用做科學研究的方法進行大學物理教學

喻有理 張二虎 田蓬勃 劉 萍 劉丹東

(西安交通大學理學院，陜西 西安 710049)

國家為了提升創(chuàng)新競爭力，要求大學培養(yǎng)的人才不僅具有分析問題，解決問題的能力，更需要有發(fā)現(xiàn)問題，提出問題的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

大學物理是理、工科大學低年級本科生的基礎課程，不僅是提升學生數(shù)、理邏輯思維的一種基礎訓練，更要加強學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新思維的訓練，就是要加強研究性學習的訓練。

大學物理教學秉承了我國基礎教學的優(yōu)良傳統(tǒng)，其特點是教學的內(nèi)在聯(lián)系緊密，條理清晰，邏輯嚴密，注重物理基礎理論知識體系化、注重分析問題解決問題能力的訓練和培養(yǎng)。愛因斯坦在科學思維過程理論中對邏輯思維和非邏輯思維在科學創(chuàng)造中的作用作了明確的闡述：科學思維的開始和終結都是超邏輯(直覺)思維，只有中間過程是邏輯思維[1]。也就是說創(chuàng)新的主要部分集中在科學體系的問題提出和終結的應用范圍。

以這一理論來評價我國的傳統(tǒng)基礎教學，訓練研究和創(chuàng)新能力的重視不足。表現(xiàn)在一般傳統(tǒng)教科書不講問題的產(chǎn)生，也不講結果的不足，缺乏科學結論的開始和終結過程，而這些地方恰恰是創(chuàng)新思想最重要，也最豐富的地方。要加強創(chuàng)新思維培養(yǎng)，就要求教師講課時要把討論的問題的來源講清楚，把存在的問題及可能解決的途徑說清楚，把教科書中不好講的東西用自己的學術思想講出來，就像是介紹自己對所講內(nèi)容的研究、創(chuàng)造過程一樣。而我們的多數(shù)普通教師缺乏這種訓練和實踐。結果是：學生不清楚要學知識主題的應用背景和意義，激發(fā)不出好奇心，缺乏學習的興趣和主動性；教師的教學過程與研究創(chuàng)新實踐在精力的分配上形成了矛盾沖突，成為矛盾的對立面。對基礎課程教學，教師如何化教學為研究，學生如何化學習為興趣？就成為提升基礎課教學成效的關鍵。

為了改善上述情況，以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為目的研究性大學都要求新進教師要有博士等研究性學位，這形式上保證了教師做過科學研究這一基本條件，同時激勵教師多做研究，其本意是提升教師的研究素養(yǎng)，使教師具備用做科學研究方法進行教學的必要條件，用以帶動研究性教學；負面的效應是刺激了多數(shù)年輕教師重科研、輕教學的偏執(zhí)，沒有達成教學本身也是一種研究、創(chuàng)造活動這一共識，認為教學會荒廢自己的科研，甚至會使自己喪失科研能力。

一個人的科學研究成果能夠收編為教學內(nèi)容或產(chǎn)生廣泛的社會影響的幾率幾乎是零，但將科學研究的方法通過教學活動傳授給自己的學生，讓學生直接受益，這是完全可以做到的，也是學校教師將研究成果轉化為生產(chǎn)力的最主要途徑和最能實現(xiàn)的目標。當然，將研究方法轉化為教學內(nèi)容，不是自然而然的事情。這需要教師們不僅要向老模范教師學習，還要充分發(fā)揮自身的主觀能動性，勇于探索與實踐，因為他們自身本是傳統(tǒng)教育的結果。量子領域的開拓者，諾貝爾物理學獎和奧斯特教育獎的獲得者理查德·費恩曼在1961—1964年給加利福尼亞理工學院的一、二年級本科生教授物理學導論算是較為成功的例子[2]。我們國家近年成立教師教學發(fā)展中心，目的也是希望加快新一代教師的成長。但不可替代新教師們的自覺責任意識，作為一線的基礎課教師，要用做研究問題的理念去重新系統(tǒng)地審視本專業(yè)的基礎理論，把要教給學生的每一個主題當作研究題目一樣對待，通過自己的查閱，梳理甚至創(chuàng)造再現(xiàn)主題的產(chǎn)生背景和意義，按照自己的學術思想向學生做研究項目報告。若能這樣去進行教學，教師的教學過程和研究過程就成為了一體，學生的學習知識和研究問題也成為了一體，教學和研究得以統(tǒng)一和諧。

下面介紹我們在這種思考下探索的一些經(jīng)驗代表，供同行們參考。

1 對初次引入的物理量創(chuàng)設其產(chǎn)生背景和過程

物理學的探索目標是在實驗現(xiàn)象觀測的基礎上，尋找隱藏在自然現(xiàn)象背后的規(guī)律，通常是尋找變化現(xiàn)象中隱藏的不變規(guī)律及其條件。不變規(guī)律包括物理量不隨時間變化即守恒的情況，也包括物理量之間滿足的數(shù)學方程形式保持不變的情況。開普勒第二定律是一個用幾何語言總結的守恒定律，動量矩概念及相關知識可以此為背景提出，過程如下：

1．1 將幾何描述的開普勒第二定律用力學矢量表示

開普勒第二定律指出：行星繞太陽運動位置矢量在單位時間內(nèi)掃過相等的面積。這是一個用幾何語言總結的守恒定律，如圖1所示，用矢量表示為

(1)

圖1 開普勒第二定律示意圖

將質(zhì)點的動力學參量質(zhì)量考慮進去，可有

r×(m)=C1

(2)

式(2)表示質(zhì)點對參考點O的位置矢量r與質(zhì)點該時刻的動量m叉積為一不變的矢量，將此組合量定義為一個新的物理量就是動量矩，就可得到一個守恒定律。

1.2 質(zhì)點動量矩的定義

定義：動量為m的質(zhì)點對參考點O的動量矩為

Lo=r×m

(3)

定義了動量矩后，幾何表達的開普勒第二定律表述為行星對太陽的動量矩守恒，成為用矢量表示的物理運動定律。存在動量矩守恒是普遍現(xiàn)象呢？還是條件限制下的特殊情況？

1.3 質(zhì)點動量矩守恒和不守恒現(xiàn)象

例如，可以證明一個做勻速直線運動的質(zhì)點對任一固定點的動量矩保持不變；也可以證明一個做拋體運動的質(zhì)點對任一固定點的動量矩不保持不變。那么，什么情況下動量矩變化，什么情況下動量矩不變呢？可以從分析動量矩對時間的變化率來尋找到答案，從而引出質(zhì)點的動量矩定理和力矩的定義及動量矩守恒的條件。

1.4 質(zhì)點的動量矩定理 力矩的定義和質(zhì)點動量矩守恒的條件

(4)

力對定點的力矩定義

MO=r×F

質(zhì)點動量矩守恒的條件

MO=0,Lo=C

2 依據(jù)經(jīng)典，返回原生時代認識基本定律

物理學中基本定律的發(fā)現(xiàn)雖有實驗觀測的功勞，更包含了人為的創(chuàng)造性規(guī)定和假設[3]，講授時要將定律的有關現(xiàn)象恢復到它被抽象出來的原生態(tài)，建議學生讀相關的經(jīng)典文獻，引導學生認清楚哪部分結論來源于實驗觀測，哪部分結論是人為的規(guī)定，哪部分結論是隱藏的假設。以牛頓第二定律為例，按下面過程講授：

在牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中，牛頓第二定律原述中譯為“運動的變化正比于外力，變化的方向沿外力作用的直線方向”；從原著過程看[4]，運動的變化指速度的變化率，即加速度。

“加速度與外力成正比”，這是一個人為的規(guī)定；

“加速度與慣性質(zhì)量成反比”，這又是一個人為的規(guī)定；

比例系數(shù)取為1，預示要用牛頓第二定律這一關系來定標力和慣性質(zhì)量。

實驗觀測的功效在哪呢？在用質(zhì)量標準標定其他物理慣性質(zhì)量時，對加速度的測量。

那么有無隱藏的假設呢？當然有：慣性質(zhì)量是物體的內(nèi)稟屬性，與物體的運動狀態(tài)無關，這就是一個假設。

這種講授思路同樣可用于萬有引力定律、庫侖定律等。

3 彰顯創(chuàng)新思維方法，講授知識體系

加大歸納法、類比法等創(chuàng)新思維方法在知識體系講授中的應用，如用歸納法講授靜電場的高斯定理后，根據(jù)庫侖定律方程與萬有引力定律方程相似的特點[5]，類比靜電場定義地球引力場強度，得出地球表面的引力場強就是地球表面的重力加速度，類比靜電場的高斯定理可以得到地球引力場的高斯定理形式，通過測量地球表面重力加速度的分布得到地球表面重力場的通量，應用地球引力場的高斯定理形式，從而計算出地球的質(zhì)量。過程如下：

由探測點電荷在靜電場中的受力定義靜電場的場強，規(guī)定探測質(zhì)量點在引力場中受的引力除以探測質(zhì)量點的質(zhì)量得到引力場強度的一般定義；

由引力場強度的定義得到地球表面附近的引力場強就是地球表面附近的重力加速度；

由靜電場存在高斯定理源自庫侖定律中距離平方反比律，萬有引力定律也與距離平方成反比，推知引力場中也存在相應的高斯定理，形式為g·dS=4πGM地

4 適時穿插思政內(nèi)容

現(xiàn)代科學發(fā)展要求高素質(zhì)創(chuàng)新人才，不僅是“專”，還需要“博”。博不只是在“專”和”理”內(nèi)部，而且要有廣闊的視野，還要“文理相通”. 而且更需要科學文化和人文文化的融合，這是時代發(fā)展的必然趨勢，是當前重要的教育理念[6]。課程思政就是踐行這種理念的一種方法，也為大學物理教學內(nèi)容研究提供了更廣闊的空間，對此我們有以下幾點思考和探索：

4.1 教師要深刻認識物理教學與思政教學統(tǒng)一的必要性

課程思政意指在科學技術有關的課程教學中同時注入人文科學的內(nèi)容，具體就是在物理課上講與世界觀、人生觀、價值觀有關的人文知識。為人文文化尋求與自然和自然規(guī)律相適應的依據(jù)，成為人文科學。使科學文化成為孕育和提升人文文化的基礎。同時，科學技術文明的發(fā)展，如果沒有人文精神的孕育，就不能確保科學技術的先進。科學技術存在有先進和落后之分，但其本身并不存在自在的善惡指向，科學能將原子能變?yōu)樵訌検降臍⑷死鳎部梢詫⑵溟_發(fā)成發(fā)電站增添人類的幸福。其能否問世在于科學，其禍福所依在于社會所處時代、民族及統(tǒng)治階層等主體的人文精神。作為基礎科學的物理學的內(nèi)容可以為人文思想及內(nèi)容提供自然科學的依據(jù)，同時人文知識背景也為理解物理學深刻內(nèi)容提供了直覺。

2)生態(tài)化原則：以修復保護自然生態(tài)格局為基礎，結合現(xiàn)有的山體地形、水體、植被等自然資源，維持并爭取修復綠道及周邊自然生態(tài)功能。

4.2 如何挖掘物理學在思政教學中的內(nèi)容

引導教師們在傳播科學技術思想的同時，也要傳播人文的精神和思想。這就要求教師們也要思考、學習物理學與人類文明之間的必然關系。實際上已有許多成果可以借鑒，比如已出版的各類物理學與人類文明相關的教科書，用于給文科生講的，只是多數(shù)教師沒有給文科生上物理的經(jīng)歷，沒太關注這些資源而已。可以借目前這股東風使物理教師真正打通理、工、文一體的物理教學。

4.3 以什么樣的形式展示思政內(nèi)容

我們當前的做法是在學習相關的內(nèi)容時將涉及到的人文內(nèi)容以課間休息幻燈片的形式展示給學生，這樣既不增加學生的學習時間，又能起到文理貫通的作用，例如在學到麥克斯韋速率分布曲線時，課間休息打上這樣一段文字供學生自由閱讀：

麥克斯韋理想氣體分子速率分布律是自然界中隨機宏觀系統(tǒng)自發(fā)演化的結果, 其表現(xiàn)為速率很大和很小的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率都很小，具有中等速率的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率卻很大，有差別但不平均。人類社會財富分配是否也有類似自然系統(tǒng)運行之理：穩(wěn)定的社會需要出現(xiàn)恰當?shù)呢毟徊罹唷Ｌ喔蝗恕⑻喔F人和平均分配似乎都不合符自然。

上面是我們在探索大學物理教學如何適應當前的創(chuàng)新人才培養(yǎng)這一要求的四點體會，供參會的同行們參考指正。