如何幫助物理系學生邁過從高三到大一這個坎

李學潛

(南開大學物理科學學院，天津 300071)

高三到大一不是萬里關山，遙不可及，但也不是平坦大道，而是存在一個不高不低的坎。大一絕不是高四，有著根本的區別。用我們數學的語言說，這個坎可以用一個階躍函數θ(t-9月1日)來描述。對不同的學生，這個坎的意義是完全不同的。有的人采取了正確的學習方法，或在老師的幫助下和同學間相互促進下，很快地邁過了這道坎，從此進入到自主和積極的學習階段，四年的大學生活變得豐富多彩，也積累了豐富的知識，為今后的人生做好儲備。然而也有很多學生在邁這道坎時痛苦不堪，經歷著天翻地覆的改變，當然最終絕大部分適應了大學的學習和生活的節奏，開始享受大學的美好。但有那么一小部分人，即使到了大學畢業，甚至終身都沒有邁過這道坎。他們有的成了物理教師，會算很復雜的習題，但從來沒有進入過學習物理、研究物理的自由天地！有一個學生在畢業前很沮喪地問我：“我學了力熱聲光電的普物、四大力學、數理方法，還有許多專業課，可是你看，到社會上我能干什么啊？”他的問句凸顯了我們教育中的一些缺失，歸根結底是沒有幫助他邁過這道坎。下面我們試圖從各個方面來論述這個問題。

1 什么是物理，什么是物理學

物理是自然界最基本的規律，而物理學是研究體現這些基本規律的基本法則的科學，也是應用這些法則的實用科學，可以自豪地說，它是一切自然科學的基礎，是一切技術(特別是最先進技術)的根源。物理學是研究物理規律的學術成果，是多年來人類，特別是物理學家智慧的結晶。物理規律亙古不變(這有點值得懷疑)，但物理學是不斷發展的，舊的觀念和理論總是被新的實驗證實或證偽，被新的研究成果所代替和改進，從而建立新的理論。

物理學又分為基礎物理和應用物理兩大部分。基礎物理是根本，但它遠遠不是完善的，牛頓定律、相對論(狹義和廣義)、量子力學等等都不是終結理論，都在不斷改進，這是大家所共知的。事實上，歷史中很多大科學家(如拉普拉斯，霍金等)都在幻想建立包羅一切的萬有理論，在過去的一個世紀我們看到許多這種嘗試，但無一不是以失敗而告終。人類對自然界的探索是沒有盡頭的漫長之路，而這也正是物理學的魅力所在，“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”正是物理學家們艱苦探索的真實寫照。物理原稱“格物”是要探尋自然界的一切。然而自然界是那么錯綜復雜，人們的探測手段和取得的成就在自然界眼中是那么渺小， 我們又怎么能期望完全了解浩瀚宇宙的奧秘呢。

物理的規律是人類在不斷的探索和實踐中積累的，物理學又分成運動學和動力學，前者是用各種手段測量各種系統的物理量(力學，電磁學，熱學等等)，而后者是猜的，然后再應用到實踐中去證實或否定，從牛頓力學到量子論都是如此。那讓學生怎么領會這一點呢，我認為中學的老師就是不愿意明白地告訴學生這一點。其實不是他們不愿意讓學生了解做學問的真諦，而是怕學生誤入歧途，整天思考“大物理”而忽略了扎扎實實學習前人取得的完美成果。說老實話，民科(民間科學家)就是這樣陷到胡思亂想的不現實的泥坑中。但到了大學階段，我們就必須逐步告訴學生，科學是怎樣發展的！

2 在大學中學什么，我們要教學生什么

很久以前就存在一個錯誤的概念：大學四年中可以學會一切有用的知識，畢業后就什么都會了。今天這個觀念推遲了，普遍認為當了碩士、博士乃至博士后就應該什么都能干了，再推遲，社會上認為院士是通曉天下，無所不知。這其實是對知識的誤解，也是褻瀆。世界上沒有誰能把一切知識都裝到腦海中。隔行如隔山，在一個領域中的專家到了他不熟悉的領域就連一個本科生都不如。我們看到許多的“民科”本人是博士，在自己的領域中是專家，但他總想跨界到他不熟悉的領域去指手畫腳，硬充內行，做出很多可笑的事。當然，我并不反對他關注其他感興趣的新領域，但他應該明白，他應該從基礎學起，了解了新領域的ABC，再向新高度攀升，而不是自以為先知先覺地說這也錯，那也錯，建立一套完全沒有根基的荒唐“理論”，最后貽笑大方！其實這正是從高三到大一這個躍遷的縮影，只是絕大多數民科不認可這個跨越而已。民科的無知(特別是對理論物理領域)啟發了我們對大學一年級教學的思考。其實，大學的物理教育是培養學生的學習本領，獲得對現代物理知識的理解，建立思考、分析和得出結論(粗淺的和深刻的，創新的)的能力。關鍵是如何學習、領會和獲得新知識，以及如何消化它、提升到新的層次，即學習更深奧的知識以及運用已獲得的知識去為社會服務。

回想起我大學畢業分配到了一個工廠(“文革”期間，能到一個工廠當“工人”已經是運氣了)，當然人家也希望我們做點技術工作，可我的確什么都不會，量子力學絕對幫不上忙。想比之下，同時分到工廠的工科畢業生幾乎立刻就能投入工作，顯示內行的熟練，當然受到工廠領導的高度評價，而我們被譏笑為無用的書生！半年過去了，怎么樣了，我們物理系畢業的學生不僅掌握了工廠所有部門的關鍵技術(不是一個人喲)，而且有了技術創新，幾年后我們主導了新產品的開發。原因不在于我們比工科學生聰明，能干，而是在于我們多年培養出來的學習本領。我們從最根本的原理出發，學會已有的知識，想一想為什么這么做(能“想一想”確是我們高明之處)。我并不想貶低工科學生，他們有很多長處，但我們的優勢就在于我們能學習，會學習！當然，一些工科畢業生通過不斷學習新知識和深入鉆研，在本領域也做出很多突破性的工作，取得矚目的成果。

所以我在面對大一的學生時首先強調這一點，而我后面要探討的問題也正是圍繞這一點展開的。我們不是希望學生大學一畢業就成為專家(少數學生也許可以)，而是給他們指出，或者說開啟了一條通往科學巔峰的崎嶇道路，至于能否到達頂峰是要看他今后的努力和“運氣”了。我們強調這點，是根據無數前輩(無論中外)的經歷總結出來的。大一的成績，乃至大學畢業真的只是萬里之行的開始啊。懂了這一點就不至于成為“民科”。現在的“民科”只要認識到這一點，也可以脫離民科的苦海，走到專業的行列中。

3 如何達到這個目的

現在讓我們進入比較具體的討論吧。課是一門一門學的，授課老師一般有意識地幫助學生鞏固以前課程得到的知識，也為下一門(幾門)新課做好準備，也許是為今后課程做好鋪墊。教課分很多檔次，不同的老師教學效果可能千差萬別，教師的風格不同，不同類型的學生從中得到的收獲也不完全相同。除了那些不負責任的老師外(也許他們不配被稱為老師)，有的老師是啟發型的，很多內容點到為止，要學生自己多體會，課后要復習，課前最好簡單預習一下，這樣的講授方法對“好”學生特別有益，他們不需要老師把一切掰開揉碎地講，而需要學更多的東西，觸類旁通。一位物理學資深前輩在一次報告時就提到，他在上學時，有時候老師在黑板上推導公式時卡殼，“掛在黑板上”，這時這位前輩說，他強迫自己和老師一起想怎么往下走，有時老師先想出來在哪出了問題，但有時他比老師更先想出答案，如果他沒想出來，而老師繼續下去時，他就要分析自己為什么沒想出來，在這樣循環往復積極思考中受益。但有的老師是喜歡非常有邏輯地、一步不缺地、仔細分析，講解、哪怕一個最小的細節也不忽略，用漂亮的板書或精美的課件把該課內容完美地展現。這樣的授課方式比較接近中學的做法，因而很受一般學生，特別是剛剛走入大學門的一年級新生的歡迎，這是因為他們太適應中學的習慣了，還不具備大學生需要的自主思維方式。我們遇到過一年級學生問：老師，您為什么不多講講題，把每一道題從開始到結束完整地講講清楚，告訴我們所有細節。我的回答是：這是中學的教學方式。大物理學家費曼在他的教科書后面不設習題，他安排討論，要學生通過討論自己設置題目，自己去解決。習題是什么？習題是前人研究過，并有確切答案的工作，有很多習題是故意把問題搞復雜，設置幾個陷阱，甚至類似腦筋急轉彎，做很多這樣的題對理解物理真諦沒有多大幫助。費曼的觀點就是要學生通過學習，理解物理，為做創造性研究做好準備。我們認為習題是為了加深對物理概念的理解而做的輔助工作，本身不是研究，充其量是為將來做研究積累技術上的經驗和能力。學生不需要做很多習題(像中學那樣的題海)，而是要學會通過解不同類型的習題，理解題目后面的物理圖像，鞏固和加深對物理的理解，為下一步的學習乃至將來的科研打好基礎。絕不是為了應付考試，那種以做題為樂(作者年輕時也不免如此，做科研，教學生后才覺醒)，只是為了考試高分的作法真害了年輕一代，扼殺了許多可能有為的才俊。

大學教育的目標是什么，當然是培養出對國家、對社會有益的人才。要成為有用的人才，就要有本事，而不是庸才。那就要從大學開始。真不是瞧不上中學老師，他們中絕大多數也曾是精英，但應試教育把那些英才壓垮了，他們只能日復日地給學生講解題技巧，重復最基本的東西，而不能涉及物理的新發展，最多是所謂“開天窗”，介紹一點新知識。他們很多人也是物理學博士啊，涉獵過科學的前沿，但為了學生高考成績，升學率，他們放棄了所有的專業。當然看到學生考入北大清華，對他們的付出和汗水也是一種回報吧。

那么我們大學物理教學的任務呢？我認為就要彌補中學教學的欠缺，使學生回到正確的學習軌道上來。為達到此目的，我上面討論的兩種不同的教學方法，哪種更優越一些呢？我沒有標準答案。但我可以肯定地說，我們的物理教學目標是讓所有學生成才。這個成才并不一定是成為物理學家。我有幾個學生在得到博士學位后改行，成為了各行各業的佼佼者。他們有一個共同點，就是物理思想成了他們的主心骨，指導他們實現自己的夢想，開創自己的事業，盡管這些行業看上去和物理相差十萬八千里！

4 具體的方法

上面探討了一些原則上的想法，下面就具體研究怎么幫助大一的學生邁過從高中到大學的這道坎。

從高三到大一雖然不是萬里之遙，但也不可能一步邁過。中學時，學生時時刻刻在老師和家長的監督之下，任何困難都有老師細心指點、幫助。那時，能自主學習的學生只占很小的比例，大部分學生淹沒在題海中，很少深入思考。而到了大學，情況完全不同了，學習主要靠自覺，老師的作用是指導和幫助，而不是事無巨細地手把手教。再說時間也完全不同了，中學時，早上7點到校的早自習到晚上9點晚自習結束(有的還要晚)，都泡在學校，由老師監督學習、做題，有任何需要，老師就在身邊。而到了大學，每周的專業課(一年級時普物和高等數學)也就是有限的學時，其他時間完全由自己支配。很多學生一下子從嚴格管理(沒有多少自由支配時間)到充分自由，這個變化太大了，簡直是個相變。很多孩子不適應這個變化，特別是中學時，老師會幫忙總結，把所學過的知識串起來。說實話，其實中學的物理教學并沒有真正把一個學期或整個中學的物理、數學內容綜合起來，也就是有機地串起來，而是學生對每個部分的習題都會做就達到要求了。但是大學要培養優秀的物理學工作者，一個重要的因素就是能把各個領域的知識，力學，熱學，電磁學，到量子力學的內容有機地吸收，融會貫通，因而學習方法必須跟上。在我大學一年級時，也很迷茫，不知道怎么把課程學好。在一次座談會上，一位老教授給我(當然也有別的同學)建議了一個很有效的方法：學完一章，就合上書，給自己從頭到尾講一遍，中間卡殼了，就翻書，或請教老師，或與同學討論找到答案，學完一門課，就給自己講這門課的全部內容。當然最好幾個同學組成一個小組，互相講，互相提問，共同提高。這是非常有效的方法，使我對整個課程有了全面的，而且是有邏輯的理解，能達到融會貫通(我這樣理解，但在專家眼里，可能還是挺膚淺的)，直到我出國攻讀博士，我仍然這樣做，受益很深。我一直建議我的學生(從大學一年級到博士)采用這個方法。其實我們做教師的，有時在講授一門基礎課程時，也會有新的感悟(我稱之為頓悟)，這是所有老師的共同體會吧。

開天窗是很好的方式，在完成基礎教學內容時，開開天窗，介紹一點教師自己的研究領域或科學的前沿成果。并不需要學生全懂，但讓他們看到物理的廣袤天地和發展前景，啟發他們的思維，促進他們努力學習，追求更高層次的熱情。

我們學校組織“今日物理”講座，邀請全國知名專家、學者來給學生做學術報告，介紹最新科學成就、研究方法，乃至科學家的一些有趣的軼事，如“從牛頓炒股講起”，不同年級的學生都可受益。我們鼓勵大一的新生去聽“今日物理”講座，不管全部聽懂還是部分能聽懂(我們叮囑講演者注意降低專業水平，盡量用學生可以聽懂的語言，減少專業術語)，都很受益。我記得當我自己聽大師講座后，懂得了很多我以前沒想到過的東西，并感到巨大歡欣。這種美妙的感覺是很難用筆墨形容的。我相信，大一的學生也有這種感覺。特別要指出的是，學生大多數是“追星族”，我們請的講演者名氣越大，如國內外杰出學者、院士、諾貝爾獎獲得者等，學生參加講座的熱情越高，聽得越專注，收獲也就越多。但最根本的是講演內容要讓學生至少能聽懂一些，這樣他們才有興趣，下次還來聽講座。

5 低年級學生的科研工作

多數學生對物理有興趣，對科研有神秘感，想盡快參加到科研隊伍中，希望能得到一些成果。這種積極性是很寶貴的，是需要保護和鼓勵的。但也可能產生副作用和反效果。特別要注意一些學生為了拿到“成績”的急功近利的做法，反而影響了他們的學習。

我認為一些適當的理論或實驗方面的科研活動是很有益的，但不能過分超出大學一年級學生的知識范疇，拔苗助長的做法會有一時的成績，但從長遠說來會毀掉一些有潛力的好苗子。我給一年級學生出過幾個他們可以做的科研題，例如，他們學完了熱學和電磁學，我建議他們研究一下在電或磁極化某種材料時系統熵的變化，此題可深可淺，做好了可能達到在專業雜志上刊登的水平，然而很少有學生深入做下去，也許對他們來說是難了些。他們大部分愿意去某個老師的實驗室參加做一些科研輔助工作。我絕不是輕視實驗研究，但我覺得做低級科研輔助，不如做些獨立研究對成長更有益。當然，我的這種觀點是可以討論的。

在這我也想補充地說一句，對新大學生來說，各種誘惑太多了。大學的課外活動五彩繽紛，從交際舞到羽毛球，五花八門的社團活動對剛脫離中學清教徒般生活的一年級大學生誘惑太強烈了。我想老師(特別是輔導老師)有責任建議這些17～18歲的孩子有節制地選擇參加一些社會活動，不要影響學習。當然健康的社會活動不僅不會影響學習，反而會起到促進作用。顯然，過度的電腦游戲絕對是大學教育的殺手。多少在中學中曾是學霸的優秀學生，在大學一年級就不斷掛科，最后不得不放棄他們原來鐘愛、愿為之獻身的物理學。因此嚴格管理自己，同學間的互相提醒和幫助是不可缺少的。

6 關于先施計劃(CAP)

先施計劃(CAP)是一個幫助有志成為物理學家的優秀中學生提早接受大學教育的教育部項目。CAP的具體內容已經有很多專文介紹了，我就不再過多涉及。我只想對中學生做一點建言。先施計劃是一把雙刃劍，用好了，教和學對路子了，可以得到非常好的效果，對成功跨過從高三到到大一這道坎是非常有益的，然而，任何事情都有反面。首先是選材，過高和過低都有危害，也許我們以后會做專門評論。無論如何CAP目前在我國還是在試驗階段，它的優點應該肯定，缺點在不斷克服，但可以肯定的是它會越辦越好。

7 不是結論的結論

我們的目標是培養對國家，對社會有貢獻的物理學工作者。實際上，物理作為一種精神存在于每一個物理科學的畢業生的靈魂中。它不是具體的公式，也不是某種圖像或理論，而是潛移默化地指導他們思維、判斷和行動的精神，鼓勵這些畢業生不斷進取、創新。事實上，這些受過物理學嚴格訓練的學生，將來不論做什么工作，甚至工作在看起來和物理完全無關的領域，終生都會自覺或不自覺地按照物理學的嚴密的邏輯思維方式來處理一切，這是成功的保障，因為物理的思維方式就是自然的規律。雖然物理學有一定的近似，但在人類不斷實踐中在不斷修正和提高。

我們肩負的責任就是讓這種邏輯思維和進取、創新的精神置于大一新生的腦海中，讓他們沿著前輩開創的道路前進。做到這一切，首先就是讓他們跨過從高三到大一的坎。很難嗎？是的，但知難就不難了。

致謝： 感謝劉玉斌教授的幫助，從相互交流中受益良多。