大學物理教學改革思考

張影

梁思成先生在清華大學曾講過，只懂科學，不懂人文，或只懂人文，不懂科學，只能算“半個人”。目前，在 “功利主義”這個大環(huán)境下，大多數(shù)理工科高校過分強調專業(yè)技術人才的重要性，將教學的重心放在知識、能力方面，而忽略了對學生人文素養(yǎng)的培養(yǎng)，將學生培養(yǎng)成了梁思成先生定義的“半個人”。

那么如何讓學生成為“一個人”就顯得尤為重要。為了解決這一問題，大多數(shù)高校采用開設文化方面的選修課，想借此來彌補這一缺陷。然而人文素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個長期的過程，這種短暫、便捷性的方法在短期內有較為顯著的效果，但對培養(yǎng)學生的人文素養(yǎng)意義不大。只有將人文教育融入到日常教學中，進行潛移默化的影響，才是解決問題的根本途徑。

那么“人文”究竟是什么？“人文”在《辭海》中的解釋為“人類社會的各種文化現(xiàn)象”。人文精神的基本涵義是：尊重人的價值，尊重精神的價值。人文精神的基本涵義定為三個層次：人性，對人的幸福和尊嚴的追求，是廣義的人道主義精神;理性，對真理的追求，是廣義的科學精神;超越性，對生活意義的追求。

可以看出，人文精神的基本涵義中不僅有人的價值，還融合了科學的元素。物理學是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規(guī)律的自然科學。因此，物理學與人文教育相結合，對于培養(yǎng)全面發(fā)展的人才有重大意義。

我們可以從以下幾個方面將人文教育融入大學物理教學中。

1 在教學引入中，加入人文教育

回顧歷史，人類社會的發(fā)展離不開物理學的發(fā)展，歷史上每次重大的科技革命都源于物理學的重大突破。熱力學、統(tǒng)計物理學的發(fā)展，引發(fā)了第一次工業(yè)革命，使人類進入熱機、蒸汽機時代;電磁學的發(fā)展引發(fā)了第二次工業(yè)革命，是人類跨入電氣化時代;原子物理學、量子力學的發(fā)展導致了激光的發(fā)明和應用，引發(fā)了第三次工業(yè)革命，使人類進入信息化時代。

然而，物理學的發(fā)展并不是一帆風順的，每一個新的發(fā)現(xiàn)、定理、定律都凝結了幾代人的智慧與心血，很多人也因此付出了他們的生命。他們的這種勇于探索、不怕犧牲的精神鼓舞著一代又一代人。

直至今日，力學體系已建立的較為完善，然而它的建立過程卻非常曲折，凝聚了多位科學家的心血。比如，波蘭天文學家哥白尼發(fā)表《天體運行論》，提出日心說，否定地心說，從而和經(jīng)院哲學的教條地心說發(fā)生沖突，直至去世，他的著作《天體運行論》才被開始接受。繼而，伽利略攜望遠鏡觀察天象，并進行一系列關于運動的實驗，并以數(shù)學的形式建立了諸如“自由落體定律”和“慣性定律”，創(chuàng)建“加速度”概念。其后，開普勒在哥白尼日心說的基礎上，運用第谷的觀測資料，發(fā)現(xiàn)了行星運動三定律。加上惠更斯和斯蒂文等人的努力，牛頓繼而提出了三大定律和萬有引力定律。1687年一版《自然哲學的數(shù)學原理》問世，這一劃時代科學巨著中，建立了以牛頓力學為代表的經(jīng)典力學體系。它將以前毫不相關的天上和地上的運動規(guī)律概括在一個統(tǒng)一的理論之中。1846年，通過牛頓理論預測并證實了海王星的存在，這時以牛頓力學為核心的經(jīng)典力學達到最為輝煌的時代。他們的這種永不懈怠、奮勇向前的精神值得我們每一個人尊重并學習。

這種實事求是、堅持不懈的探索精神不僅在力學研究中有所體現(xiàn)，在熱學、光學、電磁學以及近代物理學中也貫穿始終。比如，培根、笛卡爾等人關于幾何光學的研究。牛頓、笛卡爾的微粒說，惠更斯的波動說，以及赫茲證實電磁波的存在，并將光統(tǒng)一其中。

通過將物理學史的講解融入物理教學中，可以讓學生更好地了解物理知識的背景，使物理學習具有故事性，增加趣味性;同時可以培養(yǎng)他們形成堅強的意志和不怕艱險與失敗的精神。

2 在教學內容中，滲透人文教育

大學物理包含內容極其豐富，在授課過程中，我們可以以知識為依托，添加人文方面的內容，這樣可以讓學生更好地發(fā)現(xiàn)物理的美與神奇。

比如，在講質點運動學這一章，研究質點運動的兩類問題時，可以引入人文方面的內容。第一類問題，已知運動學方程，求速度、加速度;第二類問題，已知初始條件、速度或加速度，求運動學方程。前者是求導過程，后者是積分過程。而在我們的實際生活中，也有類似的情況。人們某些行為對時間的積分會形成習慣，長期的某種習慣又會形成一定的性格，而我們的性格又會決定我們的命運，這就是一個對時間的積分過程;反過來，給命運、性格、習慣對時間求一階導，也是同樣成立的。因此，“性格決定命運”這一說法在物理學中是可以解釋的。

再比如，我們在介紹“熵”的時候得出，在一個孤立系統(tǒng)（或絕熱系統(tǒng)）可能發(fā)生的過程是熵增加或保持不變的過程，對于可逆過程熵不變，對于不可逆過程熵增加，這是熵增加原理。從微觀上來看，熵可以看成系統(tǒng)無序程度的量度，熵增加就意味著無序度的增加，平衡態(tài)熵最大，表明系統(tǒng)達到了最無序的狀態(tài)。比如，當老師離開教室后，隨著時間的推移，教室的秩序越來越亂，這就是無序度增加的過程。對于孤立系統(tǒng)，熵時增加的，而對于開放的系統(tǒng)，系統(tǒng)內部和外界是可以發(fā)生熵交換的，也就意味著在一定條件下開放系統(tǒng)熵可以增加、不變、減少，當系統(tǒng)向外界放出正熵卻從外界吸收進的是負熵，這時系統(tǒng)的熵必定是減少的。比如燒紅的鐵塊放在空氣中冷卻，這個過程中對于鐵塊這個系統(tǒng)而言，熵是減少的，又如當一個小孩從哇哇墜地，什么也不會，混混沌沌，一天2/3時間在睡覺，但隨著不斷喂養(yǎng)，最后成了一個聰明精干的小伙子，這個過程系統(tǒng)的熵是增加的。

通過將物理學內容與生活及自然規(guī)律相結合，可以讓學生感到學有所用，使得物理學習更加有意義，而不是刻板的理論講解。

3 在教學方法中，貫徹人文教育

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，一系列新式教學方法應運而生。幕課（MOOC）私播課（SPOC）、翻轉課堂、雨課堂都是近幾年比較熱門的教學方法。這些教學方法都是將學生變?yōu)檎n堂的主體和中心，增強教師和學生的互動性。比如，“雨課堂”是通過微信掃碼的方式進入課堂，通過課前推送PPT、視頻，并采集學生閱讀時長等情況了解他們的預習狀況，從而有針對性的上課;在課上通過小作業(yè)、彈幕、紅包等手段提高學生的參與度、調動其積極性，從而使課堂不在死板;課下可以推送一些與本節(jié)課程內容相關的軍事以及前沿方面相關內容。這種新式教學方法可以培養(yǎng)學生獨立思考問題的能力以及協(xié)作精神，使得人文教育貫徹教學始終。

4 在科學前沿中，增強人文教育

我國在高新科技領域取得的成績越來越多，通過引入這些素材增加學生的愛國情懷。

在講“剛體的角動量與角動量守恒定律”這一節(jié)內容時，可以引入天宮一號目標飛行器與神舟十號飛船于2013年6月26日成功實現(xiàn)手控交會對接這一成果，說明我們航天人非常給力。

在講量子力學部分內容時，可以引入我國發(fā)射的量子衛(wèi)星“墨子號”。它能夠從三個方面保障信息安全。第一，它可以確保發(fā)送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取;第二，“主仆”身份能夠自動確認，只有“主人”才能使喚“仆人”，其他人無法指揮“仆人”;第三，一旦發(fā)送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發(fā)送和接受指令。通過量子衛(wèi)星通信來說明我們量子密碼的安全性提高到了前所未有的新高度，幾乎無法破解。

我國物理科技的顯著成就可以增強學生的民族自豪感，增加他們學好物理的決心，達到育人的目的。

5 在實際生活中，普及人文教育

物理現(xiàn)象在日常生活中隨處可見，我們的生活離不開物理。比如為什么走路的時候要擺臂，為什么同手同腳會比較變扭，這都跟剛體的轉動定律相關。再比如，標準大氣壓下，水的沸點為100?C，水的冰點為0?C，而我們可以觀察到水可以瞬間從結冰轉為沸騰，或從沸騰變?yōu)榻Y冰，這是跟壓強相關。

還有這樣一個有趣的現(xiàn)象，掛在墻壁上的鐘表，當電量耗盡時，秒表往往會停留在刻度盤上“9”的位置處，這是由于秒針在繞著鐘表的中心轉動時，受到重力的作用，重力矩是阻力矩，根據(jù)力矩的定義，在“9”的位置處，阻力矩是最大的，因此，電量耗盡時，秒表往往會停留在刻度盤上“9”的位置處。

我們可以看出，物理在生活中無處不在，我們只有了解物理，才能明白生活中一些常見現(xiàn)象的本質。

當今社會需要復合型人才，他們不僅具有較高的專業(yè)知識，還應具有較深的文化素養(yǎng)。只有將大學物理和人文教育相結合，在教學中自然、適時地對學生進行人文精神的熏陶、滲透、培養(yǎng)和增強，才能培養(yǎng)出符合時代要求的人才。

（作者單位：武警工程大學）