近代物理学中重大发现的再探索_前言_创新能力培养与物理学中重要发现的再探索

第29卷第5期大 学 物 理Vol . 29 No. 5 2010年5月COLLEGE PHYSICSMay 2010 近代物理学中重大发现的再探索 连载 编者按:物理学是最早创立的自然科学,物理学发展史是一部不断探索、 不断发现的历史,涌现出了 大量创新思维的精彩事例.倪致祥老师提出以物理学史中的重要发现为素材,按真实性、 时代性和形象性 的原则,以重新探究的方式构建创新思维案例的思想,对促进当前我国理科大学生创新能力的培养有积 极意义.他以近代物理发展过程中的重大发现为基础,精心设计编写出一系列典型案例,既可以供大学生 在创新实践时进行模仿和学习,也可以供物理教师在教学改革时借鉴或参考.从本期起,我们将以连载的 形式向读者陆续介绍. 收稿日期: 2009 - 08 - 14;修回日期: 2009 - 12 - 22 基金项目:安徽省教学改革示范专业和教育部高等学校特色专业建设点项目资助 作者简介:倪致祥(1955 ) , 男,上海市人,阜阳师范学院物理与电子科学学院教授,主要研究方向为理论物理. 近代物理学中重大发现的再探索 前言 创新能力培养与物理学中重要发现的再探索 倪致详 (阜阳师范学院 物理与电子科学院,安徽 阜阳 236041) 摘要:研究了如何利用物理学史培养大学生创新思维能力的问题.物理学史中的科学发现提供了许多好的素材,要加工 为适合今天中国大学生的创新思维案例,还须进行再探索. 关键词:物理学史;发现;创新能力 中图分类号: G 64210;O 4 - 09 文献标识码:A 文章编号:100020712(2010)0520062204 “ 科学的本质就是不断创新,不断追求,从相对 真理逐步逼近绝对真理 ” 1. 科学创新就要发人之 未发.想没想发人之未发,是创新意识问题;敢不敢 发人之未发,是创新精神问题;会不会发人之未发, 是创新能力问题. 由于长期应试教育等因素的影响,我国大学生 创新能力的现况不容乐观.“ 与创新型国家对人才的 实际需求相对照,与国外高水平大学相比,我们所培 养的人才的创新意识、 创新精神和实践能力还需要 极大加强,培养出的拔尖创新人才还严重不足.” 2 开展教学改革,提倡素质教育,一个核心任务就是培 养学生的创新意识,激发学生的创新精神,发展学生 的创新能力. 物理学是一门定量化的实验科学,其内容是历 代科技工作者进行长期创造性研究的成果,几乎处 处都闪耀着创新精神的光芒.物理学史中有大量的 创新事例,运用和发展了归纳、 猜想和类比等创新思 维方法.作为一门最先定量化的科学,在物理学的发 展中建立了许许多多精彩的数学模型,为物理学科 的进一步发展和应用奠定了基础,也为其他学科的 定量化发展提供了范例 3. 如何利用物理学的史料 来激发学生求知热情、 探索精神和创新欲望;培养学 生的创新思维能力和实践应用能力,是当前物理教 育工作者的一项重要任务. 本文的主要目的是探究如何有效地利用物理学 史料,来具体培养理工科大学生的创新思维能力,深 化高等学校的教学改革. 1 创新能力培养需要好的案例 1. 1 创新能力培养离不开创新实践 在教学改革的过程中,为了培养学生的创新思 维能力,人们想了许多办法,比较常见的有: 1) 进行专项训练.针对当前学生创新思维能力 中的薄弱之处,开展专项训练,如观察能力训练、 归 纳能力训练、 发散思维能力训练等,以改善大学生的 能力结构. 第5期 倪致详: 近代物理学中重大发现的再探索 前言63 2) 开设专门课程.根据创新实践的需要,开设 一系列专门课程,如创造技法、 创造学和科学方法论 等,奠定创新思维能力的知识和方法论基础. 这些做法对于培养学生的创新能力都有一定的 作用,然而创新思维是一种综合能力,涉及到观察和 实验能力、 分析和综合能力、 猜想与推测能力、 归纳 和类比能力等许多方面,甚至包括科学审美能力.分 散的单项训练,对创新思维实际能力的形成难以产 生显著的作用. 其次,人类知识不仅仅有我们通常可以言传的 显性知识,更有大量的在明确知识背后的不可言传 只能意会的隐性知识.隐性知识不能用我们的语言 系统明确地表达出来,只能借助于个人身体力行的 参与来获得 4. 与创新思维能力有关的知识中不少 是隐性的,单靠讲授不容易取得满意的效果. 第三,“ 在创造活动中,目标、 途径和方法都是未 知的,事先难以预测的,思维则是不规则化,所需的 知识范围界限模糊,经验知识的分量加大,个性的色 彩十分浓厚.” 5用班级教学模式进行传授 ,无法对 不同学生做到量体裁衣、 对症下药,失去了针对性. 从认识论的角度看,实践是认识真理的根本途 径.纸上谈兵是培养不出真正的将军的,不能指望学 会了创新方法后就能够进行创新.要学会游泳一定 要先下水,创新思维能力必须在科学探究的实践中 才能形成与发展.只有在实践中才能触发创造性灵 感,只有在实践中才能发现知识能力结构的缺陷,只 有在实践中才能真正培养出创新型人才. 112 创新实践应该从模仿开始 科学探究,特别是创新型的科学探究,对在应试 模式下培养出来的我国大学生来说,具有较大的难 度.对于初次进入创新实践的人来说,最好的办法是 从模仿开始起步.这里所说的模仿是指通过观察和 仿效他人的行为来进行学习的一种方式,而不是生 搬硬套,依样画葫芦.创新能力的构成中有知识的因 素,但更多的是技能因素,而技能的培养,要靠一定 数量的模仿体验和实践操作. 对成果的模仿绝不是创造,但是对过程的模仿 却为今后的创造打下了的基础.从这个意义上说, “ 模仿是创造的第一步 ”.对于创新能力的培养,模 仿也许是一种最好的入门方式.通过模仿达到思想 方法上的领悟和操作过程上的熟悉,就为创新实践 的成功奠定了基础.在模仿的基础上进行适当变异, 可以说就是初步的创新.因此,我们提倡在创新指导 下的模仿以及在模仿基础上的创新. 113 模仿需要典型的案例 模仿就要有被模仿的对象,创新思维的模仿对 象最好是真实的重大创新过程,就像师傅带徒弟,科 学家带助手.但是,这里面有3个困难:第一,思维过 程不像形体动作那样外显,而是内隐的,光凭观察无 法知道别人的脑袋中是怎么想的;第二,一般的创新 过程不够典型,而我们找不到那么多爱因斯坦来让 大学生模仿;第三,实际创新过程的时间跨度很长, 有时要历经多年,难以持续模仿. 要解决上述问题,一个适当的办法是把物理学 史上的重大发现过程浓缩后用案例的方式显现出 来,提供给今天的大学生模仿和学习. 案例是含有问题或疑难情境在内的真实发生过 的典型性事件.科学发现的典型过程一般包括在一 定的背景下发现问题、 分析问题、 克服困难解决问 题、 对结果进行检验和应用等,创新能力培养的案例 也应该包括这些内容. 好的案例可以通过生动形象的外显形式把科学 创新过程中的探索思路、 发掘过程以及处理问题的 典型细节等描述下来,供模仿者学习,使其能够从中 吸收到多方面的营养. 2 好的案例需要深入发掘 2. 1 物理学史上的重大发现是创新案例的好素材 物理学史中一些重大发现所经历的探究过程, 是人类创新思维的典型事件,不仅事件本身吸引大 学生的兴趣,而且其中包含许多思想和方法,有成功 的经验和失败的教训,还有在失败后的奋斗,对于培 养学生的创新精神、 提高创新能力都具有重要意义. 这些重大发现在物理学史和物理教科书中都有 介绍,但是书中的内容不一定适合作为创新思维的 典型案例.由于篇幅的限制,通常物理教科书中只介 绍探索的最终结果,而略掉了获得这些创造性结果 的探索过程,使学生很难从中发现历史上的创造痕 迹;在许多场合,教科书往往偏重于演绎推理,从发 现的结果开始,推出发现的依据,与探索的真实过程 恰好相反.而在物理学史中,虽然介绍了重大发现的 探索过程,然而往往缺少创造性思维的细节描述,使 学生难以在具体的探究过程中进行模仿.而发表这 些重大发现的原始论文也存在类似的情况. 因此,物理学史上的重大发现的史料虽然为我 们提供了很好的素材,但是把这些素材改造为适合 学生模仿的创新思维案例还需要进一步加工. 64 大 学 物 理 第29卷 212 素材的加工需要深入发掘 从实际操作的层面看,直接用史料作为创新思 维能力培养的案例有一定的困难. 首先,有些发现的具体过程已经缺失,仅凭目前 所掌握的资料难以复现,例如氢原子光谱的巴耳末 公式;其次,由于各种原因,有些发现者在探索的过 程中走了较多的弯路,例如泡利由于不承认电子自 旋,延误了不相容原理的发现;第三,有些发现过程 中采用了一般理工科大学生所不熟悉的工具,影响 了大学生对创新过程的理解,例如爱因斯坦在提出 广义相对论的过程中应用了黎曼几何与张量分析, 这些数学工具是我国一般本科学生未掌握的. 从这个角度看,要将历史素材加工为适合今天 教学的案例,还需要进行重新构建.或者说,对物理 学史中的典型发现还需要一个再探索的过程,才能 够开发出既能充分展示创新思维过程,又容易为当 前大学生所接受的典型案例. 3 再探索的原则与方法 3. 1 再探索的原则 我们的目的是通过对物理学史中重大发现的再 探索,开发出创新思维过程的优秀案例,为我国当代 大学生进行创新实践活动提供模仿和学习的对象, 使学生通过模仿学习体验创新过程,学习创新方法, 培养创新能力. 为了达到这个目的,我们认为再探索应该遵循 下面几个原则: 第一是真实性.这里所说的真实,不是历史的真 实,而是认识的真实.即从真实的物理背景出发,发 现问题、 分析问题、 解决问题,得到真实的物理结论. 再探索的过程必须符合人的认识规律,由感性到理 性,由现象到本质,由具体到抽象,由特殊到一般.发 现物理规律,建立相应的物理理论之后,再应用到实 际问题中,接受实践检验. 第二是时代性.再探索的目的不是为了重复历史 上的发现过程,而是以重新发现为目标,展示在历史上 发现过程中所蕴含的创新思想和方法.因此,在再探索 的时候,我们可以也提倡使用现代的哲学和数学工具, 包括当时的发现者所不了解,而我国大学生已经熟悉 的工具;要尽量避免用当时所使用,但过于复杂或者已 经过时的工具,以防造成学生理解上的困难. 现在,计算机技术、 高等数学和辨证唯物论等工具 已经被我国理科大学生普遍掌握.在同样的物理背景 下,利用学生所掌握的现代工具来重建历史上的发现 过程,不仅可以高效率地培养学生的创新思维能力,而 且可以提高学生学习哲学、 数学和计算机的兴趣,发展 相关的应用能力.此外,我国理科大学生应该了解,但尚 未普遍熟悉的新思想方法,如20世纪中后期发展起来 的系统论、 控制论和信息论等,也可以作为再探索的工 具,让学生在模仿案例的过程中了解和熟悉. 第三是形象性.要把探索过程中所隐藏的创新 思维的思路用明白的语言显示出来,特别是过程中 的一些重要细节,包括实验方案的设计,新概念的提 出等,都应该有具体的描述.物理学的发展历史表 明,一些重要细节的处理往往决定了整个探索过程 的成败.科学发现与刑事侦察类似,都有一个经过不 断探究来找出真相的过程,其中包含着生动曲折的 情节和扣人心弦的悬念.通过对案例的学习可以使 学生在增长知识、 提高技能的同时,感受到探索过程 的艰辛与科学发现的乐趣. 312 现代方法在再探索中的应用 下面几个例子可以说明利用现代方法既能够提 高探索的效率,又可以促进学生的应用能力. 例1 利用计算机辅助维恩公式的探索 按类比推理,可以猜想黑体辐射能量密度随频 率的分布与气体能量密度随分子能量的分布类似, 其形式为u(,T ) = A k e -B/T (1) 式子中出现的参数由实验来确定. 为了简化计算过程,我们将上式取对数,得到 lnu(,T) = lnA+kln-B/T(2) 上式的右边为1, ln,的线性组合,可以通过对实 验数据的拟合得到组合系数lnA,k, -B/T,从而确 定公式中的参数. 用Mathematica命令Fit data, 1, Log, 6对温度 2 000 K的实验结果进行数据拟合,得到 - 2. 783 73 - 2. 400 72x+3Logx 与式(2)比较,立刻得到组合系数的取值为 lnA= - 21783 73, k=31000 00, B=21400 72T=41801 45 在历史上,进行这样的拟合过程需要花费较长的时 间,而现在用计算机只要不到1秒钟. 例2 利用狄拉克函数 7简化能量子概念的探 索过程 普朗克公式相当于假设电磁驻波振子的平均能 量为 () T= h e h/kT - 1 (3) 而按照玻尔兹曼统计理论,平均能量与配分函数Z 之间满足下面的关系: 第5期 倪致详: 近代物理学中重大发现的再探索 前言65 = - 5 5 lnZ(4) 其中=1 / (kT ). 这表明与普朗克公式对应的配分 函数满足微分方程: - 5 5 lnZ= h e h - 1 (5) 对上式进行积分,得到lnZ= - ln(1 - e -h ) (6) 即Z= 1 1 - e -h =6 n=0 e -h n (7) 利用狄拉克函数(x) ,容易将上式改写为 Z= 6 n=0 e -h n = 6 n=0 0 e - (-hn ) d = 0 e - 6 n=0 (-hn ) d (8) 而配分函数又与状态密度函数 D ( )相联系: Z= 0 e - D ( ) d (9) 将式(9)与式(8)比较后,立即看出与普朗克公式对 应的状态密度函数为 D( ) = 6 n=0 (-hn)(10) 按照狄拉克函数的定义,上式的含义是:当电磁 驻波振子的能量满足条件=hn,nN时,状态密 度才不为零.这表明要从理论上导出普朗克公式,电 磁驻波振子的能量只能取一系列不连续的值hn, 这就是普朗克公式背后的物理意义,现在称之为能 量的量子化. 例3 利用辨证唯物主义的观点指导普朗克公 式的再探索 物理学史上,依靠类比得出的维思公式在高频 部分与实验符合得较好,但在低频部分与实验明显 不相符;而严格按照经典物理理论得到的瑞利-金 斯公式虽然在低频部分与实验符合得较好,但在高 频部分与实验相去很远.这个结果给当时的物理学 界带来了极大的困惑,被称为是一场“ 灾难 ”. 利用大学生所熟悉的辨证唯物论,较容易发现 解决矛盾的思路:第一,坚持唯物主义,只有符合实 验的理论结果才是正确的;第二,应用辩证法,事物 都是一分为二的.维恩公式仅在高频段才是正确的, 而瑞利-金斯公式仅在低频段才正确,因此一个在 全频范围内都正确的公式应该以瑞利-金斯公式为 低频极限,而以维恩辐射定律为高频极限.历史上, 人们花费了不少时日才认识到这一点. 4 小结 本文提出利用物理学史上的重大发现作为素 材,在相同的物理背景下重建探究过程,开发创新思 维的典型案例,供学生在进行创新实践活动时学习 和模仿.为了保证案例的质量和效果,在再探索的过 程中应该遵循真实性、 时代性和形象性等原则.按上 述原则,我们开发出了近代物理学中一系列重大发 现的再探索案例,这些典型案例依照背景、 问题、 探 究、 发现、 检验、 推广应用和新的问题这样一个顺序 组织编写,其具体内容将在以后陆续介绍. 参考文献: 1 周光召.物理学的回顾和展望J .北京大学学报(自 然科学版) (增刊) , 2002(1) : 123. 2 周济.注重培养创新人才增强高水平大学创新能力 J .中国高等教育, 2006(15/16) : 429. 3 倪致祥,朱永忠,袁广宇,黄时中.大学物理学(上) M .合肥:中国科技大学出版社, 2006: 122. 4 曹晶.默会理论视角下的研究生科研创