用做科學(xué)研究的方法進(jìn)行大學(xué)物理教學(xué)

喻有理 張二虎 田蓬勃 劉 萍 劉丹東

(西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710049)

國家為了提升創(chuàng)新競爭力，要求大學(xué)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(xué)物理是理、工科大學(xué)低年級本科生的基礎(chǔ)課程，不僅是提升學(xué)生數(shù)、理邏輯思維的一種基礎(chǔ)訓(xùn)練，更要加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練，就是要加強(qiáng)研究性學(xué)習(xí)的訓(xùn)練。

大學(xué)物理教學(xué)秉承了我國基礎(chǔ)教學(xué)的優(yōu)良傳統(tǒng)，其特點是教學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系緊密，條理清晰，邏輯嚴(yán)密，注重物理基礎(chǔ)理論知識體系化、注重分析問題解決問題能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。愛因斯坦在科學(xué)思維過程理論中對邏輯思維和非邏輯思維在科學(xué)創(chuàng)造中的作用作了明確的闡述：科學(xué)思維的開始和終結(jié)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(xué)體系的問題提出和終結(jié)的應(yīng)用范圍。

以這一理論來評價我國的傳統(tǒng)基礎(chǔ)教學(xué)，訓(xùn)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(jié)果的不足，缺乏科學(xué)結(jié)論的開始和終結(jié)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(qiáng)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(xué)術(shù)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(xùn)練和實踐。結(jié)果是：學(xué)生不清楚要學(xué)知識主題的應(yīng)用背景和意義，激發(fā)不出好奇心，缺乏學(xué)習(xí)的興趣和主動性；教師的教學(xué)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(chǔ)課程教學(xué)，教師如何化教學(xué)為研究，學(xué)生如何化學(xué)習(xí)為興趣？就成為提升基礎(chǔ)課教學(xué)成效的關(guān)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(xué)都要求新進(jìn)教師要有博士等研究性學(xué)位，這形式上保證了教師做過科學(xué)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(xué)研究方法進(jìn)行教學(xué)的必要條件，用以帶動研究性教學(xué)；負(fù)面的效應(yīng)是刺激了多數(shù)年輕教師重科研、輕教學(xué)的偏執(zhí)，沒有達(dá)成教學(xué)本身也是一種研究、創(chuàng)造活動這一共識，認(rèn)為教學(xué)會荒廢自己的科研，甚至?xí)棺约簡适Э蒲心芰Α?/p>

一個人的科學(xué)研究成果能夠收編為教學(xué)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(xué)研究的方法通過教學(xué)活動傳授給自己的學(xué)生，讓學(xué)生直接受益，這是完全可以做到的，也是學(xué)校教師將研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的最主要途徑和最能實現(xiàn)的目標(biāo)。當(dāng)然，將研究方法轉(zhuǎn)化為教學(xué)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(xué)習(xí)，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(jié)果。量子領(lǐng)域的開拓者，諾貝爾物理學(xué)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(xué)院的一、二年級本科生教授物理學(xué)導(dǎo)論算是較為成功的例子[2]。我們國家近年成立教師教學(xué)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(zé)任意識，作為一線的基礎(chǔ)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(chǔ)理論，把要教給學(xué)生的每一個主題當(dāng)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(xué)術(shù)思想向?qū)W生做研究項目報告。若能這樣去進(jìn)行教學(xué)，教師的教學(xué)過程和研究過程就成為了一體，學(xué)生的學(xué)習(xí)知識和研究問題也成為了一體，教學(xué)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(shè)其產(chǎn)生背景和過程

物理學(xué)的探索目標(biāo)是在實驗現(xiàn)象觀測的基礎(chǔ)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(xué)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(jié)的守恒定律，動量矩概念及相關(guān)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(xué)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(jié)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(xué)參量質(zhì)量考慮進(jìn)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(dá)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(rèn)識基本定律

物理學(xué)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(shè)[3]，講授時要將定律的有關(guān)現(xiàn)象恢復(fù)到它被抽象出來的原生態(tài)，建議學(xué)生讀相關(guān)的經(jīng)典文獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)清楚哪部分結(jié)論來源于實驗觀測，哪部分結(jié)論是人為的規(guī)定，哪部分結(jié)論是隱藏的假設(shè)。以牛頓第二定律為例，按下面過程講授：

在牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(yù)示要用牛頓第二定律這一關(guān)系來定標(biāo)力和慣性質(zhì)量。

實驗觀測的功效在哪呢？在用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)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(shè)呢？當(dāng)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(guān)，這就是一個假設(shè)。

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(yīng)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(qiáng)度，得出地球表面的引力場強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)，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(qiáng)度的一般定義；

由引力場強(qiáng)度的定義得到地球表面附近的引力場強(qiáng)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(yīng)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(xué)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(xué)文化和人文文化的融合，這是時代發(fā)展的必然趨勢，是當(dāng)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(xué)物理教學(xué)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(rèn)識物理教學(xué)與思政教學(xué)統(tǒng)一的必要性

課程思政意指在科學(xué)技術(shù)有關(guān)的課程教學(xué)中同時注入人文科學(xué)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(guān)的人文知識。為人文文化尋求與自然和自然規(guī)律相適應(yīng)的依據(jù)，成為人文科學(xué)。使科學(xué)文化成為孕育和提升人文文化的基礎(chǔ)。同時，科學(xué)技術(shù)文明的發(fā)展，如果沒有人文精神的孕育，就不能確保科學(xué)技術(shù)的先進(jìn)。科學(xué)技術(shù)存在有先進(jìn)和落后之分，但其本身并不存在自在的善惡指向，科學(xué)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(xué)，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(chǔ)科學(xué)的物理學(xué)的內(nèi)容可以為人文思想及內(nèi)容提供自然科學(xué)的依據(jù)，同時人文知識背景也為理解物理學(xué)深刻內(nèi)容提供了直覺。

2)生態(tài)化原則：以修復(fù)保護(hù)自然生態(tài)格局為基礎(chǔ)，結(jié)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(fù)綠道及周邊自然生態(tài)功能。

4.2 如何挖掘物理學(xué)在思政教學(xué)中的內(nèi)容

引導(dǎo)教師們在傳播科學(xué)技術(shù)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(xué)習(xí)物理學(xué)與人類文明之間的必然關(guān)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(xué)與人類文明相關(guān)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(guān)注這些資源而已。可以借目前這股東風(fēng)使物理教師真正打通理、工、文一體的物理教學(xué)。

4.3 以什么樣的形式展示思政內(nèi)容

我們當(dāng)前的做法是在學(xué)習(xí)相關(guān)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(xué)生，這樣既不增加學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，又能起到文理貫通的作用，例如在學(xué)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(xué)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(jī)宏觀系統(tǒng)自發(fā)演化的結(jié)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(dāng)?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(xué)物理教學(xué)如何適應(yīng)當(dāng)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。