包景东教授和他的《物含妙理》之教学篇

内 容 简 介

本书尝试剖析诺贝尔物理学奖获得者、被誉为“科学怪才、教育楷模”的费恩曼（R. P.Feynman）先生的多重性。回顾他的成长过程、历数他的十大贡献、总结他的教学风格。学着像他那样思考和处理问题，即重视相关性、类比性和思想实验。本书结合普通物理的有趣案例，设计了“追本溯源，道破天机；逻辑分析，想象助力；意料之外，情理之中；触类旁通，悟出真谛；他山之石，可以攻玉；学术争论，求实为先；思想之魂，启迪未来”等10 章。特别为《费恩曼物理学讲义（第1 卷）》配备了100 道问题及分析；还可通过扫描二维码获取相关内容的授课录像和扩展材料。

本书适合作为高校各专业本科生学习大学物理及通识课程的辅导用书，大中学物理教师改进教学方法的参考资料，也可作为广大读者了解科学美学的有益读本。

前言

2018 年是诺贝尔物理学奖获得者费恩曼(R. P. Feynman)诞辰100 周年。在我们迈向高等教育强国的新时代，重温这位“科学怪才、教育楷模”的成长途径、思维方式及研究风格，非常具有借鉴意义。

诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生在多次谈话中比较了中美教育方式的不同。他提到中国传统教育提倡按部就班的教学方法，这有利于学生打好根基。美国提倡“渗透式”或称为“体会式”的教育方式，其特点是让学生在过程中一点一滴地学到许多东西。费恩曼轻描淡写地讲清楚了后者：的确，一个学者在一门课程中所作的全部论证，并不是他一年级从学习大学物理时就记住的。完全相反：他只记得某某是正确的，而在说明如何去证明的时候，需要的话，他就自己想出一个证明方法。无论哪个真正学过一门课程的人，都应遵循类似的步骤去做，而死记证明是无用的。国际物理教育奖章获得者赵凯华先生认为，中美两种教育方法各有特色，若能将两者的优点和谐统一起来，则在物理教育上是一个突破。突破的结果应该是达到我国古代思想家和教育家孔子所言的“有教无类”“因材施教”的境界，也就是费恩曼所期待的两点：

(1) 对于班级中最聪明的学生而言，试图使所有的陈述尽可能准确，在每种场合都指出有关公式和概念在整个物理学中占什么地位，以及应该作出哪些修正；

(2) 也希望照顾到另一些学生，对他们来说，这些额外的五花八门的内容和附带的应用只会使他们烦恼。对这些学生，我希望至少有一个他能够掌握的中心内容或主干材料。

费恩曼最反对的是“用字解释字”，即望文生义，因为这种简单的做法没有提供更多有用的信息，而是希望能跳出原来的命题，用生动的实例，用建立“思想实验”和类比的方法，借助于已知现象来解释新的现象。在费恩曼看来，这是数学物理学的伟大艺术。所以，他自豪地表白：科学真正的荣光在于我们能够找到一种思想方法，使得定律成为明显的。如果可能的话，赋予自然以某种机制，但又不至于预言其他实际不存在的现象。在你着手做实际的实验或者大规模的计算之前，不妨先考虑做一个“思想实验”(ideal experiment)。之所以要选它，是因为它易于想象。费恩曼将这种实验定义为：“就是所有的初始条件和最终条件都完全确定，没有我们无法计及的任何外来影响的实验。”显然，这依赖于你的知识储备和批判性思维能力。

批判性思维是培育创新性能力的前提，指的是能抓住要领、善于质疑辨析、基于严格推断、富于机智灵气、清晰敏捷的思维。孙中山先生为中山大学题写的校训：“博学、审问、慎思、明辨、笃行”，是诸多校训中最能体现这一思维的范式。物理学的发展历程及对它的研学，为人们养成合理的批判性思维意识提供了广阔的平台。所以，像费恩曼那样生动幽默并辅以批判性思维地进行教与学是新时代的要求，其关键的要素是事例加上对事业的激情。有关费恩曼先生的传记[1]、讲义[2-4]、专题[5-10] 和评论等，已有很多。作者基于追随和研究费恩曼科研[11;12] 和教学[13] 思想的二十余年积累，希望能够提纲挈领地探讨并渗透式地应用费恩曼的物理思想，可以归纳为一句话：科.学.的.怀.疑.精.神.、做.事.的.求.实.态.度.和.区.分.真.善.的.能.力.。本书大多数素材和问题来源于大学低年级的物理课程，不仅因为它的基础性和先导性，更重要的是力学问题明确而具体，物理原理清晰而简单，数学运用直接而有趣。

书中若有不当和疏漏之处，请广大教师和读者不吝指正。

本书得到国家自然科学基金重点项目(11735005)、面上项目(11575024)，教育部国家精品视频公开课建设项目，北京市教育委员会教学名师共建项目，北京师范大学研究生院“科学方法论”、教务处“大规模在线课程”等课题的资助，谨致谢忱。

包景东

2018 年4 月于北京师范大学

目录

前言/ I

第1章 科学怪才、教育楷模/ 1

1.1 走近费恩曼............ 1

1.1.1 他的自撰和他人写的介绍............ 1

1.1.2 费恩曼学说中国话............ 3

1.2 费恩曼的成长轨迹............ 4

1.2.1 碰到难题不解开绝不罢休............ 4

1.2.2 求学历程............ 8

1.3 费恩曼在科教上的成就............ 11

1.3.1 历数十大贡献............ 14

1.3.2 费恩曼在史上最伟大物理学家中的位置............ 18

第2章 追本溯源，道破天机/ 21

2.1 费恩曼的知识观............ 21

2.1.1 藐视用字解释其他的字............ 21

2.1.2 讲学前给自己的警示是什么？............ 25

2.2 力学文化............ 26

2.2.1 费恩曼问：为什么可以用矢量？............ 30

2.2.2 费恩曼如何讲相对论力学............ 31

2.3 探讨一串现象并找出规则............ 33

2.3.1 导数和积分的起源............ 33

2.3.2 在三种坐标下计算速度和加速度............ 35

2.4 从简单模型中悟出真谛............ 38

2.4.1 阿特伍德机的启示............ 39

2.4.2 抛体运动与弹道曲线............ 40

2.4.3 斜面上的非惯性参考系............ 42

第3章 逻辑分析，想象助力/ 44

3.1 批判性思维............ 45

3.1.1 批判性思维的特点是什么？............ 48

3.1.2 发展批判性思维的意义何在？............ 49

3.2 客观、美学和想象力............ 51

3.2.1 客观性结合想象力............ 51

3.2.2 物理的河，喜悦的河............ 55

3.2.3 物理定律的本性............ 56

3.3 将逻辑思维作为抓手来解题............ 58

3.4 费恩曼模式助推教学研究............ 60

第4章 意料之外，情理之中/ 65

4.1 史上最伟大的定律............ 65

4.1.1 费恩曼机灵地描绘弱的引力............ 66

4.1.2 从行星椭圆轨道引发的探究............ 70

4.2 仿照费恩曼提一些奇趣问题............ 75

4.2.1 你能超过重力加速度吗？............ 76

4.2.2 多普勒效应：你交通违章了吗？............ 79

4.2.3 是热还是功？............ 81

4.2.4 多冷才算不热？............ 83

4.3 量子思维............ 84

4.3.1 应以抽象的方式来理解原子............ 85

4.3.2 费恩曼解释电子双缝干射............ 85

4.3.3 诗和远方是一对测不准变量............ 88

第5章 触类旁通，悟出真谛/ 91

5.1 费恩曼用特有的方法研究主流问题............ 91

5.2 像费恩曼那样地思考............ 93

5.2.1 探究最基本的问题............ 94

5.2.2 问题变得越复杂，也就越有趣............ 96

5.2.3 以费恩曼为标杆，我们缺什么？............ 101

5.3 比拟—— 智力的惯性............ 103

5.3.1 举重若轻............ 103

5.3.2 心中抹不去的那片云............ 104

第6章 他山之石，可以攻玉/ 106

6.1 突破心智障碍，“玩”物理............ 106

6.2 费恩曼轰炸：请举出一个例子............ 109

6.3 用直观方法处理超前问题............ 110

6.4 社会物理学............ 116

6.4.1 麦克斯韦速度分布............ 116

6.4.2 无处不在的熵变............ 119

6.4.3 社会磁性............ 124

第7章 学术争论，求实为先/ 126

7.1 “野狐禅科学”与科学品德............ 126

7.1.1 什么是“拔靴带”模式?............ 128

7.1.2 什么是“费恩曼式”实验？............ 129

7.2 费恩曼性格的另一面............ 130

7.2.1 费恩曼鉴别吹牛科学的方法............ 130

7.2.2 费恩曼科学观集萃............ 131

7.3 超越费恩曼............ 135

7.3.1 费恩曼的首秀—— 赫尔曼-费恩曼公式............ 135

7.3.2 费恩曼所用的布朗运动公式之改进............ 137

7.3.3 费恩曼的绝笔—— 变分路径积分............ 143

第8章 思想之魂，启迪未来/ 148

8.1 费恩曼棘轮与爪诱发分子马达研究............ 149

8.2 引力波与费恩曼的机灵............ 153

8.3 费恩曼与量子计算机............ 156

第9章 物理智趣，思维训练(为《费恩曼物理学讲义》配题) / 159

9.1 思维训练诸要素............ 160

9.2 力学50 题............ 162

9.2.1 能力测试............ 162

9.2.2 结果分析............ 173

9.3 热学50 题............ 184

9.3.1 能力测试............ 184

9.3.2 结果分析............ 193

第10章 有费恩曼那盏灯，物理人不会感觉近黄昏(结语) / 206

参考文献/ 209

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（完）

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