世后，他的助手開普勒按照他的資料編制星表，經(jīng)過深入的研究推論終于發(fā)現(xiàn)了行星運動的三大定律，也揭開了天體運動的奧秘。

1966年12月24日，《人民日報》頭版頭條報道了《我國在世界上第一次人工合成結(jié)晶胰島素》，這是團隊合作的典型例子。2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者屠呦呦，在發(fā)表獲獎感言時稱，青蒿素獲獎是中國科學(xué)家集體的榮譽，任何一項科研創(chuàng)造都離不開團隊精神。

（二）培養(yǎng)愛國主義情懷

1930年王淦昌考取了德國柏林大學(xué)，繼續(xù)研究生學(xué)習(xí)，師從著名核物理學(xué)家萊斯·梅特納，他是這位女科學(xué)家唯一的中國學(xué)生。1934年春，在苦學(xué)4年取得博士學(xué)位后，他毅然決定回國。有的教授挽留他：“中國那么落后，你回去是沒有前途的……要知道科學(xué)是沒有國界的?！彼麍远ǖ卣f：“科學(xué)雖然沒有國界，但科學(xué)家是有祖國的！我出來留學(xué)的目的就是為了更好地報效我的祖國，中國目前是落后的，但她會強盛起來的。”

1955年，趙忠堯用帶回的器材和零件，主持建成了中國第一臺質(zhì)子靜電加速器，并進行了原子核反應(yīng)的研究。9年之后，中國第一團“蘑菇云”在祖國大西北升空，他是第一個看到“蘑菇云”的中國科學(xué)家。

鄧稼先在美國普度大學(xué)獲得博士學(xué)位9天后，決心回國報效祖國。

1950年9月中旬，錢學(xué)森辭去了加利福尼亞工學(xué)院超音速實驗室主任和“古根罕噴氣推進研究中心”負責(zé)人的職務(wù)，辦理了回國手續(xù)。直到1955年，中國政府通過外交斗爭，迫使美國政府同意錢學(xué)森返回中國。錢學(xué)森終于回到了朝思暮想的故土。錢學(xué)森激動地說：“我相信我一定能回到祖國?，F(xiàn)在，我終于回來了！”

（三）培養(yǎng)科學(xué)精神

曾任教于美國華盛頓大學(xué)與西北大學(xué)，2007年回國后任教于北京大學(xué)的饒毅教授曾說過：“缺乏科學(xué)精神是我們文化的重大缺陷。當(dāng)前，更為緊迫和重要的任務(wù)是科學(xué)精神要在文化上深入人心?！?/p>

伽利略關(guān)于兩個鐵球是否同時著地的問題進行了長時間的思考。因為亞里斯多德的這個觀念統(tǒng)治了人們思想近1900年，正是有了科學(xué)精神，伽利略大膽做了比撒斜塔實驗，否定了人人信奉的哲學(xué)家亞里士多德的“真理”，也極大地推動了經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者法拉第，依靠刻苦自學(xué)，長期實驗，大膽探索，嚴(yán)謹治學(xué)，從一個連小學(xué)都沒念過的圖書裝訂工跨入了世界第一流科學(xué)家的行列。而麥克斯韋在對法拉第的理論提出懷疑之后，決心用一種更精密的形式去重建它、完善它，最后提出了電磁場理論，這是嚴(yán)謹求實科學(xué)精神的充分體現(xiàn)。

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