陈泽民教授谈基础物理教学的四个理念
作者：陈泽民，前教育部高等学校工科物理课程教学指导委员会主任,清华大学教授
本文刊登在2006年6月《物理与工程》期刊第 6期
（因原文中图片清晰度欠佳，在微信中做了部分增减）
物理教学的改革和课程建设要有正确的理念做指导. 有的理念在教学改革的一定阶段很重要,有的理念则应贯穿于物理教学的始终, 并应长期起作用. 四位物理学大师的四句话应当作为改进基础物理教学最基本、最重要的理念.
一、物理教学理念之一
爱因斯坦:“兴趣是最好的老师. ”
· 请注意: 兴趣是最好的老师, 我们都不是.
· 教师的一个重要任务就是使学生能得到这个最好的老师———激发和培养学生学习物理的兴趣.
· 有了兴趣学生才能主动而非被动地学习,学习才能深入.
· 要改变物理课枯燥、死板、严肃、难懂的面貌, 使物理课变得亲切、有趣、有吸引力,使学生能主动地、生动活泼地学习. 至少可以从以下四个方面努力:
1. 从现象出发把五彩缤纷、美妙神奇的物理世界展现在学生面前, 以激发学生的好奇心和求知欲
引导学生以探索、研究的心态进行学习,如展示:
美丽的北极光
怒发冲冠
2. 要实现基础与前沿、经典与现代、理论与应用的有机结合
既要强调物理教学的基础性, 又要注意它的时代性和前沿性;既要深入揭示物理规律的内涵和意义, 又要适当联系它在高新技术中的应用. 使学生觉得物理学新颖、深刻、有用, 从而提高学习物理的兴趣.
基础联系前沿如:
逃逸速度———黑洞
动量守恒———中微子的发现
万有引力———脉冲双星、引力波
热二定律———时间箭头
多普勒效应———红移、大爆炸理论
理论联系应用如:
光栅衍射→相控阵雷达
迈克尔孙干涉仪→光学相干CT
特征X射线→越王勾践剑的分析 洛伦兹力→磁流体船
3. 讲出物理规律之美, 并联系历史、联系人文、贴近生活
(1) 物理规律之美
物理学的本质是真———客观规律、真理
物理学的价值是善———能够造福人类
物理学的追求是美———简洁明快, 均衡对称,和谐统一, ……
如:万有引力定律———简洁明快之美
麦克斯韦方程———统一对称之美
相对论———和谐自洽之美
自由空间的电磁波方程:
x , y , z , ict 的整齐平衡和4 维空间的对称之美.
杨振宁对牛顿运动方程、麦克斯韦方程、相对论等的评价:
“它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构, 可以说它们是造物者的诗篇. ”
要引导学生发现和欣赏物理规律之美, 把学习物理的兴趣提高到审美的层次上来.
(2) 联系历史
适当介绍重要的规律、理论发现和建立的过程. 这不仅能使学生受到前辈科学家创新精神的感染和科学方法的熏陶, 还能大大激发学生学习物理的兴趣. 如介绍:
· 照相机的增透膜是怎样发明的,
· 普朗克的量子论是怎样建立的,
· 李政道、杨振宁是怎样提出宇称不守恒的.
(3) 联系人文(文学, 艺术, 评论, ……)
波-粒二象性—寓于一体又不同时出现. 如展示下图:
少女？老妇？两种图像不会同时出现在你的视觉中.
物理规律的对称性——一定变换下的不变性. 如:
· 艺术中的对称性
· 文学中的对称性
请看下面两幅对联:
上海自来水来自海上,
南山长生松生长山南.
客上天然居, 居然天上客(乾隆上联),
僧游云隐寺, 寺隐云游僧(张琏下联).
这些对联可说是具有“时间反演不变性”.
介绍有关的评论, 如:
· 杨振宁对狄拉克方程的评论:
“这个简单的方程是惊天动地的成就, 是划时代的里程碑. ”
“反粒子理论又是物理学的另一个里程碑. ”
称赞狄拉克方程和反粒子理论是:
“性灵出万象, 风骨超常伦. ” 高适:《答侯少府》
· 玻尔对普朗克量子论的评价:
“在科学史上很难找到其他发现能像普朗克的基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生如此非凡的结果……”
“上一代人能取得有关自然知识的如此的神奇进展, 应归功于人们从传统的思想束缚下获得的这一解放. ”
·爱因斯坦在1918 年4 月普朗克60 岁生日庆祝会上的一段讲话:
“在科学的殿堂里有各种各样的人:有人爱科学是为了满足智力上的快感;有的人是为了纯粹功利的目的. 而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律, ……他成了一个伟大的创造性观念造福于世界的人. ”
· 杨振宁对吴健雄的评论:
· 爱因斯坦对迈克尔孙的评论:
“我总认为迈克尔孙是科学中的艺术家, 他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛, 他从来不认为自己在科学上是个严格的‘专家’ , 事实上的确不是, 但始终是个艺术家. ”
· 普朗克等人提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐书:
“几乎没有一个现代物理学的重要问题爱因斯坦没有做过巨大贡献. 当然他有时在创新思维中也会有错, 比如, 他对光量子的假设. 可是也不应该过分批评他, 因为即使在最准确的科学里, 要提出真正新的观点而不冒任何风险是不可能的. ”
(4) 贴近生活, 如以下各例:
· 万有引力——月球对地面上海水的引潮力常触发地震
· 熵与生命——耗散过程
高熵——混乱;热平衡——死亡
薛定谔:《生命是什么？》：“生命之所以能存在, 就在于从环境中不断得到‘负熵’ ”“有机体是依赖负熵为生的”——摘自《生命的热力学基础》
4. 把计算机引入物理课程的学习, 用计算机模拟、计算、显示、研究物理过程. 把学生玩计算机的兴趣引导到学习物理上来
二、物理教学理念之二
杨振宁:“现象是物理学的根源. ”
杨振宁先生这段话的全文是这样的:“很多学生在学习中形成一种印象, 以为物理学就是一些演算. 演算是物理学的一部分, 但不是最重要的部分. 物理学最重要的部分是与现象有关的. 绝大部分物理学是从现象中来的, 现象是物理学的根源. ”
· 观察现象, 研究现象, 揭露现象背后的本质和规律, 才发展了物理学.
· 基础物理的教学应当同观察和分析物理现象联系起来, 否则就是无源之水、无本之木.
· 基础物理的大部分内容都应采用从现象→本质;从感性→理性的方法进行教学. 要把观察现象作为物理教学的重要环节.
· 图片, 视频(录像), 演示实验在教学中具有十分重要的作用.
演示实验最重要:直观——真实——生动
作用:观察现象, 启迪思维, 显示原理, 验证理论.
它是培养学生探索精神、创新精神的重要手段.
1. 观察现象, 如: 磁悬浮、纵波、共振、全息图像
2. 启迪思想, 如: 磁悬浮与磁悬挂
悬浮体也可以是挂在下面, 这是什么原因？
陀螺在旋转时会自动翻过来转, 这是什么原因？
3. 显示原理, 如: 角动量守恒、势能——转动能
4. 验证理论, 如: 进动、热辐射
· 演示实验厅：学生可以自己动手演示.
· 演示实验要进课堂, 使演示与讲课同步进行, 实验与理论教学紧密配合.
三、物理教学理念之三
海森堡:“科学扎根于讨论. ”
讨论是科学赖以生长、繁荣的土壤. 讨论可以使学习深入, 讨论能够激发创新的火花.
杨振宁的体会:“我一生中最重要的一年, 不是在美国做研究, 而是当时和黄昆同处一舍的日子.正是那些争论, 使我找到科研的感觉. ”
要向学生反复强调讨论的重要性, 鼓励并组织学生开展讨论, 形成“勤于思考, 乐于探讨”的学术氛围.
讨论有多种方式, 不拘一格, 讨论就好:
大课提问讨论;
小班专题讨论;
网上随意讨论;
宿舍卧谈讨论… …
小班讨论课是推动学生开展讨论的有效方式
清华大学, 西安工业学院等校都有物理小班讨论课. 以清华大学为例:
*作用:深入理解基本概念、原理, 掌握基本方法;开阔思路, 鼓励创新, 训练辩才.
*做法:
· 15 ～ 20 人一班, 主讲教师指导, 由教师和助教分班主持.
· 主要题目课前到手, 师生有备而来,围绕教学重点和学生学习的疑点、难点展开.
· 同时鼓励学生提问题, 什么问题都可以讨论, 包括教师可能回答不上来的, 以及没有公认结论的问题.
· 讨论和演示实验相结合.
例1
在台面上合适地搓动乒乓球, 乒乓球在桌面上前进一段距离后将会自动返回.
1. 试对此现象作定性解释;
2. 设乒乓球可看成匀质刚性球壳, 导出能产生上述现象时, 其初始条件应满足的关系.
例2
细绳悬挂在平衡杆的一端, 并使其绕AB 轴转动, 如果细绳突然断开平衡杆如何转动？
分析得对吗？ 看看实验.
通过讨论课, 激发学生研究更深层次的问题.
四、物理教学理念之四
李政道:“物理学的精髓在于创新. ”
· 物理学中最重要的东西不是某个原理、某条定律, 而是它所包含的创新精神.
· 物理学是在不断探索、不断发现、不断创新中发展起来的, 没有创新就没有今天的物理学.
· 物理学研究的是最基本的自然规律, 规律的发现、理论的提出, 只有第一, 没有第二.
· 掌握物理学的精髓, 最重要的就是学会创新.
· 物理教学要把培养学生的创新精神放在第一位
1. 要培养学生创新的意识和勇气
喜欢标新立异, 不墨守成规.
总想探索新途径, 提出新观念, 尝试新方法, 导出新结论.
没有想到创新的人绝不会有新创造.
不怕名人权威, 在新的事实面前敢于怀疑旧理论, 提出新问题.
吴健雄指出:“ 进步道路上的绊脚石是, 也一向是, 不容许怀疑的传统. ”
爱因斯坦说:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要, 因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的一个技能而已, 而提出新的问题、新的可能性, 从新的角度去看旧的问题, 却需要有创造性的想像力, 而且标志着科学的真正进步. ”
要鼓励学生成为敢于怀疑、善于提问的、具有批判性和创造性的探索者.
怎样培养学生的创新意识和勇气？
少年儿童天生就富于想像, 喜欢创造, 无所顾忌, 不怕权威. 可是我们从小就要求他们听话、守规矩, 强求一律, 崇拜权威,应试教育, … …, 是我国教育制度和教育方法的弊端, 扼杀了学生的创新精神. 到了大学才要重新“培养”.
3000 年前的一个哲人曾经说过:“学生的头脑不是一个待被填满的容器, 而是一个需要被点燃的火种. ”
什么火种？求知的火种, 创造的火种.
我们的任务是点燃这些火种.
求知的火种可以用兴趣和责任感去点燃,
创造的火种用什么去点燃？解放思想！
就是要去掉思想束缚, 把创新精神重新激发出来.
教学中要:少一些限制, 多一些自主;少一些批评, 多一些鼓励.
要着重强调:
▲ 科学技术在不断发展, 永远都存在创新的空间;
▲ 大师、权威们的观点、结论也有时代的局限, 也有错误, 要敢于突破;
▲ 年轻、知识少不是障碍.
(1) 科学技术在不断发展, 现有结论不是不变的.
随着科学技术的发展, 上面这些结论是有可能改变的, 例如：
现在知道, 中微子静止质量虽然很少, 但不为零.
(2) 大师的观点、结论也有局限甚至错误
▲ 爱因斯坦:广义相对论方程+宇宙项
爱因斯坦后来认为, 为了保持宇宙是静态的而加入宇宙项是他一生最大的失误.
▲ 泡利:“我不相信上帝会在弱作用中偏向左手, ……” , 结果证明他错了.
▲ 费曼:“物理学圣经” (《费曼物理学教程》)中的图磁力线的方向错了.
(3) 年轻、知识少不是障碍
在物理学发展中, 做出重大创造性贡献的很多是年轻人:
牛顿(1642 —1727)，万有引力定律，24岁(1666)
麦克斯韦(1831 —1879)，电磁理论的第一篇论文，24岁(1855)
爱因斯坦(1879 —1955)，光子理论, 相对论，26 岁(1905)
玻尔(1885 —1962)，原子结构模型，28 岁(1913)
海森堡(1901 —1976)，创立矩阵力学，24 岁(1925)
李政道(1926)，弱作用宇称不守恒，30 岁(1956)
杨振宁(1922)，杨—米尔斯场，32 岁(1954)；弱作用宇称不守恒，4 岁(1956)
约瑟夫森(1940)，约瑟夫森效应的理论，22 岁(1962)
德布罗意, 穆斯保尔, 约瑟夫森等人的博士论文研究工作就获得了诺贝尔物理学奖.
2. 要培养学生创新的想像力并掌握创新的方法
(1) 鼓励学生大胆想像, 想像是创新的源泉.
爱因斯坦:“想像力比知识更重要, 因为知识是有限的,而想像力概括着世界上的一切, 推动着进步, 并且是知识进化的源泉. 严格地说, 想像力是科学研究中的实在因素”
前辈科学家们都很会想象:
法拉第:电磁作用通过场来传递, 需要时间.
德布罗意:微观粒子同时又是一个波.
狄拉克:真空充满了负能态的电子, 其中的空穴就是正电子.
人们幻想像鸟一样在空中飞行才发明了飞机, 人们幻想到月球上旅行才实现了登月.
(2) 掌握创新的方法
学习归纳法：学习从实验事实的分析、归纳中形成概念和物理思想的方法.
培养创新的思维：逆向思维, 侧向思维、联想, 灵感、直觉、独创性、求异性、灵活性、跳跃性等.
3. 一些有利于培养学生创新精神的行之有效的教学方法
案例教学(典型事例分析);
讨论式、研究性教学;
专题研究、小论文.
引文格式 (根据GB-7714参考文献著录标准)：陈泽民. 基础物理教学的四个概念[J]. 物理与工程，2006，16（6）：4-10，28.
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