关于对“非物理专业学生”物理教学中相关问题的认识

2017-10-09 贾贵儒刘玉颖 物理与工程

本文第一作者贾贵儒教授

本文发表在《物理与工程》2017年第5期。作者为中国农业大学理学院应用物理系的贾贵儒、刘玉颖老师。

1 对物理学的认识

物理学是自然科学的核心，是新技术的源泉。物理学中不仅蕴涵着先进生产力，同时也蕴涵着先进文化，对人类的未来起着决定性的作用。物理学不是一切，但是一切离不开物理学。你也许对物理学不感兴趣，但是物理学对你感兴趣。无论你是否喜欢物理学，你都必须严格地遵守物理学的规律，否则将受到物理学的惩罚。物理学的特征是：简洁、和谐、对称、统一、生动、活泼。“如果你讨厌物理学，那不是你的错：也许当年的老师不好”。^[1]物理学不仅仅是知识，更是一种思维方式，一种研究方法。物理学由思维方式、研究方法和知识3个层次的内容构成。物理学的思维方式和研究方法是人类探索物理世界奥秘的科学思想和科学方法的宝贵结晶。物理学中的每一个新概念的提出、新规律的建立、新理论的诞生，人们都经历了艰苦卓绝的探索过程，而其新成就又总是对人类社会的生产和生活产生重大影响，并使人们看待自然世界的观念得到更新、认识得到提升。物理学在20世纪取得了令人惊讶的成功，改变了我们对空间与时间、存在与认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言，使人类的生产方式、生活方式以及思维方式发生了深刻的变革。

2 对现代科学成就的正确认识

至今, 宇宙年龄约137亿年，太阳系年龄约50亿年，人类有文字记载的历史约5000年，科学进入定量研究仅400年。为了更形象地理解这些时间，如果我们用24小时来表示宇宙的137亿年，那么科学进入定量研究的400年则只相当于0.0025秒。我们要用0.0025秒搞清楚过去24小时所发生的所有事情，可以想象那是多么艰难。因此，我们现在对世界的认识是肤浅的、幼稚的、不确切的, 甚至可能是错误的，这是非常正常的。人们对科学的认识是一层层地深入，我们永远不必担心没有问题研究了，也永远不能说哪个问题研究透彻了。我们既不能苛求前人完美，又不能迷信权威永远是正确的。

科学是一种近似。科学发展过程是一个“排错”(“试错”)过程。人对事物的认识过程也是一个“排错”过程。从不犯错的人是不可能有所发现、有所作为的人。

3 对物理教学相关问题的认识

大脑是一个需要点燃的火炬，不是一个被填充的容器。把人的创造力诱导出来，培养创新人才，是物理学教学的重要目的之一。

我们常常把物理学作为提高生产力的手段，而忽视了物理学文化的一面。我们出版的大多数物理学著作仅限于叙述具体的科学知识，我们学习物理学就像外国人学京剧一样，只能是“形似”，很难“神似”。

爱因斯坦说：“所谓教育，是忘却了在校学的全部内容之后剩下的本领。”物理学家劳厄也有类似的表述。爱因斯坦对教育这种认识你是否可以接受？如果能接受，我们不得不思考的问题是：“剩下来的东西”是什么？如何才能给学生多剩一点？

非物理专业的学生，考试结束后有一部分物理公式他们长期不再接触，我们为什么要教这部分内容？从这部分内容中他们应该学到些什么？

3.1 两个容易使人误解的“定位”

(1)“教书”教育要坚持“育人为本”，不能将学生锻造成“工具”。教育的对象是“人”，不是“书” 39 37935 39 14940 0 0 1104 0 0:00:34 0:00:13 0:00:21 3619 39 37935 39 14940 0 0 1028 0 0:00:36 0:00:14 0:00:22 3620 39 37935 39 14940 0 0 950 0 0:00:39 0:00:15 0:00:24 2903。“教书”这个词使人容易误解，“教书”使一部分教师忽视了教育的对象的差别，不管讲台下坐的是哪个专业的学生，讲法完全一样；“教书”也使一部分教师将全部精力用来研究“书”，以至引着学生去钻牛角尖。例如，有一些教师热衷于一题八解、十解。科学是近似，钻这种牛角尖只能将学生引向歧途。

(2) “物理课是为后续课程作准备的一门重要基础课”在过去几十年出版的教材中很容易找到这句话或与其内容相类似的话。这种对物理学定位很容易被曲解。由于对物理学定位的曲解，一些学校、一些专业不学“相对论”，理由是：我们专业研究对象不会以光速运动，后续课用不着相对论的知识。以同样的理由，近些年来，出现了不上物理课的大学，也出现了20多学时的物理课，30多学时的物理课，40多学时的物理课，……

3.2 学习物理

学习物理学有几种方式，即阅读、思考、实践；注重培养学生提出问题、讨论、表达与展示等。

学习物理理论课重要的两种方式：阅读、思考。阅读与思考相辅相承，缺一不可。我们的物理教学整体上偏重于单纯灌输，满足于学生全部都听懂，放松了对学生主动钻研，花时间和精力去思考去消化知识的环节。教师授课的目的应该是帮助学生扫清阅读教材的障碍，而不是代替学生去阅读。从哲学上讲，在整个学习过程中学生是内因，是根本；教师是外因，是条件。教师如何为学生创造一种，“不是简单地灌输知识，而是让学生开动脑筋思考的学习方式”，这一问题值得我们研究思考。

3.3 要重视思维方式的训练

物理学由思维方式、研究方法和知识3个层次的内容构成。在物理教学中，不仅要教书本上有的物理学知识，而且要教书本上没有的物理学的思维方式和研究方法。正如爱因斯坦所说，“在学校里，教育的价值并不是学到很多知识，而是受到如何进行思考的训练，而这是不可能从书本上学到的”。^[2]高士其讲得更清楚：“思维科学是培养人才的科学。要培养一个人成才，很重要的一个因素在于科学的思维。因为单纯地进行知识与技术的灌输而没有一种正确思维方法来予以归纳整理和指导应用，是不能成为四化建设所需要的合格人才，它只能造成头脑僵化，缺乏应变能力和创造能力的一代人。”

爱因斯坦正是用自由思维重新审视了“时间”“空间”和“质量”等建立了几千年的概念，提出两条基本假设：相对性原理和光速不变原理。建立了狭义相对论。

物理学帮助学生正确地认识世界，并掌握正确的认识方法，培养学生独立思考、独立判断的能力。物理学在培养人的科学世界观、提高人的科学素质方面有着其他学科无法替代的作用。国内外一些优秀的大学，人文、经管、教育、医学和生命科学、地球和环境科学、法律、金融和经济学、企业管理咨询、哲学、国家政策等专业也开设物理学课程，也称为“通识”物理课程。针对学生专业特点设置相应内容和要求的物理课程。物理课程内容丰富，由浅入深，循序渐进，学生有了一定的基础后再学习难度较高的课程。本科生参加科学研究和训练，有专门课程培养学生实验研究、数据分析等能力。

3.4 要重视研究方法的训练

著名的俄国科学家巴甫洛夫曾经说过:“科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。研究方法每前进一步，我们就更提高一步，随之在我们面前也就开拓了一个充满着种种新鲜事物的，更辽阔的远景。因此，我们头等重要的任务乃是制定研究方法。” 采用一个好的方法，可以事半功倍，而方法不当，往往就会事倍功半。

例如，法国人路易斯·德布罗意用类比方法提出粒子也具有波动性。他原来是学历史的，其哥哥是研究X射线的物理学家。受他哥哥的影响，他对物理学有了兴趣。他注意到：在几何光学中光的运动服从光线的最短路程原理；在经典力学中质点的运动遵循力学的最小作用量原理；这两个原理具有相似的数学表示式。当时物理光学的发展已经证明了光具有波粒二象性。1924年，德布罗意将光学现象与力学现象作了类比研究：大胆推论提出，粒子也具有波粒二象性，即粒子也具有波动性，这种波动就称为物质波。接着德布罗意进一步类比，光的波长是λ=h/P(P是动量，h是普朗克常数)；既然物质粒子具有二象性，那么物质波的波长应该与光波的波长相似，即λ=h/P (P是动量，h是普朗克常数)，这就是物质波的波长公式。德布罗意基于类比作出的预言在1927年被电子衍射等实验所证实。

正如巴甫洛夫曾经指出的:“有了良好的方法，即使是没有多大才干的人也能作出许多成就。如果方法不好，即使是有天才的人也将一事无成。”

3.5 学习物理学要学出点哲理来

物理学“Physics”的原意是自然哲学。教授物理学必须要教出点哲理来，学习物理学也要学出点哲理来。要向大自然学习，从物理学原理、定律中得到启示，这对培养科学世界观，提高科学素养有着不可替代的作用。

例1“万有引力”对所有的人都是公平、平等的，但是我们每个人的体重却不相同。这个小例子告诉我们一个道理：“平等”≠“相同”。经常有人混淆这两个概念。

例2热力学第二定律：Q1=W+Q2，在热力学中：Q1是高温热源提供的热量，W是系统所做的功，Q2是系统向低温热源放出的热量。将热力学第二定律思想应用于经济发展时：Q1是资源消耗，W是国民生产总值(GDP)，Q2是对环境的影响。制约国民生产总值(GDP)的因素既有资源问题又有对环境影响的问题。

物理是一条闪光的思想的河流，每一个熠熠生辉之处都凝聚着科学家们智慧的结晶。注重物理学史，物理学家个人事迹的讲述。特别是对物理学家在实验事实中或实验结果中表现出来的怀疑精神、批判精神介绍。结合科学家的研究经历和知识规律来培养学生崇尚科学的精神。物理学有着丰富的人文底蕴, 在它的一个个定理、公式、概念里蕴藏千百年来人类通过各种手段来认识自然、改造自然, 丰富和发展人类精神文明宝库的各种经历。故在物理教学时,要结合人文素质教育, 即要向学生介绍历史上著名物理学家的高尚品德和情操, 培养学生的爱国热情和社会责任感; 又要模拟物理学家的科学发现过程, 在学习体验中培养学生的怀疑、批判精神。这样, 学生即学会了做事, 又学会了做人, 从而使学生全面、和谐、健康地发展。培养科学素质，创新精神和科学美感。

3.6 非物理专业的学生学习物理学的目的就是一个字： “用”

400年前培根讲：“知识就是力量。”今天我们应该说，“会使用的知识才是力量，不会使用的知识不是力量。”非物理专业的学生学习物理学的目的就是一个字：“用”。

非物理专业的学生通过学习物理学，了解物质的基本结构、基本运动形式及相互作用规律，理解物理学的思维方式和研究方法。用物理学的思维方式、研究方法和知识，（1）提高他们自己获取知识的能力；（2）提高他们的科学素养；（3）提高他们用物理学思维方式、研究方法和知识来研究自己专业的能力。

每个人的“本能”是父母DNA的遗传，但其“能力”只有靠自己学习、锻炼才能不断地提高。

无数成功者的经历都证明，创造能力与知识的多少成正比。成功，取决于人的能力；能力，则取决于人的学习。学校里学的东西是十分有限的。自己获取知识的能力是所有能力中最重要的，只有不断更新自己的知识结构，才能不断提升自己。

3.7 不能用物理系的教学模式去教“非物理专业的学生”

物理教师都受过多年的物理教育，习惯于教学严谨度高。近几年取消了助教阶段，新教师上课确实遇到了困难。新教师初上课时很容易想到他的老师是如何给他讲这部分内容的，忽视了教育对象的变化，于是就按他老师的上课方式去上课，即按物理系的教学模式去教非物理专业的学生。一些新教师上课时很容易犯贪多求全，大量地引入数学推导和证明，而不能抓住典型问题作深入分析，结果是“有些物理学家把他们的物理学知识藏在数学的迷雾里，把外行人都吓跑了”。^[2]

2004年诺贝尔物理学奖得主维尔切克讲：“你不必为了欣赏《费加罗的婚礼》而像莫扎特一样去作曲。与此类似，你也不必为了用美妙的现代物理概念丰富你的生活而去精通现代物理的技术细节”。^[3]爱因斯坦名言：“一切应尽可能简单，但不能过分简单”。^[4]此话对物理教材和物理课程同样适用。物理学并非就是数学，数学是物理学的“工具”；但如果没有数学，想要完全了解物理学是不可能的。

激发学生学习物理的兴趣，将物理学的学习与专业的发展需要密切联系起来，使学生体会到物理学在学生所学专业中的重要性，增强学生学习物理的主观能动性，这是有效地提高大学物理课程的教学质量的重要手段。让非物理专业的学生学习不会用的物理知识不仅浪费他们的精力，而且会使他们对学习产生厌恶情绪。

物理课可以是最引人入胜的，也可以是最令人生厌的，就看如何上这门课了。

3.8 “大学物理学”课程应该与专业相结合，且保持一个基本体系

20世纪30年代康普顿担任麻省理工学院校长时提出：“没有第一流的理学院，就没有第一流的工学院。”在优秀的大学中，“物理学应该是本校主流学科的支撑；本校的主流学科应该是物理学的依托。即物理学要不断地为本校主流学科提供新思想和新方法，主流学科要不断地为物理学提供研究的问题。”物理学不与本校主流学科相结合，物理学很难受到学校的重视。缺少多学科的交叉融合，学校也难成为一流大学。

用物理学的思维方式、研究方法和知识提高学生们的科学素养、创新能力和获取知识的能力等是物理教学中的共性问题。用物理学思维方式、研究方法和知识去研究学生自己的专业，是物理教学中的个性问题。教育学中要求备课要“备对象”。你教哪个专业的学生，就应该将那个专业的主要教材借来阅读一遍。将物理学的学习与专业的发展需要密切联系起来，使学生体会到物理学在学生所学专业中的重要性。生命专业是中国农业大学的主流专业。从物理学看生命，其特征是：“非线性、非平衡态、开放的复杂巨系统。” 这4方面知识的绝大部分都是近60年发展起来的，在多数物理教材中看不到。为了民族的明天，为了学生的明天，我们不能只教300年前的物理学，也必须讲授今天的物理学。例如对于医疗专业的学生所需物理学，可讲授诊断和治疗工具所需的物理学知识：血压，核磁共振，脑磁描记法，正电子成像术，超声波，放射疗法等系列课程。

物理学由思维方式、研究方法和知识3个层次的内容构成，不学习物理学知识，很难理解物理学的思维方式和研究方法。例如，不讲“相对论”，如何理解相对论的思维方式——自由思维？如何理解相对论的研究方法——探索性演绎法？爱因斯坦建立相对论已经100多年了，不讲“相对论”，你培养的学生在思维方式研究方法上已经落后了100多年，让他如何赶上世界先进水平？

物理学培养的是一种想象力。物理学学习的是一种思维方式。为了人才的培养，为了学习物理学的思维方式和研究方法，“大学物理学”课程内容必须保持一个基本的体系。注重相对论和量子物理的内容，教学内容与时俱进。

3.9 科研寓于教学工作，教学相长，培养学生的科学思维能力

钱伟长曾经讲：“你不上课，就不是老师；不懂得科研，就不是好老师。教学是必要的要求，不是充分的要求，充分的要求是科研。科研反映你对本学科清楚不清楚。教学没有科研底子，就是一个没有观点的教育，没有灵魂的教育。” 钱伟长的这段话不长，但对教学与科研的关系分析得十分透彻。近些年我多次引用钱伟长的这段话。物理教师必须参加科研工作，科研工作最锻炼人的思维、分析、判断能力。要用科学研究的方法进行教学研究。不参加研究工作的人很容易去钻“牛角尖”。

科研寓于教学，对于英语和专业水平较高的本科学生，可以进行“学研结合”与科学思维训练。可以以英文教材为载体，让学生先仔细认真研读英文原版教材；经过一段时间的积累，当学生的英语水平和专业水平达到一定高度时，鼓励学生阅读相关的科研论文以及国际上最新科学研究进展，扩展学生的知识视野，增加学生的专业知识和英语的知识储备。同时对学生进行科学研究训练，自行选课题、自行设计实验，做实验，撰写论文；为以后学生进行科学研究提前作好准备。

要求学生在每一章结束时，自己总结出重点内容。传授知识，是基本层次的要求，教师在教学中要引导学生发现物理中的美，激发物理的学习兴趣；介绍科技前沿，把科研思路、方法带入课堂；要让学生学会学习、学会思考、学会获取和处理信息，学会发现问题，提出、分析和解决问题。教学过程中教师要平等交流；教授知识，更是教授方法，培养学生的自学能力，培养学生能够抽象出问题，进而能够分析问题，找到解决问题的思路和方法；帮助同学们尽早完成从学生到学者的转变。

4 结语

本文介绍了对“非物理专业学生”进行有效的物理教学相关问题的认识：学习物理要重视思维方式、研究方法的训练；“大学物理学”课程应该与专业相结合，其内容保持一个完整的知识体系；注重“非物理专业学生”学习物理的应用性，用物理学的思维方式、研究方法和知识提高学生的科学素养和获取知识的能力。不能用物理系的教学模式去教“非物理专业的学生”；注重物理教学的文化特色和哲学性；科研寓于教学工作，教研相长，培养学生的科学思维能力；帮助学生尽早完成从学生到学者的转变。

真诚地欢迎您的批评，借用您的智慧，完善我们的思想。

参考文献

[1]穆勒．未来总统的物理课[M]．李泳，译．长沙：湖南科学技术出版社，2009：2.

[2]Jossem E L，郭有江．爱因斯坦的教育观[J]．物理与工程，2005，15（3）：1-11.

Jossem E L, Guo Youjiang. Einsteins ideas of education[J]. Physics and Engineering, 2005, 15（3）： 1-11. (in Chinese)

[3]维尔切克．奇妙的现实[M]．丁亦兵等，译．北京：科学出版社，2010: 序.

[4]徐一鸿．爱因斯坦的玩具[M]．张礼，译．北京：清华大学出版社，2013:17.

引文格式:贾贵儒,刘玉颖. 关于对“非物理专业学生”物理教学中相关问题的认识[J]. 物理与工程,2017,(05):10-14.

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