對物理學和物理教學的幾點認識（下）

杜祥琬

（中國工程院 北京 100088）

物理學既然如此重要，因此，搞好并提高物理教學是各級教育管理部門與學校的一項重要任務.下面談談對物理教學的四點認識.

2 對物理教學的四點認識

2.1 物理教學重在打好基礎

（1）知識的基礎.知識的基礎首先是概念，要有清晰的物理概念.一個人做什么事情，如果概念清楚就能做好.概念模糊的人做不成好的事情.第二是對物理規律的理解.要把規律認識清楚，包括因果關系、邏輯關系.還有知識的系統性也很有意義.這是知識的基礎.

（2）能力的培養.我想在物理教學里面對學生培養能力非常重要，有幾個方面：一是數理方法的訓練.學物理，要把數學物理方法訓練好.比如解方程，你可以用數值模擬得到精確的解，也可以得到近似解，甚至于發展粗略的模擬，就是不用計算機算半天，而是抓住主要因素進行粗略的估計.模擬計算的能力在現在計算機發展很好的情況下，學生都應該具備.二是實驗動手能力，要能夠動手去做實驗.三是閱讀、分析、總結、寫文章的能力.每一篇文章的Introduction里面往往要介紹已經有的工作，那就要善于閱讀、分析總結，讓學生學會寫Introduction和后面的Conclusion，這都是他們非常重要的能力.

（3）思維能力.思維能力包括物理學和哲學兩個方面的思維.比如說物理學中的舉一反三的能力、聯想的能力、逆向思維的能力.俄羅斯人提出了一個TRIZ理論，就是創新方法，逆向思維就是其中一個.還有批判精神，懷疑的思維，這樣才有一些創新的想法.

（4）提出問題能力.我想特別要跟大家強調，就是提出問題的能力.學問學問，不僅要學，還要能夠提出問題.我們參加學術會，發現外國人提問題很熱烈、很積極.中國有些學校還好，但有些學生很羞于提問題，不大想當眾提問.善于提問題是非常重要的.1948年，Mayer做了一個報告，是關于原子內電子的軌道.費米就想出一個問題來問他，說有沒有什么現象顯示出軌道和自旋有相互作用存在.他當時沒有回答，是想到過這個問題.結果這一問就導致了Mayer接下來的研究，產生了另一個新的成果，并在1963年得到諾貝爾物理學獎.善于提出一個問題，能給出一個研究方向.

要培養學生的這幾種能力，而不是死記一些知識.下面我給大家講幾個物理學家這方面的故事.

彭桓武先生是理論物理學家，我在他的手下工作若干年，對他非常尊重和敬佩.有一年我們搞狀態方程，用的不完全是流體，也不完全是固體.朗道有九本一套的《理論物理學》，第九本就是《彈塑性》，當時是文化革命期間，彭先生就問我最近在干什么？我就說在啃《彈塑性》，他說我去給你們講講如何？當時既沒有PPT，又沒有投影，就一個黑板，不拿稿子，一板一板的拿著粉筆推彈塑性方程，給我印象非常深.寫了擦掉，擦掉再寫一板，就是基礎的訓練非常強.彭先生還有個粗估的能力，就是說一個物理問題，往往有好幾個因素影響它，考慮太多你就解不出.你得把主要因素抓住.他說3∶1可以看作是無限大，那個1可以省掉，這個3你一定要抓住；就是把主要的抓住.所以這些提法，給我的印象非常深刻.

王淦昌先生在1964年，說激光有這么好的方向性，這么好的聚焦，用幾束激光打核聚變的小球，用激光引發核聚變，就能產生能源呢！1964年他就提出這個思想，這個思想他先提出來，當然同一年前蘇聯的巴索夫等也提出類似的思想.王先生一生有很多成果，最欣賞的是這個.還有一個很有意思的也是個概念問題.當朝鮮戰爭爆發以后，志愿軍有一次挨了美國的一顆很強烈的炸彈攻擊，威力比一般的炸彈強得多.于是前線就傳來一個信息，懷疑美國人用了原子彈.中央馬上說要組織一個專家組到朝鮮去考察一下，是不是美國用了原子彈.王淦昌先生是實驗物理學家，自己動手做了一個探測器，帶了兩個助手去了.他回來當然說不是原子彈.他后來開始搞原子彈研究.說真是沒有概念，原子彈達到的溫度是如此之高，根本不可能有碎片存在，都氣化了.他說要有一點原子彈的概念，就用不著去朝鮮，可以告訴前線如果有彈片的話就不會是原子彈，就是這樣的概念.

錢學森先生回國后，中央問他，先搞航空還是先搞航天？他毫不猶豫地說先搞航天.一般人都是認為航空低，好像航天高；航空容易，航天難.其實航空更難.航空要在空氣、大氣介質里面運行還不說，還要來回往返多次，還要十分的安全.而航天呢只要達到第一宇宙速度，就可圍繞著地球轉.搞衛星還是搞導彈？他說搞導彈.因為衛星要第一宇宙速度，搞導彈不要達到第一宇宙速度.后來搞衛星的時候又有一件事.在地面做衛星實驗的時候，發現振動很厲害，向他匯報.大家說這個不能發射，錢學森堅定地說發射，沒有問題，發射.因為上去以后，沒有地球引力就沒有這個振動了.就是這樣一種概念的判斷.

周光召先生，在我們搞原子彈的時候，蘇聯人提供了一個模型，其中有一個數據，有人懷疑數據的正確性.周光召先生的功底非常好，他用最大功原理做了一個粗估，給出了這個數據的數量級，一下就把這個爭論解決了.

于敏先生對氫彈做出了重大貢獻.我們跟他一起在上海當時用計算機算突破氫彈的過程當中，曾經出現一些不好解釋的現象.當時還不像現在的計算機，都用打印紙帶.大家看到，紙帶一排一排的數據，就是溫度、壓力等，每一個物理量隨著時間的變化，它應該是一個有規律的發展.于敏先生就看看哪一個物理量到什么地方有一些反常，這個數是怎么算出來的？然后就去追這個程序，軟件的計算程序對不對？一看這個計算機程序編得沒有錯誤.那么在計算機上如何實現這個程序呢？就是計算機那些加減法.計算機里面乘法和除法都是用加法和減法實現的.最后追到一個加法器，就是它壞了.能夠從物理計算規律里面判斷一個計算機細微的毛病，我覺得這些方面都是給人留下了非常深刻的印象.

我們在工作里面曾經用到玻爾茲曼粒子輸運方程，經常用的是中子輸運方程，這是一個線性方程對吧！因為中子在介質里面運動，原子核的密度是很高的，中子是很少的，線性方程沒有問題.但是在計算聚變的時候發現，也是從紙帶看出來，這個中子密度有些時候能高到可與原子核密度相比較.這種情況下就不能用線性方程描述.于是，我們提出了非線性中子輸運方程概念.有了這個概念把它寫出來，怎么去解這個方程，這又出來了一個新的解法.這是第一點，物理教學重在打好基礎.

2.2 要培養學生創新素養

使學生理解物理學的意義、物理學的作用、物理學的趣味及物理學引人入勝的魅力，以培養創新的素質.認識物理學在歷史上的作用到現實作用，以及對未來的作用，為十年、幾十年之后培養人才，培養物理學家.讓他們理解物理學不僅在歷史上，而且在未來它的重要作用.物理學任重而道遠.

物理學引人入勝之處，比如未知物理學.把一些不知道的物理學問題辦一個講座，講一些物理學的未知.未知怎么能講，就是提出問題來，物理學還有多少不認識的問題.這個論壇，可以叫未知物理學.能夠把未知的問題提清楚就很不錯了.這樣使人類能夠展開想象力的翅膀來欣賞大自然的美妙和神奇，來提供智慧和思辨的享受.

法國作家福樓拜說：“科學和藝術在山腳下分手，在山頂上匯合.”在山腳下什么意思？科學是研究自然的規律，而藝術是研究精神世界的一些享受的藝術性.在山頂上匯合，因為它們都是人類最高的創造，所以藝術和科學的聯系也就在這個地方.其實很多文學家對于科學的發展一直非常關注.例如鐳的放射性出來以后，1930年魯迅先生就在文章中寫道：“不可思議之原質，輝新世紀的曙光，破舊學者的迷夢”，對這個科學發展非常敏感.

愛因斯坦對玻爾提出的原子模型，說這是思想領域中最高的音樂神韻.馬克吐溫，對于發現太陽系的結構以后說：“科學真是迷人”.物理學家維爾曾經說過，“我的工作就是盡力把真和美統一起來”.要讓學生產生理解物理學的興趣.

2.3 教書首先要育人

（1）品格成就人才.愛因斯坦曾經說過：“大部分人都以為是才智成就了科學家.他們錯了，是品格.”這是愛因斯坦的感受.首先一個科學家、物理學家的品格，就是奉獻精神.要有為科學、為國家、為人類奉獻這種精神.這里面有很多科學家的故事可說.

為了研究火山的規律，一個人忘我、不怕犧牲地去靠近火山，甚至被火山給燒傷.為了研究臺風的規律，去追臺風，這是很危險的，因為臺風不穩定.郭永懷和錢學森是一起回國的兩位大家.錢學森是搞航天的，郭永懷是搞核武器的，核武器早期的力學規律是他負責的.1968年郭先生從基地飛回北京，在西郊機場降落時，因飛機失事，全機人員遇難了.處理現場時發現郭永懷先生和他的警衛員兩人的尸體都被燒焦，但兩個人緊緊抱在一起，兩人腹部中間夾的公文包里面保密資料完好無損.這就是一個科學家，他最后離開世界的時候是這樣做的.這是一種精神.

王淦昌是世界知名的科學家.國家要他去搞原子彈，他就說了一句話“我愿以身許國”.王淦昌從此就埋名搞了17年的核武器，有奉獻精神這是一個很基本的品格.所以這些人能成就大事業.

（2）唯真求實.物理學本身是個求實求是的科學，得有負責的精神.王淦昌在發現反西格瑪負超子的同時，他們在探測當中發現了另外一個徑跡，是人們不大了解的一個，好像是一個新的粒子.當時蘇聯有的科學家就急于說，我們又發現一個新粒子，想給它起名叫第一粒子.王淦昌說我們沒有認識這是個什么東西，還不能急著做這個結論.當時周光召和丁大釗他們都在，經過一段分析，發現這是一個K0介子的電荷交換反應的徑跡.好了，這就解釋清楚了.王淦昌說謝天謝地，我沒有吹牛，我沒有急著宣布這個第一粒子.他這是嚴謹性，不急功近利.

（3）倡導非功利的追求.要鼓勵學生以什么作為自己人生動力呢？我想物理學家應該是雙輪驅動.一個輪子是對科學的愛好、興趣、好奇心.另外一個輪子就是社會的需求.愛因斯坦是這樣，居里夫人他們都是這樣的.

要讓學生懂得傳承是一種價值觀.我有一次跟學生講老一輩物理學家不僅創造了歷史業績，也創造了崇高的價值觀.有個學生給我提的問題對我很有啟發，他說：“講這個崇高的價值離我們太遠了.因為我們這些人很普通，離崇高太遠了.”所以我想就跟他們講四個字“品行端正”，離我們比較貼近；從小養成品行端正應該是不難的，然后再從這個地方上去，提倡可能的崇高.

物理學發展，不僅需要物質基礎，需要經費、儀器，也需要有靈魂.我國的科技發展，科學的繁榮，需要靈魂的支撐.價值觀是一個人生的基礎課，讓學生從物理學的歷史、物理學家的歷史，物理的發展來領略一種物理的價值觀.把這個價值觀打好是人生的基礎課，也是科技工作者的一個基礎課.上面講的這些故事，是20世紀50年代、60年代的，而現在21世紀價值觀多元化了.但是，我說：“不管在任何時代、任何國家，總會有不同的人來選擇不同的價值觀.”這句話對不對？大家說對.永遠都是這樣的.很多人浮躁也好、急功近利也好、造假也好，但是總會有一些人踏踏實實做事.要不然怎么會出現實際的科研成果呢？所以我想要讓學生們懂得中國需要有一批人潛心研究，這樣才有可能談得上創新型國家，才有可能有自己的核心競爭力，中國才有希望.

2.4 對物理學教師素質的要求

我體會有這樣幾點要求：第一是科學的素質、科學的水平，物理學要有深廣的基礎；第二，物理學教師要有哲學的素養，要有一點人文的素養，要懂哲學、要懂歷史.要理解物理學的價值和它的思想方法以及它的人文精神.這幾點都是很重要的.

再一個是教學的能力，要培養學生的幾種能力，首先教師要有這幾種能力.再就是，教師要有研究教學的能力.教學也有很多技巧，要有研究的能力和實踐的能力.

最后，教師畢竟是靈魂的工程師.物理學教師要深刻理解物理學的社會責任和歷史使命.中國要出一批原創性的成果，中國要變成創新型的國家.完成這個歷史使命，使國家、社會可持續發展.中國現在的發展道路，是13億人口的事.我們走不通美國那個模式，它的人均能源消耗使我們無法承受.任何國家都創造不了中國可持續發展的經驗；中國要創新自己的發展道路.為此，物理學的社會責任和歷史使命都是非常重大的.讓我們一起來續寫更豐滿、更厚重、更生動的物理學的歷史篇章，讓我們為歷史性的發展和創造社會美好的未來，培養高素質的人才共同努力.