非物理學科物理教學淺析

賀雅奇

《大學物理》課程主要面向非物理專業(yè)的學生。但就物理學深度來講，很簡單，但是廣度大，需要對物理學有較為廣泛的認知，主要分支都要了解并且要有深刻的理解。大學物理課程的教學要求是盡量完整地、系統(tǒng)地、準確地講解經(jīng)典物理學以及近代物理學的進展與成就。筆者遵循以上的教學原則，注重基本規(guī)律、基本知識、基本概念和基本方法，對于物理科學發(fā)展的重大事件結合新觀點和方法進行講授，使學生們不僅了解了物理學基礎知識，又提高了他們的科學素養(yǎng)。

一

這門課包含近代到現(xiàn)代的物理學發(fā)展史，不需要復雜的數(shù)學公式計算，只需要把內容講清楚、準確，使得非物理專業(yè)的各專業(yè)學生可以清楚準確地了解物理學的基礎知識，進而提高他們的物理科學素養(yǎng)。經(jīng)過多年的教學實踐，我發(fā)現(xiàn)不深究物理學內在的邏輯以及處理技巧，把那些支配整個自然界的物理規(guī)律和知識講清楚，使學生對物理學基本框架結構都有了較清楚的理解，同樣培養(yǎng)了學生探索自然的興趣。

以量子理論為例，量子力學在物理學中的難度是公認的，要深入了解量子理論，甚至去解決實際的物理問題，那是物理專業(yè)的學生所要做的。而我們的課時有限，根據(jù)教學目的的不同，我們只需要讓學生把量子理論中的主要分支，以及重要的發(fā)展講清楚就可以，目的是讓學生們簡單清楚地了解這一理論的基本觀點。

從紫外災難引出能量發(fā)射的量子觀點：（1）紫外災難。頻率決定紫外發(fā)射，這是量子理論的觀點；而經(jīng)典理論觀點是強度決定紫外發(fā)射。然后，講解量子論主要觀點：（2）德布羅意的波粒二向性，愛因斯坦的光電效應，普朗克的量子假說，波爾的原子理論。進而該理論的基本方程——薛定諤方程，即：（3）薛定諤方程：接下來講述這一方程的基本物理意義：（4）伯恩的幾率波解釋最后解釋非常重要理論——測不準關系，即海森伯測不準關系

這種簡單的教學方法能否使學生掌握基本的物理知識，并且了解物理的一些基本規(guī)律，物理學看似很難，其實不然，其中的基本規(guī)律淺顯易懂。本質上講，物理學家的意義無非就是探索大自然的最本質而又最質樸的自然規(guī)律，讓世人得以了解。那么，現(xiàn)在就讓我們的學生從這一動機出發(fā)來了解物理學吧。

二

有位學者曾這樣說，“歷史給人以智慧，科學給人以知識?！睂茖W事件的歷史分析一方面可以使學生了解科學研究的思路，另一方面可以啟發(fā)學生的創(chuàng)造性。因此，在講課時，筆者認為在講授知識的同時，分析科學發(fā)展歷史的方法效果比較好。例如，講授“原子結構”這一章節(jié)時，讓同學們對原子結構進行逐步認識，使他們明白科學家是如何一步步發(fā)現(xiàn)原子，進而研究，最后接近客觀實際，達到正確結論的。

1909年蓋革和馬斯登首次觀測到α離子束穿過金屬薄膜后散射的情況，結果發(fā)現(xiàn)其中少數(shù)存在大角度散射，這完全出乎他們的意料，經(jīng)觀測這些散射角達到150°。經(jīng)過仔細分析，發(fā)現(xiàn)并不像湯姆孫所說的正負電荷混合在一起，而是正電荷聚集在一起，進而得出盧瑟福有核模型：原子中心有一核，半徑約為100萬分之一米，其中這個核占據(jù)了原子的絕大部分重量并且聚集了所有的正電荷，電子分布在核外半徑約為100億分之一米處。

盧瑟福模型使我們了解了原子的大概結構，正電荷以及電子的分布。那么進一步會想到電子在核外是如何運動或是遵從什么樣的運動規(guī)律呢？1913年丹麥物理學家波爾提出的氫原子理論充分地解釋了這一問題。

這一過程讓學生了解到可以從簡單的實驗結果中分析出重要的科學發(fā)現(xiàn)?？茖W發(fā)現(xiàn)并不難，科學家們只是比普通人對一些自然現(xiàn)象具有更強一些的感知力而已。除此之外，作為教師的我們還應告知學生，宇宙之大，對自然規(guī)律我們只能不斷地去探索，現(xiàn)有的很多結論還不是很確定，甚至還很膚淺，只有繼續(xù)探索才能不斷接近自然界的客觀規(guī)律。

三

每堂課的開始，我都會向同學們展示一段科學家對科學的認識論述，我稱之為“科學格言”，以此使同學們對科學研究有個明確的認識，了解如何去創(chuàng)造。例如在上第一堂課時，我引用了愛因斯坦和貝弗里奇的一段話，來讓學生們了解對于物理科學研究，究竟什么才是最重要的。“對于物理學上的基本概念決不能用歸納法來實現(xiàn)。19世紀多數(shù)研究者最基本的哲學錯誤莫過于此。現(xiàn)在我們很清楚：靠相信歸納經(jīng)驗來產(chǎn)生理論的理論學家是多么的幼稚和錯誤！”——愛因斯坦?！罢軐W家以及一些科學家這樣認為：系統(tǒng)地積累資料，最后根據(jù)邏輯概括出結論，這一結論就是新的科學發(fā)現(xiàn)。但事實上這種想法是錯誤的，僅有個別的發(fā)現(xiàn)采用這樣的方法?！薄惛ダ锲妗垡蛩固购拓惛ダ锲鎯晌粋ゴ罂茖W家告訴我們，重要的科學發(fā)現(xiàn)并不是通過邏輯和歸納，而是通過重要的創(chuàng)造性思維，這是關鍵中的關鍵。對于物理學為什么邏輯嚴密，我同樣用愛因斯坦的話在第二節(jié)課上進行了回答：“一個物理理論的建立，起決定性作用的是基本觀念，即使物理書中到處都充斥著復雜的數(shù)學公式。一切物理理論都源于思考和概念，并非公式?！薄獝垡蛩固埂?/p>

在我國，很多著名大學的培養(yǎng)目標是使學生牢固地掌握基礎知識，并且以此為傲，當然，筆者也不例外，每當夸獎同學時總是會說“基礎扎實”。然而，回過頭來想想，難道基礎扎實就是培養(yǎng)學生的目的嗎？自古以來，學習是為了創(chuàng)造。僅僅是學習別人創(chuàng)造的知識，不去創(chuàng)新，那社會就不會進步，這樣的科學家是失敗的，同樣不是我們這個社會所需要的。所以，僅僅學習課程中的邏輯關系而不假思索，這對科學的發(fā)展史并無益處。目前，大多數(shù)學生對基礎物理課程學完之后，喜歡根據(jù)基本定理進行推倒，這恰恰違背了物理課程的初衷。

通過這一段時間的教學實踐，我發(fā)現(xiàn)，通過短短幾分鐘的科學格言，學生們得到了不小的科學啟發(fā)。一位同學曾經(jīng)這樣給我來信：

“我很喜歡物理這門學科，然而陷入復雜的公式推導是無法享受物理之美的。選擇您的課，使我可以遠觀物理，欣賞它的美。對于這門課印象最深的是每節(jié)課您給我們講的科學格言，字雖少，卻意義重大，這使我們懂得了從事科研工作所需具備的基本素質。感謝您一學期來對我們的教誨。”

四

大學里應該教同學些什么呢？教自然科學的質樸還是社會的現(xiàn)實，這在任何一門課上都會有所體現(xiàn)。近年來，我國的教育界主要采取的是應試教育模式，學生所追求的除了分數(shù)還是分數(shù)，因為學習成績的好壞和以后的就業(yè)以及研究生保送都有著重要的關系。這樣造成的后果是，學生們只追求分數(shù)，而失去了對知識的熱愛和興趣。在此大背景下，有了“錢學森之問”。我們應反思，教師的職責是傳道、授業(yè)、解惑，引導學生們真正地去熱愛科學，而不是成績。學生的信中這樣寫道：“非常高興這學期選了您的《大學物理》這門課，收獲最大的是每堂課您講的科學思想以及您自身對科學研究的體會，我認為，相比知識，這個是最主要的?，F(xiàn)在的我們都有浮躁的趨勢，對于學術很少再去體會那種對于知識的熱愛，相反都更加注重結果，關注了幾篇文章。每次上完您的課，都有一種讓心靈得以凈化的感覺，從而可以靜下心來做事。感謝給予我們知識與精神的開悟?！睂W生學到知識，做教師的當然會感到欣慰。多年來的教育工作，始終認為讓學生學到東西才是我的目的所在，然而，暮然回首才發(fā)現(xiàn)，主要還是出于我對自然科學的熱愛。

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