大学物理教学改革初探

大学物理教学改革初探 日期：2009-06-29 作者：张岩 李彬 王玉光来源：中国教学与研究杂志 【摘要】物理学作为一门基础科学，不仅是整个自然科学的基础，而且是科学技术，尤其 是高新技术的重要源泉。纵观当今绝大部分科学技术及新科学(如量子信息学、量子光学、 光电子学、微电子学、材料科学、生物物理、化学物理、海洋物理、地球物理、天体物理 等等）无一不是物理学发展起来或物理学与其他学科相互交叉、相互渗透发展而成的。这 就决定了物理学的知识结构具有很广泛的适用性、巨大的活力和很强的再组织能力，正因 如此，大学物理作为高等院校的一门重要的必修课，在实现学生的可持续发展时具有巨大 的优势及不可替代性。 【关键词】大学物理 教学改革 胡锦涛同志在十七大报告中指出“科学发展观要以人为本，实现全面、协调和可持续发展” ， 作为教员，以科学发展观为指导，以教育为手段实现学员的可持续发展，这不仅有助于构 建和谐社会，同时也是教育的根本任务。 物理学作为一门基础科学，不仅是整个自然科学的基础，而且是科学技术，尤其是高新技 术的重要源泉。纵观当今绝大部分科学技术及新科学(如量子信息学、量子光学、光电子学、 微电子学、材料科学、生物物理、化学物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等）无一 不是物理学发展起来或物理学与其他学科相互交叉、相互渗透发展而成的。这就决定了物 理学的知识结构具有很广泛的适用性、巨大的活力和很强的再组织能力，正因如此，大学 物理作为高等院校的一门重要的必修课，在实现学生的可持续发展时具有巨大的优势及不 可替代性。 然而由于大学物理自身的特点、传统教育的误区以及人们认知上的差异，很多人都认为物 理不仅难学，而且学而无用。面对这种局面，大学物理的改革势在必行，本文作者根据多 年来的从教经验，浅谈几点看法。 一、利用物理学史辅助大学物理教育，培养学生的科学素质 物理学是人类社会实践的产物。作为人类对物质世界客观规律认识的结果，物理学有一个 不断积累和发展的过程。它的每一个基本概念、基本定律和基本理论，都有一个萌芽、形 成和发展演化的曲折历程。而物理学史正是从大量历史资料中，把物理学认识从起源到现 在的发展过程的概貌整理出来，揭示出物理学进展的历史足迹，并从中概括出物理学的知 识、理论和方法的发展规律。 物理学的发展过程中蕴含着物理学家做出重大贡献时所使用的物理思想和研究方法，这不 仅是物理学家智慧的结晶，而且在一定阶段为物理学的发展指明了方向。在大学物理的教 学过程中，借助物理学史向学生展示这些物理思想方法，不仅使学生能够加深对物理概念 和物理定理的理解，而且实现了“授之以渔” 对学生进行素质教育的目的。物理学家们一般 都有这样的信念：自然界是简单、对称、和谐统一的。正是在这样的信念下，法国物理学 家德布罗意在爱因斯坦提出“光具有波粒二象性” 之后不久，大胆提出 “一切微观粒子都具有 波粒二象性”的假设，为物理学的发展指明了方向。爱因斯坦评价德布罗意的工作是“ 揭开 了厚幕的一角，对物理之谜中最棘手的一个谜投下了第一道微弱的光芒。” (1) (2) 利用物理学史向学生展示物理学家们为追求科学真理不屈不饶、淡泊名利的高尚品质，实 事求是的工作作风，甚至为科学献身的精神，激发学生学习物理学和探求自然奥秘的热情， 培养学生的科学精神。意大利著名的天文学家布鲁诺为捍卫真理，被活活烧死在鲜花广场， 但他坚持真理的行动一直为人们广为传颂。爱因斯坦为了解释光电效应提出了“光量子” 假 设，但是光量子的概念由于与传统观念相违背一直备受怀疑。直到 1914 年由美国物理学 家密立根利用光电实验全面验证了光电方程的正确性，才被人们所接受。然而有趣的是密 立根在 1934 年的领奖演说中，公开承认自己曾长期对爱因斯坦的“光量子” 观点和光电方程 持怀疑态度。实事求是的科学态度促使密立根在真理面前，反过来宣布爱因斯坦的光电方 程完全正确。 实践证明在物理教学中融入物理学史，是活跃学生思维、训练科学方法、发展科学思维、 培养创造能力的有效手段，有利于培养学生的科学素养。 二、以艺术辅助大学物理教育，培养学生的人文素质 物理与艺术都是惟有人类才拥有的文化现象，并且紧密而又令人惊奇地相互关联着。波尔 说：“就物理学充满真知灼见而言，它实在是一门艺术” ，托马斯 赫胥黎则认为“科学和艺术 是自然这面奖章的正反面，一者用感情表达事物的永恒，另者则以思想来表示其秩序。” (3) 举凡科学和艺术都是一种抽象，都是对感知现象的综合。艺术家以艺术作品表达审美情感， 科学家以自然定律描绘客观规律，他们都有一个共同的愿望，就是将对世界本体认识的不 同侧面，各种现象贯穿在一起，经过分析、综合和思考，从而完成对事物本质的认识。 1907 年毕加索大胆的以四维时空坐标的艺术手法构成了一副标新立异的画作“亚威农少女” ， 将时间与空间的联系用巧妙的画笔体现出来，从而使相对论的视觉效应得以彰显。尽管四 维时空观在当时受到了人们的非难和不解（“亚威农少女”问世百年仍受争议），但最终证 明爱因斯坦冲破了牛顿经典力学的束缚；而毕加索也突破了“欧几里德” 三维立体画派的思 维模式，他们的勇敢和敏锐，将物理史和美术史做了改写，从而推进了人们对自然的认识 过程。 物理学不仅与美术有关，而且和音乐、文学等各种艺术形式共生而互动，相异而互补，物 理学与人文科学的共振筑成了美的激荡。为了找出星体运行的某些规律开普勒接过了第谷 留给他的天文资料，繁杂的数据使他陷入困境，在聆听一首“和谐的序曲” 时产生了顿悟， 意识到“天体的运动只不过是一首歌，一首连续的，有几个声部的歌” ，从而在看似无关的 天文资料中找到了规律，终于写出了“宇宙和谐论” ，成为为行星立法的人。爱因斯坦深有 感触的说道：“在科学思维中，永远存在着诗歌的因素，真正的科学和真正的音乐要求同样 的思维过程。” 由此可见，在大学物理的教学中将科学与艺术结合不仅是人类思想发展的主流，而且也是 培养学生具有良好人文精神和创新能力的重要途径。 三、在物理教学中利用物理前沿，实现学生的可持续发展 邓小平同志倡导教育要“面向现代化、面向世界、面向未来” ，明确指出了教育的最终目标 是要实现学生的可持续发展。随着社会的进步，科技的发展，物理学正以前所未有的速度 向着更宽、更广的领域拓展，并且与其它学科间的渗透日益加剧，物理学领域内的任何一 个突破都会带来科技的飞跃和社会的巨大变革。 物理学前沿作为物理学中最有活力的部分，反映了物理学领域目前正在探索和研究的物理 现象和规律。如果在大学物理教学中加入物理学前沿的内容，使学生认识到物理学的发展 是一个动态的持续过程，物理学远未达臻完美，尚有许多未知在等着他们去发现、去创新。 物理学仍然大有可为, 是值得他们献身的事业，以激发学生学习的热情和积极主动性。 物理学前沿领域本身蕴含着大量深邃、内洽的美，改变着人们对“美” 的传统看法。如弱相 互作用下宇称不守恒的发现使人们反思以往的审美观，在今天“对称中存在破缺” 已经成为 一条基本的美学原则。物理学的美是抽象而又直观的，它的抽象反映在物理学的数学描述 上；却又能通过计算机对分形理论的模拟图直观的展现出来。将这些物理之美呈现于教学 中，能帮助审美主体去发现美、鉴赏美，进而热爱美、追求美。 由此可见，将物理学前沿渗透于教学中，不仅是需要的，而且是必需的，它不仅使学生的 知识结构更具有现代性，而且有利于学生的持续发展。 大