費米的教育及研究風格對物理教師的啟示

(天津師范大學教師教育學院,天津 300382)

諾貝爾物理學獎是1900年6月根據諾貝爾的遺囑設立的,用以授予“在物理學領域作出重要發現或發明的人”。物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi,1901-1954)于1938年因“用中子輻射原子核產生放射性同位素以及相應的用慢中子引起核反應”，榮獲諾貝爾物理學獎。此外,費米還提出了費米統計、β射線理論,并建造了第一座人工自持鏈式反應堆。費米不僅對物理學的發展貢獻突出,他還是位出色的教師,他領導的兩個學派先后涌現了六位諾貝爾獎金獲得者，其簡歷如圖1所示。本文將分析費米的教育及研究風格，以期為物理教師帶來一些有價值的啟示。

圖1

1 物理研究及教育

1.1 物理專業素養

費米是一位專業知識豐富的物理學家和物理教師,他的研究興趣覆蓋了整個物理學,廣博的知識使得費米在專業領域常常擁有很高的權威性。費米從小喜歡閱讀有關物理的書籍,他的鄰居阿米達工程師借給了他一些科學書籍,廣泛的閱讀為他奠定了堅實的數學和物理學基礎,費米17歲時以第一名的成績考入比薩大學高等師范學院,費米在比薩大學學習期間竟可以給他的老師講授愛因斯坦的相對論。在美國芝加哥大學任教期間,他講授的課程包括熱力學、統計力學、核物理、量子理論、固體物理學,他的學生向他請教時,他會向學生推薦圖書館里有關的經典書籍。此外,他還常常利用自己的豐富知識幫助別人解決一些“疑難雜癥”,他曾在有限的二十多分鐘時間里幫助電學專家解決電路問題,不僅畫好了電路圖,還找到關鍵原因,成功排除了故障。

費米除了掌握豐富的物理理論知識外,他還非常注重做實驗。費米在意大利領導羅馬學派期間,他猜想用中子轟擊一些合適的物質時會產生放射性,于是他采用實驗與理論相結合的方法來進行驗證,最初失敗的實驗并沒有使費米放棄他的猜想,終于在輻照氟時發現了放射性,此后他和他的小組成員繼續研究,他們試驗了六十多種元素,并在其中四十種中誘導出放射性。匈牙利物理學家奇拉特(Leo Szilard,1898-1964)也曾有過和費米一樣的猜想,但他沒有做相關的實驗,最后的成功屬于費米。

作為物理教師,雖然我們常說專業知識和物理實驗十分重要,但是在實際教學中常常忽略實驗,甚至講錯部分物理知識。費米雖然是物理理論和實驗的權威,但他在講課之前仍會將每一個細節記錄下來并核實,我們物理教師在備課時更應該備好每一個細節,多和同事交流經驗,還要有能做好實驗和自制教具的能力,全身心投入教學。

1.2 教學研究風格

費米善于分類，他會試著把面臨的問題進行分類量化,盡量使復雜的問題變得條理清晰,找出問題的本質,他的分類能力似乎與生俱來,他甚至會將人按照他們的身高、相貌、財富等特征進行分類。在費米中年時期,為了彌補記憶力的下降,他將多年來積累的數據資料等進行整理分類,并將之編碼放入文件柜,再在筆記本上做好索引,在他使用這些資料時,可以通過索引在幾秒鐘內找到所需的文件。

善于分類的習慣使得費米可以更精確地整理歸納。在比薩大學學習的一個暑假里,費米充分利用這一時間對自己所學的物理知識進行總結,他用鉛筆寫滿了一個筆記本,上面很少有擦抹的痕跡,其中前28頁對分析動力學做了總結,后面是關于物質的電子理論的總結,此外還有對氣體放電現象的抄錄,這本筆記保存至今。這種不斷整理總結的習慣有效地提高了知識的吸收和使用效率,這使得他在執教期間知道什么是重點,什么可以忽略不講,他會將復雜的證明簡潔化,并邏輯清晰、層次分明地為學生講授知識。

費米還具有很強的估算能力。他的妻子勞拉曾回憶說：“費米的大拇指就是他隨時可以用來量東西的尺子”,他可以用他的大拇指測量出一個人的身高或者一座山的高度,費米在芝加哥指導原子反應堆的建造時,被那里的物理學家們稱之為“先知”,因為他總是對的,他可以很快地估算出數據,而這些估計值往往與真實值相差無幾。

費米在研究過程中很重視時效性和前瞻性。在面臨任務時,他的研究小組成員可以迅速地被組織起來,他們會先將問題的主次分清楚,再做出合理假設和近似處理,最后在實驗上獲得成功,共同完成任務。費米一直重視物理學的前沿問題,在20世紀20年代末,費米果斷地將研究方向從量子力學轉向對原子核的研究,雖然當時他和他的小組對新興的核物理知識了解淺薄，并且缺少相關實驗儀器,但他們卻敢為人先,最終取得杰出成績。高效、前瞻的研究特點成就了費米領導的羅馬學派及芝加哥學派,他們不但在物理學方面成就突出,更代表了一種物理治學精神,影響著我們的物理研究與教學。

1.3 教學方法

費米有著獨特的教學方法,他注重師生、生生間的交流討論,教學生動有趣,不僅使學生掌握了所學知識,還激發了他們的學習興趣。

費米常常與學生展開“討論會”,這些討論會總是臨時的或非正式的,他會確定一個主題,講解這個主題及其相關的問題,學生有什么不懂的問題也可以提問,費米總會給予清楚的解釋,這種開放的教學氣氛使學生不停思考,激發了思維活力,學生們還可以看到理性的思維是如何拋棄那些次要因素,找到問題關鍵,幫助學生在已有知識的基礎上，運用類比、分析，從而弄清楚未知的東西,從本質上解決問題。這種討論式教學法完全可以應用在我們的課堂討論中。

費米對學生的要求是非常嚴格的，費米上課時不用教材,自己也不帶備課筆記,但他要求學生必須做筆記,課后作業通常是物理知識的應用問題，并且要求用多種方式解答,以此培養學生的分析能力。費米雖然也希望自己的學生可以早日取得成就,但是他們發表論文前必須保證這篇論文有發表的價值,而且要在費米認為好的雜志上發表,這種寧缺毋濫的嚴謹治學態度深深地影響著費米的每一位學生。

費米獨特的教學方法以及淵博的知識吸引了好多年輕人向他求學,其中就包括了來自中國的楊振寧,1949年他們共同提出了“費米—楊振寧模型”,該模型在粒子物理學中有著重要意義。

1.4 師生關系

共同游戲、學習使費米和他的學生們建立了親密的關系和深厚的情誼，在意大利時期,費米常與學生一起登山、打網球。他還參加學生們的集會,他充當導演,為學生們分配角色,他們無聲扮演一些電影里的角色,同時有一個人朗讀配音,再有一個人模仿放音機噪聲發出嗡嗡的響聲,他們稱這種游戲為“無聲電影”。后來費米移居美國，在芝加哥大學執教時,他也常常參與學生們組織的活動,例如游泳、滑雪、下棋、方塊舞等。費米與他的學生相互討論、爭辯，促使一些不成熟的假說發展成為新思想、新發現。此外,這些交流使得團體成員之間更加了解,調整了人際關系,形成融洽的學習、工作氣氛。師生關系是影響學生學習的重要因素,很多學生因為欣賞任課教師而喜歡上一門學科,良好的師生關系在成功的教學里必不可少,物理教師必須重視良好師生關系的培育。

2 費米的“遺憾”

在羅馬期間,費米及他的學生認為鈾被中子轟擊后,會衰變為一種人造超鈾元素,他們稱之為鈾X,但是因為他們忽略了鈾核裂變，而導致他們產生了錯誤結論,并錯過了發現重大理論的機遇,這一理論在四年后被哈恩(Hahn Otto,1879-1968)提出,費米對此深感遺憾。無論是研究還是教學,追根溯源、找到本質原因是非常重要的,否則關鍵問題往往就會因為我們的“自以為是”被忽略。

或許是因為這件事,費米偶爾談論老了以后要做什么時,他希望可以繼續從事物理教學,并編著一本涵蓋物理學中所有難點的圖書,而這些難點常被人們通過“眾所周知”等詞匯掩蓋。費米甚至已經開始收集相關的重要問題,但此書尚未完成他便于53歲時與世長辭。

3 結語

作為物理學家,費米在理論和實驗兩個方面都做出了突出貢獻。作為物理教師,費米培養了許多杰出的物理人才,費米領導的羅馬學派和芝加哥學派也在物理史上成為佳話。賽格萊在他去世后寫到:“這樣,最后一位支配著理論和實驗全部領域的物理學家就此消失。隨著專業化的不斷增長,我們要再次看到像費米這樣的一位多才多藝的杰出人物是值得懷疑的。”也許費米的奇才智慧不是我們每個物理教師所擁有的,但費米的研究精神和教學方式是值得我們學習和應用的,扎實豐富的專業知識、邏輯清晰的分析思維、有效的教學形式、對學生的嚴格要求和細致關愛,這是我們每個物理教師可以做到、也是必須做到的。