三本院校《大學(xué)物理》課堂上的美育

王松

摘要：《大學(xué)物理》是高校理工學(xué)科都要學(xué)習(xí)的一門重要的核心基礎(chǔ)課程，對(duì)理工科同學(xué)的后續(xù)學(xué)習(xí)有非常重要的作用。隨著我國(guó)高等教育的快速發(fā)展，在校生規(guī)模不斷擴(kuò)大；同時(shí)由于學(xué)校層次不同，培養(yǎng)目標(biāo)不同，學(xué)生基礎(chǔ)不同，等等現(xiàn)實(shí)差異，對(duì)大學(xué)物理的教學(xué)工作提出了新的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)三本院校的大學(xué)物理教學(xué)工作的實(shí)際情況，提出了在大學(xué)物理的教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)物理之美，欣賞物理之美和發(fā)展物理之美的重要意義，并通過(guò)物理課堂上的美育引導(dǎo)學(xué)生興趣，提高物理學(xué)習(xí)的效能。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；美育；教育改革

中圖分類號(hào)：G641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）44-0034-03

物理是現(xiàn)代自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的先導(dǎo)，大學(xué)物理課程不僅是各理工專業(yè)的公共基礎(chǔ)課，還承擔(dān)著培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)精神、樹(shù)立科學(xué)思維、增強(qiáng)創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)的任務(wù)。大學(xué)物理所涉及的基本概念、基本理論和基本方法是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和終身學(xué)習(xí)能力學(xué)生的重要組成部分。對(duì)于高校理工類的絕大多數(shù)專業(yè)來(lái)說(shuō)，《大學(xué)物理》作為必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)涉及內(nèi)容之豐富，范圍之繁雜，理論之深?yuàn)W，在各個(gè)學(xué)科門類中可以說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的。大千世間，萬(wàn)事萬(wàn)物，從宇宙洪荒到毫微之末，無(wú)一不是物理的研究對(duì)象。因此，在傳統(tǒng)而成熟的大學(xué)物理的大廈中，關(guān)于力熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子理論、近代物理等學(xué)科分支中，大量的概念、模型、定理和定律層出不窮，不可否認(rèn)，這些研究問(wèn)題、分析問(wèn)題的方法和理論對(duì)于學(xué)生樹(shù)立唯物的世界觀、培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，以及提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力都有很大的好處。但是由于教學(xué)內(nèi)容量太大，而在十分有限的課時(shí)內(nèi)要想系統(tǒng)地完成物理學(xué)的基本概念及規(guī)律的講授，要使學(xué)生熟練掌握物理學(xué)的思維方法和技巧，還要理論聯(lián)系實(shí)際，利用物理規(guī)律解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，這無(wú)疑對(duì)大學(xué)物理的教和學(xué)都提出了極高的要求。相比而言，讓學(xué)生多背兩條定律，多解幾道題目固然必要，但是讓學(xué)生真正走進(jìn)物理世界，學(xué)會(huì)用物理的思維去看待世界，建立起對(duì)物理學(xué)科的興趣，從而激發(fā)其對(duì)物理學(xué)習(xí)的熱情是更重要的。而在物理課堂上進(jìn)行美的教育，讓學(xué)生體會(huì)到物理世界的魅力，就能很好地實(shí)現(xiàn)興趣激發(fā)的目的。

作為我國(guó)高等教育發(fā)展的新生事物，近十年來(lái)我國(guó)涌現(xiàn)了許多的民辦高校和獨(dú)立學(xué)院。這些具有新辦學(xué)模式的高校為提高高考的毛入學(xué)率，推動(dòng)我國(guó)大學(xué)教育從精英型向大眾型轉(zhuǎn)變，增加國(guó)民接受高等教育的機(jī)會(huì)發(fā)揮了獨(dú)特而積極的作用。但也毋庸諱言，就讀于“三本”的部分同學(xué)在高中階段并沒(méi)有形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方法，對(duì)物理的基礎(chǔ)掌握不牢靠，缺乏必要的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，再加上經(jīng)歷了殘酷緊迫的高三生涯后，大學(xué)成了他們放松的場(chǎng)所，生活茫然甚至于漫無(wú)目的，因此有不少同學(xué)在大一面對(duì)《大學(xué)物理》這門課程時(shí)顯得無(wú)所適從，缺乏學(xué)習(xí)的熱情和興趣。而由國(guó)家教指委統(tǒng)一制定的高校《大學(xué)物理》教學(xué)大綱對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的要求較高，強(qiáng)調(diào)全面體系的掌握，課堂上只突出“教”的作用，使得當(dāng)前大學(xué)物理的課堂幾乎都是以教師講授為主，學(xué)生參與程度較低，學(xué)生只能被動(dòng)地“填鴨式”學(xué)習(xí)，而整個(gè)知識(shí)體系又和高中物理有形式上的重合，這就更使得部分同學(xué)完全失去了學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》的興趣，必然導(dǎo)致部分大學(xué)物理課程的教師和學(xué)生苦不堪言。

就作者所在的學(xué)院而言，這樣的情況也比較突出。經(jīng)過(guò)發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在電子信息科學(xué)大類的不同專業(yè)（包括電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)及專業(yè)方向），學(xué)生高中物理知識(shí)均掌握不好，普遍認(rèn)為物理是很困難的學(xué)科，沒(méi)有足夠的信心和興趣學(xué)好物理；而少數(shù)高中物理掌握較好的同學(xué)又覺(jué)得大學(xué)物理中很多內(nèi)容都是在“炒冷飯”。這兩種極端的情況在工科類班級(jí)普遍存在。要解決上述問(wèn)題，讓大多數(shù)同學(xué)都能很好地掌握《大學(xué)物理》基本的知識(shí)體系和內(nèi)容，為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，就要求我們必須既重視理論與方法的學(xué)習(xí)，又要注意激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力，因此在三本院校開(kāi)展對(duì)《大學(xué)物理》的教學(xué)方法和評(píng)價(jià)機(jī)制的根本性的改革尤為必要。已經(jīng)有很多教師都在《大學(xué)物理》教學(xué)改革方面進(jìn)行了很好的嘗試，也取得了很多的成果，如有針對(duì)性地改革課程大綱，改進(jìn)課堂教學(xué)模式，增進(jìn)教學(xué)的互動(dòng)性和改革課程評(píng)價(jià)指標(biāo)等，這里筆者不再贅述。本文主要論述在大學(xué)物理的課堂中引入美的教育，讓學(xué)生體驗(yàn)物理世界里，從宏觀到微觀，從過(guò)去到未來(lái)，物理學(xué)家眼中的客觀世界所呈現(xiàn)出的宏大之美、精確之美、簡(jiǎn)約之美、對(duì)稱之美、和諧之美等美的體現(xiàn)。這些美的表現(xiàn)是在物理學(xué)的不斷發(fā)展前進(jìn)過(guò)程中才逐漸被人們所熟悉并認(rèn)知的。通過(guò)對(duì)物理學(xué)中美的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成為學(xué)好大學(xué)物理的動(dòng)力，甚至可能激發(fā)學(xué)生投身物理的志向，這都是在美育融入大學(xué)物理課堂后可以預(yù)見(jiàn)的好處。我們?cè)陂L(zhǎng)期的大學(xué)物理的教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)在課堂環(huán)節(jié)中滲透美學(xué)的教育，轉(zhuǎn)變了學(xué)生對(duì)物理的認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生對(duì)物理的興趣，受到了廣大同學(xué)的歡迎，下面擷取幾個(gè)典型的物理學(xué)上的美育教學(xué)例子加以說(shuō)明。

一、物理的宏大之美

按照現(xiàn)代天文學(xué)的觀點(diǎn)，我們現(xiàn)在所處的宇宙可能源于138.2億年前的一次大爆炸，這樣一個(gè)爆炸過(guò)程的影響一直延續(xù)至今并使得宇宙以哈勃常數(shù)[1]進(jìn)行膨脹。圖1是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的，位于距地球6500光年的老鷹星云的“創(chuàng)生之柱”[2]。這可能是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的最著名的宇宙圖像之一，其空間跨度達(dá)到了5光年的距離。圖2是距地球20000光年船底星座的Westerlund2星云[3]，這是一個(gè)“年輕”的星云，由大量宇宙塵埃和氣體包裹，其中包含了超過(guò)3000顆像太陽(yáng)一樣的恒星，并且有大量的恒星正在形成。這些天文學(xué)的最新進(jìn)展每次展示給學(xué)生，并講到我們的地球、太陽(yáng)系在宇宙中的位置，都能在同學(xué)中引起廣泛的共鳴，宇宙這么大，這么美，我們對(duì)宇宙需要心存敬畏。而在這樣廣博的宇宙中，地球是目前為止人們發(fā)現(xiàn)唯一滿足人類生存發(fā)展的星球，這也能激發(fā)學(xué)生對(duì)自然的尊敬和環(huán)境保護(hù)的支持。我們要求學(xué)生在課余時(shí)間通過(guò)NASA等研究機(jī)構(gòu)的網(wǎng)站，查找具有代表性的圖片、視頻和文獻(xiàn)，利用課間時(shí)間給大家做展示和說(shuō)明。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的堅(jiān)持，大家的熱情都能充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，并且很快學(xué)生的興趣范圍就擴(kuò)展到星外文明探索、引力波的發(fā)現(xiàn)和確定、暗物質(zhì)的研究、黑洞的認(rèn)識(shí)等物理學(xué)和天文學(xué)中最前沿的研究。他們主動(dòng)查找資料和文獻(xiàn)，交流對(duì)前沿研究的認(rèn)識(shí)，每一個(gè)物理前沿的突破都能引起學(xué)生的廣泛關(guān)注，從而激發(fā)其對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。

二、物理的精確之美

物理學(xué)是最為講究精確的科學(xué)，我們對(duì)最基本物理量的長(zhǎng)度、時(shí)間的測(cè)量的精確程度也代表了人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的高度。沒(méi)有對(duì)空間和時(shí)間的精確測(cè)量，不可能出現(xiàn)我們已經(jīng)習(xí)以為常的互聯(lián)網(wǎng)、納米材料、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（比如GPS、北斗導(dǎo)航）等重大的應(yīng)用。目前人們精度最高的原子鐘已經(jīng)可以達(dá)到運(yùn)行160億年誤差不超過(guò)1秒的水平，也就是說(shuō)這個(gè)原子鐘即使從宇宙誕生之初就有的話，直到今天其運(yùn)行仍然具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度。而物理學(xué)上對(duì)長(zhǎng)度的把握也已經(jīng)低于一個(gè)原子核的尺寸量級(jí)（10-15m），人們?cè)诳臻g測(cè)量和時(shí)間測(cè)量的精度上不斷取得進(jìn)步，這也標(biāo)志了物理學(xué)科發(fā)展的水平。同學(xué)在課余時(shí)間查找不同測(cè)量方式獲得精度的情況并通過(guò)課堂進(jìn)行互相的比較，能極大地激發(fā)他們對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。

三、物理的簡(jiǎn)約對(duì)稱之美

牛頓講過(guò)“自然界是簡(jiǎn)單”[4]，愛(ài)因斯坦說(shuō)，“宇宙中最不能理解的事情，就是宇宙是可以理解的”[5]，大師的認(rèn)知已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跳出了狹義科學(xué)的桎梏而到達(dá)哲學(xué)的高度。如物理規(guī)律的每一種對(duì)稱性都對(duì)應(yīng)了一種守恒定律，對(duì)稱和守恒總是緊密聯(lián)系在一起的，它們體現(xiàn)了物理學(xué)中的簡(jiǎn)單對(duì)稱的美。因此，作為理解自然界的鑰匙，物理定律也是具有極其簡(jiǎn)單的形式，從我們熟悉的F=ma，到E=mc2，從作用力與反作用力，到電荷的正負(fù)、磁場(chǎng)的南北，從左手定則到右手定則，從麥克斯韋方程組到光的波粒二象性，從熵增原理到薛定諤方程，物理學(xué)一次次地以最簡(jiǎn)單的形式揭示著自然王國(guó)中最基本、最深刻的道理，一步步地解釋著我們的世界是怎樣運(yùn)行的，為什么是這樣運(yùn)行的。盡管我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)還十分的膚淺，但人類會(huì)不斷升華對(duì)自然的理解并最終到達(dá)思想的自由王國(guó)。在大學(xué)物理學(xué)教學(xué)中，有許多的知識(shí)架構(gòu)都和對(duì)稱有關(guān)，如在介紹線量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和角量描述的剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中，只要將具有對(duì)等地位和物理意義的質(zhì)量m換成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，速度換成角速度，線加速度換成角加速度，其運(yùn)動(dòng)的描述具有完全同樣形式，這樣的簡(jiǎn)單而和諧的理論架構(gòu)美才是最能打動(dòng)人心的。學(xué)生們通過(guò)自主的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的理論架構(gòu)之美，并欣賞這樣的美，進(jìn)而促進(jìn)了對(duì)物質(zhì)世界的理解。

四、物理思想的思辨之美

現(xiàn)代科學(xué)之父伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)可能是物理學(xué)發(fā)展史上知名度最高、流傳最廣的一個(gè)故事。雖然伽利略沒(méi)有去做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而真正駁倒“落體速度與重量成正比”理論的，只是一個(gè)簡(jiǎn)單的推理：假如重物比輕物下落速度快，那么當(dāng)重物和輕物綁在一起時(shí)，前者會(huì)受后者拖累而導(dǎo)致整體變慢；但是如果將二者視為一個(gè)整體，它們又會(huì)因?yàn)榭傊馗蠖俣雀臁Ｍ瑯觾蓚€(gè)鐵球，按照這個(gè)理論卻忽快忽慢，結(jié)論只有一個(gè)，“重物比輕物下落更快”的結(jié)論不具有自洽性，是錯(cuò)誤的。這樣簡(jiǎn)單直白而又絲絲入扣的邏輯演繹，痛快淋淋地對(duì)學(xué)術(shù)權(quán)威亞里斯多德支持的落體定律發(fā)出致命一擊，開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)物理的新時(shí)代。像這樣的例子在物理學(xué)上還有很多，比如伽利略關(guān)于物質(zhì)慣性的論證、愛(ài)因斯坦關(guān)于同時(shí)的相對(duì)性、薛定諤思想中那只可憐的“貓”等，無(wú)不體現(xiàn)了物理學(xué)中的思辨之美。

物理學(xué)中的美的體現(xiàn)當(dāng)然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，但“管中窺豹，可見(jiàn)一斑”，通過(guò)我們不斷地去發(fā)現(xiàn)物理世界的美，我們就能不斷地激發(fā)學(xué)生對(duì)物理世界的興趣，使物理的學(xué)習(xí)不再是簡(jiǎn)單的定律推導(dǎo)和計(jì)算解答；逐漸將物理學(xué)中所蘊(yùn)含的思想和方法潛移默化地傳遞給學(xué)生，幫助他們提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，不斷深化其對(duì)客觀世界的理解，最終使得學(xué)生在各個(gè)方面都受到了物理學(xué)有益的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]E.P. Hubble，Proceedings of the National Academy of Sciences[J]，1929，（15）：168-173.

[2]www.nasa.gov/content/goddard/hubble-goes-high-definition-to-revisit-iconic-pillars-of-creation

[3]http：//apod.nasa.gov/apod/ap150425.html

[4]塞耶.牛頓自然哲學(xué)著作選[M].上海人民出版社，1974.

[5]愛(ài)因斯坦.愛(ài)因斯坦文集[M].北京：商務(wù)印書館，1976.