將物理文化融入大學物理實驗教學的思考與實踐*
——以“大功率白光LED發光特性研究”為例

李 陽　韓艷玲

[中國地質大學(武漢)數學與物理學院　湖北 武漢　430074]

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將物理文化融入大學物理實驗教學的思考與實踐*
——以“大功率白光LED發光特性研究”為例

李 陽韓艷玲

[中國地質大學(武漢)數學與物理學院湖北 武漢430074]

針對當前高校物理實驗教學的實際，討論了物理文化的內涵及物理文化在大學物理實驗教學中的作用，并結合大功率白光LED發光特性研究的實際教學案例，闡述了如何將物理文化融入大學物理實驗教學，簡要評述了相應的教學效果并對物理實驗教學提出了一定的建議.

物理文化大學物理實驗教學實踐研究

物理學是一門以實驗為基礎的學科，理論的正確性需要以實驗加以檢驗，實驗的合理性同時也可以推動理論的發展.對于大學物理實驗課程來講，它不僅能夠體現大學物理教材中知識的正確性，而且能夠促進學生邏輯思維、動手操作、創新設計等各方面能力的培養與提升，因此，它是一門非常重要的基礎課程.

然而，從狹義上講，物理實驗主要是針對物理理論而言的，許多非物理專業甚至與物理專業相近的學生選修物理實驗課程，在很大程度上都是按照教學計劃的要求，基于修學分的目的展開的. 因此，筆者認為他們對待這門課程很少有發自內心的熱愛，而實際的教學效果往往也是非常地一般.究其本質，筆者認為學生對實驗缺乏興趣和客觀認識是阻礙物理實驗教學質量提升的關鍵所在.

從教育學的角度來說，文化傳播是教育的一大目的，同時也是優化教育教學效果的重要手段. 因此，筆者通過在過去一年的物理實驗教學中引入物理文化，很大程度上激發了學生的實踐興趣和創新意識，取得了較好的教學效果，寫出來與讀者進行交流.

1　物理文化的內涵

文化，是一個很大的命題，涵蓋的范圍非常廣泛，物理學作為自然科學的一個基礎領域，當然也存在著它獨有的物理文化.

由于物理知識的廣泛性，所包含的內容不盡相同，所以定義物理文化是困難的，難以用一個固有的范式去描述. 因此，筆者認為解世雄先生從時空演化、意識形態的角度關于物理文化的定義[1]是合適的，即“物理文化是古代哲學家、近現代物理學家和物理工作者，歷經數千年逐步創造的物理知識體系、觀念形態、價值標準以及約定俗成的工作方法的總和”.反映出了物理文化關于知識體系、觀念形態、語言符號以及社會組織的綜合性.

通俗地說，與物理學領域相關的歷史人物、科學符號、研究方法、科研成果、精神價值等都是物理領域的文化寶藏，都在物理文化的覆蓋范圍之中，下面作簡要地闡述.

(1)歷史人物.物理學所研究的真理存在于宇宙蒼穹之中，尋找真理需要以人為本，只有人與自然相互作用、相互融合，才能接近和發現真理. 這其中涌現出了許多杰出的代表，諸如堅持運動永恒觀點的古希臘哲學家亞里士多德，發現行星運動三大定律的開普勒，提出弱作用中宇稱不守恒定律、集科學與藝術之大成的李政道等，他們都在物理發展的進程中做出了杰出貢獻，都是物理學中的歷史人物. 這些科學巨擘所閃耀的智慧光芒是物理文化的靈魂.

(2)科學符號. 物理學所揭示的是物質本質的規律，比如描述機械運動的牛頓運動定律，反映導體中電流、電壓以及電阻之間關系的歐姆定律，揭示光折射性質的費馬原理等，這些成熟的物理規律都需要以定量的方式來表征，描述定量關系需要以科學符號作為對象，科學符號所搭建的物理公式展現出的簡約美、對稱美、自洽美和統一美是體現物理文化藝術性的顯著特征.

(3)研究方法. 物理規律在建立的過程中并不是一蹴而就的，往往需要經過漫長的歲月，有時解決一個問題如果選擇不同的研究方法，結果可能是截然不同的. 比如針對重物下落快慢與質量大小是否有關的問題，亞里士多德采用的是經驗歸納法，認為重的物體下落的速度比輕的物體下落的快，重的物體會先落地；而伽利略則采用的是斜塔落體實驗的方法，從而證實了重的物體和輕的物體同時落地的結論，也為后來人們正確理解落體運動掃清了障礙. 也就是說，研究方法在物理文化的演化過程中很大程度上起著決定生死的作用.

(4)科研成果. 物理學之所以能夠從哲學中脫離出來，成為一門獨立的科學，除了它本身所具有的知識體系與特質以外，最重要的，在于它創造出了很多服務于工農業生產的原理與技術. 比如瓦特在燒水時從壺蓋的跳動中發現了蒸汽的推動原理，從而發明了蒸汽機，進而開啟了第一次工業革命；再比如赫茲通過實驗證實了麥克斯韋所預言的電磁波，使今天的無線通信成為了可能；再比如自20世紀初開始頒發的諾貝爾物理學獎，獎勵的每一項成果背后都蘊藏著巨大的科學價值. 這些科研成果推動了歷史的進程，是物理文化永恒的動力.

(5)精神價值. 物理學的發展飽含著艱辛，每一項成果的取得都來之不易，需要科技工作者犧牲自身的利益，杜絕急功近利的心態，以物質的貧乏來換取精神上的富足. 比如居里夫婦發現鐳的艱苦歷程；再比如，16世紀中期，為了驗證行星是否圍繞著太陽運轉，丹麥科學家第谷·布拉赫開展了長達21年的天文觀察和記錄，雖然直到去世他也沒能得出相關的結論，但是，他的觀測數據為開普勒研究天體運行規律提供了依據，經過18年的艱苦努力，開普勒相繼發現了軌道、面積、周期三大定律，不僅有力地捍衛了哥白尼提出的“日心說”，而且也幫助今天的我們形成了對宇宙的正確認識.所以，精神價值是物理文化帶給物理工作者最好的紀念與獎勵.

除了上面5個方面，其實與物理文化相關的其他內容還有很多，比如科學道德、社會經濟、人文理念等，這些都值得思考，而且隨著科學進程的不斷推進，物理文化的內涵將不斷豐富和深化.

2　物理文化在大物實驗教學中的作用

對于物理學專業的學生來說，從事大學物理實驗的學習與研究是應有之義，一方面可以加深對課本知識的理解，另一方面也能夠通過實際操作鍛煉自身的動手能力.

但是，倘若師生在教學的過程中只專注于物理實驗的過程，而不注重物理文化的傳播，單純地采用一種“老師教，學生學”的模式，那么這樣就很容易導致學生積極性不高、疲憊，并出現教學活動走過場甚至測量結果雷同的情況.

如果教師在教學的過程中多滲透一些物理文化方面的內容，比如跟學生談及一些所做實驗的重要性，該實驗與學生切身利益相關的地方等，那么學生可能就不會背上“為完成任務而做實驗”的心理負擔，反而會變得主動，變得有興趣，甚至還會在原有實驗結論的基礎上大膽創新，做出更好的結果，從而有效地推動教學模式向“老師引導，學生探索”的方向轉變.

對于非物理專業甚至與物理專業相近的學生來說，一般而言，他們對大學物理實驗的積極性也是不高的，因此，教師就更有必要向學生傳播一些物理文化方面的內容.比如可以向工科學生講述一些物理原理在無損檢測中的應用，向文科學生講述一些物理邏輯思維在文學創作中的層次設置等，使得他們都能夠感受到所做的物理實驗對于自身的發展是大有裨益的，這樣在某種程度上就有可能激發他們的實驗興趣.當然，退一步講，即使學生最后沒有順利完成實驗內容，也能夠在參與的過程中學有所得.

3　如何將物理文化引入大學物理實驗教學

將物理文化引入大學物理實驗教學需要根據實驗的特點，結合歷史人物、科學符號、研究方法、科研成果以及精神價值等方面加以展開. 為了使討論更加具體，我們以“大功率白光LED發光特性研究”為例[2]，來說明如何實現這一過程.

大功率白光LED是近年來逐漸興起的新型節能燈具，具有發光效率高、顯色性好、使用壽命長等優點，將逐步取代傳統光源，在日常的生活中發揮越來越廣泛的作用，因此，研究其發光特性對于學生來說，具有十分重要的意義.

實驗主要涉及LED的發光原理、LED的伏安特性、表征LED發光特性的物理量以及參數對發光特性的影響幾個方面. 為了讓學生們更好接受，我們在教學中引入了相關的物理文化知識.

(1)歷史人物.以2014年諾貝爾物理學獎獲得者赤崎勇、天野浩、中村修二的獲獎成果，即發明藍色發光二極管為例，闡述了LED在學術上的重要性. 學生往往對獲諾貝爾獎的成果表現得非常贊賞和欽佩.

(2)科學符號.為了研究LED的發光特性，必須要定義表征發光特性的幾個物理量，如發光強度Iφ,發光效率η等，此外還要定義影響發光特性的參數，如電流I,角度θ,溫度T等，從而通過儀器測出發光強度隨著電流、角度變化的數據，發光效率隨著溫度變化的數據等，通過分析數據，找出LED的發光特性及其調節方式.

(3)研究方法.作為一個探究大功率白光LED發光特性的實驗項目，首先它本身就是一個實驗方法，同時在研究的過程中還采用了控制變量法，比如探究LED的發光強度與電流的關系時，保持了溫度、角度的恒定，不僅反映了該實驗的科學性，而且也符合邏輯要求.

(4)科研成果.大功率白光LED的發明是建立在藍光LED基礎之上的. 對于大多數學生來說，雖然發光原理理解起來并不困難，但是找到合適的材料制作PN結晶片卻經歷了很長的科研探索.而且作為21世紀的新型光源，直到今天，用以產生更加節能的白光LED新型熒光粉仍在不斷地研究與發展之中[3]，反映出了該成果對于人類生活的巨大影響.

(5)精神價值.大功率白光LED作為一項偉大的發明，其誕生歷程是相當艱辛的，比如赤崎勇為研制氮化鎵藍色發光二極管奮斗了近40年，其學生天野浩從1983年本科畢業時起，就隨著他進行科學研究，一直到1989年研制成功世界上第一個氮化鎵PN結藍光LED為止，期間也有7年之久，反映了要做出一項舉世矚目的科研成果需要堅忍不拔的毅力，這也是值得每一位學生學習的.

4　教學效果及對實驗教學的建議

大功率白光LED發光特性研究，是大學物理實驗中一個比較典型的項目. 我們通過在實驗教學中引入物理文化，不僅減輕了學生心理負擔,激發了學生的學習興趣，而且還使得學生掌握了實驗的原理方法、操作技能，很多學生都做出了非常漂亮的實驗結論.

此外，有些學生還通過知識遷移，自發地研究了“白熾燈的發光特性如何測量”的課題(研究手稿見圖1和圖2)，思路新穎，取得了非常好的教學效果.

圖1　白熾燈的發光特性如何測量學生手稿

圖2　白熾燈的發光特性如何測量研究手稿

基于當前高校物理實驗教學的實際以及我們的教學實踐，我們對大學物理實驗教學提出以下兩條建議：

(1)注意挖掘物理實驗中蘊藏的文化因素，努力使實驗教學的講授貼近生活，把實驗講成故事，盡可能地激發學生的興趣，進而提高學生的積極性.

(2)針對不同專業、不同層次的學生要采取不同的實驗成績評價標準，杜絕一把尺子量到底，使得他們都能夠發揮特長，展現出富有特色的創新精神.

1解世雄.物理文化概念的探討.物理通報，2009(6)：55～57

2王希成，羅中杰. 大學物理實驗. 北京：清華大學出版社，2014.138～143

3李盼來，王志軍，張子才,等. 白光LEDs用新型熒光粉的研究進展.物理通報，2015(12)：94～95

李陽(1991- )，男，在讀碩士研究生，助教，主要從事大學物理實驗教學及研究.

2016-01-24)

*中國地質大學(武漢)教學實驗室開放基金項目，編號：SKJ2014216

指導教師：韓艷玲(1965- )，女，博士，教授，碩士生導師，主要從事大學物理教學和光子晶體理論研究.