《固體物理》教學(xué)中的人文教育

肖謐，劉洋

摘要：在理論性較強(qiáng)的物理類(lèi)課程中講授一些人文歷史知識(shí)，可達(dá)到提高上課效果、增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的吸引力、擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面、引發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題的創(chuàng)新思考的作用。本文介紹了在《固體物理》課程教學(xué)中，所講授的與課程內(nèi)容有關(guān)的科學(xué)史及人文知識(shí)的兩個(gè)案例。

關(guān)鍵詞：固體物理；課堂教學(xué)；人文；歷史

中圖分類(lèi)號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）15-0253-02

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)的歷史已進(jìn)入到了“信息時(shí)代”，電子信息技術(shù)空前發(fā)展，在人們的日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)，它們同屬于教育部本科專(zhuān)業(yè)目錄中的一級(jí)學(xué)科“電子科學(xué)與技術(shù)”。

《固體物理》是電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課。作為物理學(xué)的一個(gè)分支，固體物理學(xué)側(cè)重于用微觀結(jié)構(gòu)和微觀世界的基本規(guī)律，特別是量子物理的規(guī)律來(lái)解釋宏觀的物質(zhì)性質(zhì)，是聯(lián)結(jié)微觀原子和宏觀世界的橋梁。目前，絕大多數(shù)的高等院校在《固體物理》課程中重點(diǎn)講授晶體的結(jié)構(gòu)、晶體的結(jié)合力與結(jié)合能、晶體中的熱振動(dòng)、晶體中的缺陷、金屬電子論與能帶理論。通過(guò)對(duì)《固體物理》的學(xué)習(xí)，可幫助學(xué)生建立關(guān)于固體性質(zhì)較完整的基礎(chǔ)理論，為后續(xù)課程如《半導(dǎo)體物理》、《電介質(zhì)物理》、《微電子器件》、《電子材料》等的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并幫助學(xué)生培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

《固體物理》課程的理論性較強(qiáng)，為了對(duì)相關(guān)概念有較為透徹的理解，須從基本物理概念出發(fā)，聯(lián)系固體的實(shí)際情況，應(yīng)用簡(jiǎn)化的物理模型，經(jīng)大段的推導(dǎo)后才能獲得所需結(jié)論。此過(guò)程對(duì)于喜歡實(shí)用化內(nèi)容的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，卻顯得有些枯燥。但從另一方面考慮，固體物理是近100年才逐漸產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的，相關(guān)理論的誕生，都有著特定的歷史背景，而且往往不是一蹴而就的。如果在教學(xué)過(guò)程中能夠把這些歷史背景介紹給學(xué)生，對(duì)于提高上課效果、增強(qiáng)課堂吸引力、擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面、引發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題的思考是十分有利的。本人在《固體物理》的長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐中引入了一些人文教育內(nèi)容，獲得了較好的課堂效果。現(xiàn)舉兩例如下。

一、X射線(xiàn)衍射

在晶體結(jié)構(gòu)一章中，會(huì)涉及X射線(xiàn)衍射的知識(shí)。從某種意義上說(shuō)，X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)可被認(rèn)為是現(xiàn)代物理的開(kāi)端。1895年11月8日，時(shí)任德國(guó)維爾茲堡大學(xué)校長(zhǎng)的倫琴在陰極射線(xiàn)的研究中，意外地發(fā)現(xiàn)了距陰極射線(xiàn)管一米外的熒光屏上閃耀著熒光。經(jīng)過(guò)深入研究，倫琴確認(rèn)了一種新的射線(xiàn)的產(chǎn)生，這就是X射線(xiàn)。1895年12月22日，他邀請(qǐng)夫人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，用夫人的手拍下了第一張人手X射線(xiàn)照片，照片中清晰地顯示出了戴著戒指的手的骨骼。倫琴于1895年12月28日向德國(guó)維爾茲堡物理和醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)遞交了第一篇研究通訊《論一種新射線(xiàn)》。由于X射線(xiàn)在醫(yī)療和金屬探傷等領(lǐng)域的重大應(yīng)用價(jià)值，吸引了人們極大的興趣，相關(guān)的研究競(jìng)相開(kāi)展。倫琴的卓越成果使他獲得了1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

一般來(lái)說(shuō)，從科學(xué)史的角度，關(guān)于X射線(xiàn)的歷史知識(shí)至此可告一段落，但是，由于1895年這個(gè)年份對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的年份，中國(guó)在中日甲午戰(zhàn)爭(zhēng)中戰(zhàn)敗，同年，天津大學(xué)的前身、中國(guó)第一所現(xiàn)代大學(xué)北洋大學(xué)宣告成立。由于1895年的特殊性，在《固體物理》的教學(xué)中我對(duì)相關(guān)做了介紹：

1895年3月，洋務(wù)運(yùn)動(dòng)的倡導(dǎo)者李鴻章在中國(guó)甲午戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)敗后，受命前往日本的馬關(guān)參加議和。在談判過(guò)程中，李鴻章被日本浪人用槍所傷，其左頰中彈，傷口在左眼下一寸的位置。所幸的是子彈雖然留在了顱內(nèi)，但沒(méi)有危及性命。李鴻章經(jīng)急救后身體并無(wú)大礙，且其當(dāng)時(shí)已有73歲高齡，所以未采用手術(shù)取出彈頭。1895年4月17日，李鴻章與日本代表簽訂了喪權(quán)辱國(guó)的中日《馬關(guān)條約》。消息傳至國(guó)內(nèi)，朝野激憤，深感興學(xué)救國(guó)，刻不容緩。北洋大學(xué)的創(chuàng)始人盛宣懷先生在洋務(wù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐中也感到“自強(qiáng)首在儲(chǔ)才，儲(chǔ)才必先興學(xué)”[2]，在其上任津海關(guān)道后就開(kāi)始籌備辦學(xué)，并奏請(qǐng)朝廷設(shè)立一所新式學(xué)堂，光緒皇帝準(zhǔn)旨。10月2日，天津創(chuàng)辦了天津北洋西學(xué)學(xué)堂，第二年更名為北洋大學(xué)堂。同年底，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)，用X射線(xiàn)檢察身體成為可能。1896年6月，李鴻章應(yīng)邀訪問(wèn)德國(guó)，德政府建議他到醫(yī)院拍X光檢查身體，李鴻章欣然接受這一建議。李鴻章親眼目睹了X光片所顯示的顱骨影像與彈頭所在，感到十分稀奇，特稱(chēng)之為“照骨術(shù)”。李鴻章因此也成為拍X光片檢查身體的第一名中國(guó)人。

1895年，甲午戰(zhàn)爭(zhēng)中中國(guó)戰(zhàn)敗、北洋大學(xué)建校、X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)這幾件事最終以李鴻章為線(xiàn)索串了起來(lái)。這段歷史的介紹，使學(xué)生深刻地感受到當(dāng)時(shí)中國(guó)科技的落后以及國(guó)力的孱弱。北洋大學(xué)的建立僅僅是中國(guó)現(xiàn)代高等教育的開(kāi)端，而歐洲高等學(xué)府已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)。這段歷史可以讓學(xué)生深刻感受到自己所肩負(fù)的歷史使命，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，明確前進(jìn)的方向。

二、固體比熱

固體存在比熱這一性質(zhì)。對(duì)比熱的討論會(huì)涉及兩個(gè)模型：愛(ài)因斯坦模型和德拜模型。愛(ài)因斯創(chuàng)造性地將量子力學(xué)的觀點(diǎn)引入對(duì)固體比熱的討論中，初步解釋了固體比熱隨溫度的變化關(guān)系。但由于模型過(guò)于簡(jiǎn)化，固體比熱與溫度的關(guān)系最終由德拜完成。通過(guò)對(duì)比熱認(rèn)識(shí)過(guò)程的介紹，可以幫助同學(xué)更好地理解科學(xué)大師的思考方式，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)方法論的認(rèn)識(shí)。

早在18世紀(jì)初，人們對(duì)固體比熱就有了初步認(rèn)識(shí)。蘇格蘭的物理學(xué)家兼化學(xué)家J.布萊克發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，上升到相同溫度所需的熱量不同，從而提出了比熱的概念。1819年法國(guó)科學(xué)家P.L.杜隆和A.T.珀替測(cè)定了許多單質(zhì)的比熱之后，發(fā)現(xiàn)大部分固態(tài)單質(zhì)的比熱與原子量的乘積幾乎相等，并據(jù)此提出了杜隆-珀替定律，認(rèn)為1摩爾物質(zhì)溫度升高1度所需的熱量相等，也就是摩爾比熱相等，均為6卡/（摩爾·℃）左右。這個(gè)結(jié)果后來(lái)通過(guò)經(jīng)典物理的能量均分原理做出了解釋。然而，有些物質(zhì)如硼、鈹、金剛石的摩爾比熱卻遠(yuǎn)低于6卡/（摩爾·℃）。1872年，蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)教授韋伯經(jīng)過(guò)仔細(xì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高溫（約1300℃）時(shí)，金剛石的摩爾比熱竟達(dá)到了6卡/（摩爾·℃），正是杜隆-珀替定律的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。以此類(lèi)推，室溫下摩爾比熱接近正常值的物質(zhì)在低溫下應(yīng)偏離杜隆-珀替定律，這引起了人們研究物質(zhì)比熱隨溫度變化關(guān)系的興趣。韋伯的發(fā)現(xiàn)為許多低溫下測(cè)量比熱的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。溫度越低，比熱越小，已成為眾所周知的事實(shí)。但該結(jié)果長(zhǎng)期得不到理論解釋。在人們開(kāi)展固體比熱與溫度相關(guān)性研究的時(shí)候，愛(ài)因斯坦恰好在蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)（1896～1900），愛(ài)因斯坦聽(tīng)過(guò)韋伯的課，并在韋伯的實(shí)驗(yàn)室工作過(guò)，韋伯的研究成果自然受到了他的重視。1900年，普朗克在對(duì)黑體輻射的研究中提出了量子力學(xué)的思想，認(rèn)為能量的輻射是以能量子為基本單位的。這一思想給了愛(ài)因斯坦很大啟發(fā)。1906年，愛(ài)因斯坦將量子力學(xué)的思想引入到晶格振動(dòng)的討論中，并假定每一振動(dòng)自由度的振子作為線(xiàn)性振子具有平均能量，而不是簡(jiǎn)單地應(yīng)用能量均分原理。同時(shí)，為了能夠簡(jiǎn)化，愛(ài)因斯坦假設(shè)晶格的3N個(gè)振動(dòng)的頻率均相等。愛(ài)因斯坦模型由于創(chuàng)造性地將量子論引入了比熱的討論，對(duì)固體比熱與溫度的關(guān)系做出了相對(duì)正確的解釋。但是，愛(ài)因斯坦模型在低溫下與實(shí)驗(yàn)并不完全相符，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，愛(ài)因斯坦模型中固體比熱以更快的速度趨近于0。為了解決這一問(wèn)題，德拜將理論進(jìn)一步發(fā)展，引入了頻率分布函數(shù)的概念，最終成功地解釋了低溫下固體比熱是按溫度的三次方規(guī)律趨近于0的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

從固體比熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)定到杜隆-珀替定律被提出，從韋伯發(fā)現(xiàn)固體比熱的溫度效應(yīng)到人們開(kāi)展低溫下固體比熱的測(cè)量，從普朗克提出量子力學(xué)觀點(diǎn)到愛(ài)因斯坦將其引入到固體比熱，從愛(ài)因斯坦模型的低溫失效到德拜模型的完全成功，這一系列的發(fā)展可以給學(xué)生以很大的啟迪：科學(xué)的任何發(fā)展都不是一帆風(fēng)順的，從理論到實(shí)踐，從實(shí)踐再到理論，這個(gè)過(guò)程可能要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)。在此過(guò)程中，需要具備開(kāi)放性的思維，只有不斷地汲取他人的經(jīng)驗(yàn)，多思考、多創(chuàng)新，才有可能取得最終的成功。

由于物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程與現(xiàn)實(shí)生活密不可分的聯(lián)系，使得物理類(lèi)課程的教學(xué)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)有了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。如果在物理類(lèi)課程的教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)?shù)亟榻B某項(xiàng)理論的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，以及科學(xué)家思考問(wèn)題的方式，或?qū)⒗碚撝R(shí)與現(xiàn)實(shí)生活相結(jié)合，引發(fā)學(xué)生的深入思考，對(duì)提高教學(xué)效果和幫助學(xué)生樹(shù)立良好的人生觀、世界觀無(wú)疑將起到非常積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋丹.固體物理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]何立波，盛宣懷.中國(guó)近代高等教育第一人[J].文史春秋，2009，（6）.

作者簡(jiǎn)介：肖謐（1972-），男，河北保定人，博士，副教授，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。endprint