人文物理教學與卓越型人才培養探索

于肇賢 劉鳳敏 胡紀平

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

關鍵詞：人文物理；卓越型人才；學生

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

一、引言

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

二、人文物理的教學藝術探討

（一）挖掘物理學科中的科學美

自然界存在著規律，如何借助科學研究去發現這些規律，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系、孤立、零亂的觀察資料和實驗事實，運用邏輯思維和藝術思維規律進行加工組合，使之成為彼此有機聯系的和諧整體，這就是物理學理論產生的原始根源。物理學理論反映了自然界物質運動圖景，描述了自然界客觀屬性和物質運動規律的本質。這些來自大自然的客觀物質及其運動規律，本身就包含著美的因素，也遵從美學的基本原則。

1.和諧之美。“禍兮福之所倚，福兮禍之所伏”。中國古代道家的思維傳統，不追求絕對的一致，講究的是事物之間具有的統一性和關聯性，能夠在事物的兩極保持一種協調或互補的關系。

1950年，著名物理學家Frohlich指出，在常溫下導電性很好的堿金屬在低溫下沒有一個是超導的。相反，那些在常溫下導電性相對較差的元素卻有較高的轉變溫度。根據Frohlich本人的回憶，他受中國道家學說的影響“神奇變朽腐，朽腐變神奇。禍兮福所依，福兮禍所伏。”中國古代偉大的哲學思想，不但得到了國際科學家的尊重，而且也能從中受益。

高溫超導體的發展史應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性》開始的。氧化物超導體是在1964年首次被人們發現，即鍶鈦氧化物，但Tc只有0.3K。此后在1975年有科學家發現了Tc為14K的鋇鉛鉍氧化物超導體，雖然吸引了一些科學家的注意，但還沒有更驚人的進展。瑞士科學家穆勒（A.Müler）最初是一個名不見經傳的超導領域的普通研究者，他在1978年的一次偶然的機會第一次接觸到超導問題，此后對氧化物超導體的研究產生了濃厚的興趣。1983年，穆勒說服了一起工作的同事巴德雷諾茲（J.G.Bednorz）共同研究超導體。年輕的巴德雷諾茲在完成其他主要工作之外，利用業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物理界成績并不突出，大部分的超導物理學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表在超導研究最權威的雜志上，所以當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，使超導體的發展速度遠遠超出了巴德雷諾茲和穆勒最初的預料。

愛因斯坦堅信相對性原理是自然界普遍規律的表現，揭示了同時性具有相對性。正如馬克思所說：“在科學的入口處，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、大膽創新的科學典范。愛因斯坦在1905年建立了狹義相對論，成為對牛頓力學的推廣或者說牛頓力學是狹義相對論的特例。必須強調的是，科學理論的發展，不是拆了舊房蓋新房，它像登山一樣，創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現了。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現一些共性的思想，比如，蘇軾的《題西林壁》：“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同。不識廬山真面目，只緣身在此山中。”再如，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。會當凌絕頂，一覽眾山小。”

2.對稱之美。對稱是指物體或系統各部分之間比例的平衡與協調。對稱美是人們認識自然的一種概念。物理學中的對稱美，一方面表現為條件的對等，另一方面表現為結構上的對稱。例如：動量守恒是坐標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，原子結構、晶體結構、宇宙結構等都具有對稱美。

從物理現象上看，對稱美的表現也不勝枚舉。如電場與磁場的相互轉化，變化的電場可以產生磁場，變化的磁場也可以產生電場。這種電場與磁場的變化現象，直接導致了麥克斯韋從理論上預言了電磁波的存在。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，丹麥物理學家奧斯忒發現了電流的磁效應；法拉第經過近11年的努力，實現了磁變電，也就是電磁感應定律；狄拉克追求負電子的對稱性而發現了正電子，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，從而建立科學的理論起到了重要的能動作用，諸多科學理論都是在追求對稱美的過程中發現并逐步研究形成的。在授課過程中，我們特別強調了楊振寧、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，讓學生知曉真理的相對性，活學、活用哲學原理。

3.簡潔之美。任何好的物理規律的表述和公式都應該是簡潔和優美的。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，體現了宏觀低速情況下，牛頓定理可以推知過去、預言未來的威力，使萬有引力定律呈現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言了以下結論：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。

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

（二）灌輸物理知識中的文學美

物理學是以科學實驗為基礎的一門自然科學。物理教學必須求實嚴謹、精確無誤、合乎邏輯。文學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，運用豐富的聯想進入情感空間，有時甚至不惜虛構一些優美的情節。從表面上看，文學語言與物理教學似乎是格格不入的。其實不然，文學語言具有那種很強的感染力，對于任何學科都是很好的借鑒。如果在物理教學中能夠適時地運用文學語言，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。”為了揭示物體的顏色與光的密切關系，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。

為了提高學生的文學修養和物理知識的結合，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，臥看滿天云不動，不知云與我俱東。”啟發學生可用相對運動、參考系的知識來解釋，提高了學生的興趣。我們總結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，質能得統一。幾何學、論引力，光線彎曲有證據，由狹義，到廣義，相對論的歷史豐碑永銘記。”

（三）滲透物理學史中的社會美

為了培養學生執著、無畏，為追求真理而不懈探索的科學態度和科學精神，我們在課堂上介紹了一些科學家的事跡。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險的生命的意義。”鄧稼先、錢學森、趙忠堯、郭永懷、周培源、嚴濟慈、錢三強、錢偉長、華羅庚等人的愛國壯舉，都是很好的素材。

（四）在美的誘導中傳授學科知識

興趣是最好的老師，人一旦對某一事物產生了濃厚的興趣，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生興趣的培養。2001年頒布的基礎教育物理課程標準指出“要讓學生領略自然界的美妙與和諧，培養學生終身的探索興趣。”在大學物理學科教學中，我們要善于借助物理知識中的理性美、藝術美、自然美以及社會美，規范學生的日常行為，鍛煉完美的心理品質，陶冶道德情操，同時引導學生的求知欲，激發學習的興趣，提高修養和悟性，使學生在美的引導和啟迪中學習物理知識，使學生逐步獲得終身學習的能力，為社會進步做出貢獻。

三、人文物理的精神力量培養

（一）培養團隊合作精神

在物理學史上，絕大多數發明創造成就的取得都離不開團隊協作。瑞士科學家科拉頓（J.D.Colladon）1825年做電磁感應實驗時，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突破。他去世后，他的助手開普勒按照他的資料編制星表，經過深入的研究推論終于發現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晶胰島素》，這是團隊合作的典型例子。2015年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者屠呦呦，在發表獲獎感言時稱，青蒿素獲獎是中國科學家集體的榮譽，任何一項科研創造都離不開團隊精神。

（二）培養愛國主義情懷

1930年王淦昌考取了德國柏林大學，繼續研究生學習，師從著名核物理學家萊斯·梅特納，他是這位女科學家唯一的中國學生。1934年春，在苦學4年取得博士學位后，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……要知道科學是沒有國界的。”他堅定地說：“科學雖然沒有國界，但科學家是有祖國的！我出來留學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子靜電加速器，并進行了原子核反應的研究。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”的中國科學家。

鄧稼先在美國普度大學獲得博士學位9天后，決心回國報效祖國。

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

（三）培養科學精神

曾任教于美國華盛頓大學與西北大學，2007年回國后任教于北京大學的饒毅教授曾說過：“缺乏科學精神是我們文化的重大缺陷。當前，更為緊迫和重要的任務是科學精神要在文化上深入人心。”

伽利略關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治了人們思想近1900年，正是有了科學精神，伽利略大膽做了比撒斜塔實驗，否定了人人信奉的哲學家亞里士多德的“真理”，也極大地推動了經典物理學的發展。

電磁感應現象的發現者法拉第，依靠刻苦自學，長期實驗，大膽探索，嚴謹治學，從一個連小學都沒念過的圖書裝訂工跨入了世界第一流科學家的行列。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，這是嚴謹求實科學精神的充分體現。

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