本科階段等離子體物理教學探討

梅冰

(中國人民解放軍理工大學氣象學院 江蘇 南京 211101)

等離子體是顯著電離的氣體，作為物質的存在形態之一，為區別于固態、液態、氣態而通常被籠統地稱為物質的“第四態”．日常能見到的等離子體如火焰，閃電，霓虹燈里的電弧等，太陽本身就是一個巨大的等離子體球．事實上，等離子體態物質占宇宙中可見物質的99%以上.等離子體物理早已成為物理學的一個重要分支，其應用與技術日益在人們生產生活中發揮著重要作用．但是，在大學的普通物理教材中卻難以找到等離子體的概念.最新版的新概念物理《電磁學》教材中所涉及的等離子體概念也是比較模糊的，其中等離子體基本物理性質的介紹僅寥寥兩三頁.即使是針對物理類的本科專業，開設等離子體物理課程的院校也非常少見.這種局面的形成和等離子體物理理論本身發展有關，也和教育的重視程度有關．

1 普及等離子體物理基本知識的必要性

1.1 技術發展的需要

等離子體物理應用廣泛.其相對獨立的研究和應用領域主要包含三個方面：受控熱核聚變等離子體物理、空間等離子體物理和低溫等離子體物理與應用[1]．受控熱核聚變為解決目前全球日益嚴重的能源問題提供了發展方向.空間等離子體物理是人類認識地球空間環境，進而走向太空的必要條件.近年來人們日益關注的影響電網、通訊等技術設施的太陽風暴等都屬于空間等離子體物理的研究范疇.低溫等離子體物理與應用則與人們日常生產生活息息相關，例如等離子體對材料表面的改性，低溫等離子體滅菌，等離子體顯示屏等等．從國內的人才市場需求來看，加快等離子體物理與應用的人才梯隊的培養，已成為當務之急．

1.2 物理學進一步發展的需要

21世紀物理學在三個方向上的繼續發展，離不開等離子體物理的貢獻.

(1)從微觀上的深入，例如飛秒激光等離子體物理；

(2)宏觀上的拓展，例如深空等離子體探測；

(3)非線性科學的進一步發展，例如等離子體的各種不穩定性的研究．

等離子體物理在上世紀70年代末形成獨立的物理分支學科，和物理學的其他分支理論相比，等離子體物理研究的對象是復雜體系，相關物理量(自由度)遠多于其他物理分支研究對象．等離子體物理經常要面對的任務是在信息量不足和不準的情況下，盡可能精確地理解其對象的性質．這使得等離子體物理在思維方式上明顯區別于其他物理學分支．等離子體體系作為一種復雜體系，在對其進行定量化描述中所遇到的困難，也同時將存在于21世紀領頭學科的定量化描述問題之中[2]．物理類專業的學生如果能夠盡早地接觸等離子體物理，對于在現今主流物理學家追逐物理學大統一理論的框框下拓展思路也將產生積極影響．

1.3 高等教育發展的需要

狹義上的等離子體是指由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)組成的，宏觀上呈現準中性(準中性是指在等離子體中的正負離子數目基本相等，系統在宏觀上呈現中性，但在小尺度上呈現出電磁性),且具有集體效應的混合氣體[3]．廣義的等離子體是指集體行為起支配作用的宏觀體系．存在著集體相互作用是等離子體最重要的特點；而正是這一特點為“和諧”等人文概念注入了新的科學涵義．中國科學技術大學劉萬東在其《等離子體物理講義》中的一段話很好地詮釋了等離子體物理學中的人文內涵：“我經常將等離子體人性化，她的許多表現酷似于我們人類……等離子體中的兩性，相互獨立又相互扶持，平和時若即若離，逃逸時則攜手并肩．等離子體中的相互作用，長則綿綿，短則眈眈；遠可及周天之外，近可抵唇齒之間．等離子體的集體行為，自由與束縛兼得，溫和與暴虐并存．等離子體的自洽稟性，可以欺之以嫵媚，不可催之以強蠻.若以力，人人奮憤可兵；以弱，則諾諾列隊而從．如此以陳，等離子體的每一個秉性都值得我們用詩一般的語言來渲染．電子離子，以其簡潔的庫侖作用，本不堪言，然一成群體，即如此絢麗，何況人乎？”可以預見，在現代科學與人文相互融合的教育理念下，普及等離子體物理必然促進高等教育及其理論的進一步發展．

已經如此重要的等離子體物理，卻在大學物理教育中被忽視．因此，在大學物理教育中普及等離子體物理的基本知識已經顯得非常必要．

2 普及等離子體物理基本知識的可行性

2.1 等離子體物理的教育現狀

等離子體物理是一門建立在多門基礎物理學科之上的交叉學科，其理論的學習在一般的等離子體物理教育者看來必須具備相當深度和廣度的物理基礎．等離子體物理在國內的教育現狀是，少數高等院校的物理類本科專業將其作為選修課；而只有極個別高校(如中國科學技術大學，解放軍理工大學等)由于專業設置的需要才把等離子體理論設置為本科的高年級必修課程；其他院校學生一般都是研究生階段才真正接觸到等離子體的基本性質；而設置等離子體物理相關碩士或博士專業的院校本就非常稀少．

2.2 物理類專業普及等離子體基本理論和應用的可行性

本科物理類專業普及等離子體基本理論顯然是可行的，可作為獨立的課程開設，或者滲透到電磁學、電動力學等課程中去．

物理類專業學生的電動力學課程一向被認為是過于抽象的理論課，學生學習過程中很少能體會到其實際應用價值，而最初集中體現等離子體物理磁流體力學理論的恰恰是阿爾文著的《宇宙電動力學(基本原理)》一書，該專著將電動力學的基本原理應用于揭示宇宙空間等離子體中的具體物理現象．由于等離子體是帶電粒子構成的體系，電動力學是等離子體物理研究中的基本要素，有時在電動力學課程中會涉及很少量的等離子體電動力學理論，如果能再引入一定量的等離子體技術與應用，這必然會使電動力學課程變得生動起來．當然，這對教師提出了更高要求，需要編寫教材與授課的教師通曉電動力學以及等離子體理論與技術．

實際上，經典力學、電動力學、量子力學、統計物理等都能夠在等離子體物理中找到自己的應用領域，而等離子體物理本身較強的應用性和創新性，為抽象的物理理論課生動化、實用化提供了一個可借鑒的方向．

2.2 等離子體應用方向的工科學生如何掌握等離子體基礎理論

如何給以等離子體物理的應用為核心技術的工科專業(例如核聚變方向，空間技術方向以及材料物理應用方向等)本科學生講授等離子體理論是一個非常值得研究和探討的教育課題；事實上在國內院校已經有解放軍理工大學成功開設工科的等離子體基礎理論課程的成功經驗；而武漢工程大學的材料物理本科專業(雖然該專業屬于理科，但根據其就業導向仍然是技術應用)也開設了其專業核心課程工業等離子體．

解放軍理工大學的等離子體課程是空間工程專業的工科學生的學科核心基礎課程，要求學生掌握相對系統的等離子體基礎理論．由于該專業學生的數學基礎與物理類專業學生的數學基礎完全一致，而物理基礎相對薄弱(一般的工科專業的情況也大抵如此)，因此通過數學理論推導來分析物理原理的授課方法，使得工科學生系統地掌握等離子體理論成為可能．當然，由于空間等離子體理論的應用本身是非常能夠激發學生興趣的內容(統計表明，所有空間工程專業的學生對空間等離子體應用有一定興趣或非常有興趣)，只要將應用的介紹很好地貫穿于理論之中，即不用擔心學生會過度的排斥抽象的理論部分．

武漢工程大學的材料物理專業方向側重于等離子體技術應用(物理氣相沉積和化學氣相沉積)，強調技術的使用和研發，因此相對于抽象的等離子體物理基本理論，側重于實驗的教學顯得更加重要，除了設置工業等離子體的理論課程外，還設置了等離子體技術與應用試驗課．該專業畢業生的高就業率也表明了在本科設置等離子體技術相關方向專業的成功．

2.3 一般理工科學生如何掌握等離子體基本理論

國內自編并正式出版的適用于本科非物理類專業的等離子體物理教材近年來從無到有地開始發展，同時也已經有相當數量的國外教材被引進，并呈現快速增長的趨勢．系統地學習等離子體理論需要一定的電磁理論知識，但在國內的可選擇教材還很少.教材內容的難度相對要求學生物理基礎較高的前提下，可以先嘗試在學習過電磁場與電磁波理論的學生中開設如現代等離子體技術與應用等的選修課，教師在教學的實踐中才能逐漸總結出足夠的教學經驗，編寫出適用于一般工科專業的教材．

2.4 普通物理或文科物理教材中引入等離子體物理基本內容時的側重點

普通物理中可以通過增加相關章節，引入閱讀材料，或者分散式地逐步介紹有關的概念和性質．一般在電磁學內容部分就可以引入等離子體基本概念和基本性質，如德拜屏蔽；等離子體振蕩則在振動與波的內容部分引入．普通物理介紹等離子體物理內容的側重點在于，使學生認識等離子體的自然存在形式，理解等離子體中的集體相互作用，了解等離子體應用領域．

文科物理既可縱向地介紹等離子體物理的發展史，也可橫向地介紹等離子體物理的現代應用；但要強調等離子體的集體相互作用特性，因為正是這個特性恰可以和很多復雜的人文社會現象作類比，使得文科生能夠更容易接受等離子體物理，從而達到科學與人文教育相互融合的目的．

3 面臨的困難和解決方案

在本科物理教育中推廣等離子體物理面臨的最大困難是師資力量的相對缺乏.國內具有等離子體物理專業背景的物理教師有限.又因為目前在高校中多以論文和課時多少統計教師工作量，很少有物理教師愿意承擔一門新的課程，尤其是等離子體物理這種缺少成熟教材，需要花大力氣去搞清理論和實驗細節的課程．這種現狀的改變需要依賴大學物理教育界的宣傳.可以先嘗試一些比較科普的做法，例如通過普通物理和文科物理教材中內容的滲透，逐漸讓更多的人認識等離子體，了解等離子體技術的重要性．對于師資隊伍建設，一方面需加強師德教育，提倡奉獻精神，也要做好政策和制度上的傾斜.

等離子體物理是一門基礎物理課程，內容大體上屬于經典物理的范疇，然而它所面對的對象幾乎是宇宙中可見物質的全部、人類活動的主要能區．等離子體物理對物理問題的許多處理方法，尤其是涉及集體相互作用和現象的方面，對物理學以及其他科學都具有可借鑒的價值．從等離子體物理學成為現代物理學的獨立分支學科到現在已經過去了三十多年，形成了其獨特的新的物理文化．相信本科階段等離子體物理基本知識的普及必將給大學物理教育以及新技術的發展做出積極的貢獻．

參考文獻

1 張谷令, 敖玲, 胡建芳, 劉元富. 應用等離子體物理學. 北京: 首都師范大學出版社, 2008

2 胡希偉. 等離子體理論基礎. 北京: 北京大學出版社, 2006

3 李定, 陳銀華, 馬錦繡, 楊維纮. 等離子體物理學. 北京: 高等教育出版社, 2006