如何帮助物理系学生迈过从高三到大一这个坎
高三到大一不是万里关山，遥不可及，但也不是平坦大道，而是存在一个不高不低的坎。大一绝不是高四，有着根本的区别。用我们数学的语言说，这个坎可以用一个阶跃函数θ(t-9月1日)来描述。对不同的学生，这个坎的意义是完全不同的。有的人采取了正确的学习方法，或在老师的帮助下和同学间相互促进下，很快地迈过了这道坎，从此进入到自主和积极的学习阶段，四年的大学生活变得丰富多彩，也积累了丰富的知识，为今后的人生做好储备。然而也有很多学生在迈这道坎时痛苦不堪，经历着天翻地覆的改变，当然最终绝大部分适应了大学的学习和生活的节奏，开始享受大学的美好。但有那么一小部分人，即使到了大学毕业，甚至终身都没有迈过这道坎。他们有的成了物理教师，会算很复杂的习题，但从来没有进入过学习物理、研究物理的自由天地！有一个学生在毕业前很沮丧地问我：“我学了力热声光电的普物、四大力学、数理方法，还有许多专业课，可是你看，到社会上我能干什么啊？”他的问句凸显了我们教育中的一些缺失，归根结底是没有帮助他迈过这道坎。下面我们试图从各个方面来论述这个问题。
1 什么是物理，什么是物理学
物理是自然界最基本的规律，而物理学是研究体现这些基本规律的基本法则的科学，也是应用这些法则的实用科学，可以自豪地说，它是一切自然科学的基础，是一切技术(特别是最先进技术)的根源。物理学是研究物理规律的学术成果，是多年来人类，特别是物理学家智慧的结晶。物理规律亘古不变(这有点值得怀疑)，但物理学是不断发展的，旧的观念和理论总是被新的实验证实或证伪，被新的研究成果所代替和改进，从而建立新的理论。
物理学又分为基础物理和应用物理两大部分。基础物理是根本，但它远远不是完善的，牛顿定律、相对论(狭义和广义)、量子力学等等都不是终结理论，都在不断改进，这是大家所共知的。事实上，历史中很多大科学家(如拉普拉斯，霍金等)都在幻想建立包罗一切的万有理论，在过去的一个世纪我们看到许多这种尝试，但无一不是以失败而告终。人类对自然界的探索是没有尽头的漫长之路，而这也正是物理学的魅力所在，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”正是物理学家们艰苦探索的真实写照。物理原称“格物”是要探寻自然界的一切。然而自然界是那么错综复杂，人们的探测手段和取得的成就在自然界眼中是那么渺小， 我们又怎么能期望完全了解浩瀚宇宙的奥秘呢。
物理的规律是人类在不断的探索和实践中积累的，物理学又分成运动学和动力学，前者是用各种手段测量各种系统的物理量(力学，电磁学，热学等等)，而后者是猜的，然后再应用到实践中去证实或否定，从牛顿力学到量子论都是如此。那让学生怎么领会这一点呢，我认为中学的老师就是不愿意明白地告诉学生这一点。其实不是他们不愿意让学生了解做学问的真谛，而是怕学生误入歧途，整天思考“大物理”而忽略了扎扎实实学习前人取得的完美成果。说老实话，民科(民间科学家)就是这样陷到胡思乱想的不现实的泥坑中。但到了大学阶段，我们就必须逐步告诉学生，科学是怎样发展的！
2 在大学中学什么，我们要教学生什么
很久以前就存在一个错误的概念：大学四年中可以学会一切有用的知识，毕业后就什么都会了。今天这个观念推迟了，普遍认为当了硕士、博士乃至博士后就应该什么都能干了，再推迟，社会上认为院士是通晓天下，无所不知。这其实是对知识的误解，也是亵渎。世界上没有谁能把一切知识都装到脑海中。隔行如隔山，在一个领域中的专家到了他不熟悉的领域就连一个本科生都不如。我们看到许多的“民科”本人是博士，在自己的领域中是专家，但他总想跨界到他不熟悉的领域去指手画脚，硬充内行，做出很多可笑的事。当然，我并不反对他关注其他感兴趣的新领域，但他应该明白，他应该从基础学起，了解了新领域的ABC，再向新高度攀升，而不是自以为先知先觉地说这也错，那也错，建立一套完全没有根基的荒唐“理论”，最后贻笑大方！其实这正是从高三到大一这个跃迁的缩影，只是绝大多数民科不认可这个跨越而已。民科的无知(特别是对理论物理领域)启发了我们对大学一年级教学的思考。其实，大学的物理教育是培养学生的学习本领，获得对现代物理知识的理解，建立思考、分析和得出结论(粗浅的和深刻的，创新的)的能力。关键是如何学习、领会和获得新知识，以及如何消化它、提升到新的层次，即学习更深奥的知识以及运用已获得的知识去为社会服务。
回想起我大学毕业分配到了一个工厂(“文革”期间，能到一个工厂当“工人”已经是运气了)，当然人家也希望我们做点技术工作，可我的确什么都不会，量子力学绝对帮不上忙。想比之下，同时分到工厂的工科毕业生几乎立刻就能投入工作，显示内行的熟练，当然受到工厂领导的高度评价，而我们被讥笑为无用的书生！半年过去了，怎么样了，我们物理系毕业的学生不仅掌握了工厂所有部门的关键技术(不是一个人哟)，而且有了技术创新，几年后我们主导了新产品的开发。原因不在于我们比工科学生聪明，能干，而是在于我们多年培养出来的学习本领。我们从最根本的原理出发，学会已有的知识，想一想为什么这么做(能“想一想”确是我们高明之处)。我并不想贬低工科学生，他们有很多长处，但我们的优势就在于我们能学习，会学习！当然，一些工科毕业生通过不断学习新知识和深入钻研，在本领域也做出很多突破性的工作，取得瞩目的成果。
所以我在面对大一的学生时首先强调这一点，而我后面要探讨的问题也正是围绕这一点展开的。我们不是希望学生大学一毕业就成为专家(少数学生也许可以)，而是给他们指出，或者说开启了一条通往科学巅峰的崎岖道路，至于能否到达顶峰是要看他今后的努力和“运气”了。我们强调这点，是根据无数前辈(无论中外)的经历总结出来的。大一的成绩，乃至大学毕业真的只是万里之行的开始啊。懂了这一点就不至于成为“民科”。现在的“民科”只要认识到这一点，也可以脱离民科的苦海，走到专业的行列中。
3 如何达到这个目的
现在让我们进入比较具体的讨论吧。课是一门一门学的，授课老师一般有意识地帮助学生巩固以前课程得到的知识，也为下一门(几门)新课做好准备，也许是为今后课程做好铺垫。教课分很多档次，不同的老师教学效果可能千差万别，教师的风格不同，不同类型的学生从中得到的收获也不完全相同。除了那些不负责任的老师外(也许他们不配被称为老师)，有的老师是启发型的，很多内容点到为止，要学生自己多体会，课后要复习，课前最好简单预习一下，这样的讲授方法对“好”学生特别有益，他们不需要老师把一切掰开揉碎地讲，而需要学更多的东西，触类旁通。一位物理学资深前辈在一次报告时就提到，他在上学时，有时候老师在黑板上推导公式时卡壳，“挂在黑板上”，这时这位前辈说，他强迫自己和老师一起想怎么往下走，有时老师先想出来在哪出了问题，但有时他比老师更先想出答案，如果他没想出来，而老师继续下去时，他就要分析自己为什么没想出来，在这样循环往复积极思考中受益。但有的老师是喜欢非常有逻辑地、一步不缺地、仔细分析，讲解、哪怕一个最小的细节也不忽略，用漂亮的板书或精美的课件把该课内容完美地展现。这样的授课方式比较接近中学的做法，因而很受一般学生，特别是刚刚走入大学门的一年级新生的欢迎，这是因为他们太适应中学的习惯了，还不具备大学生需要的自主思维方式。我们遇到过一年级学生问：老师，您为什么不多讲讲题，把每一道题从开始到结束完整地讲讲清楚，告诉我们所有细节。我的回答是：这是中学的教学方式。大物理学家费曼在他的教科书后面不设习题，他安排讨论，要学生通过讨论自己设置题目，自己去解决。习题是什么？习题是前人研究过，并有确切答案的工作，有很多习题是故意把问题搞复杂，设置几个陷阱，甚至类似脑筋急转弯，做很多这样的题对理解物理真谛没有多大帮助。费曼的观点就是要学生通过学习，理解物理，为做创造性研究做好准备。我们认为习题是为了加深对物理概念的理解而做的辅助工作，本身不是研究，充其量是为将来做研究积累技术上的经验和能力。学生不需要做很多习题(像中学那样的题海)，而是要学会通过解不同类型的习题，理解题目后面的物理图像，巩固和加深对物理的理解，为下一步的学习乃至将来的科研打好基础。绝不是为了应付考试，那种以做题为乐(作者年轻时也不免如此，做科研，教学生后才觉醒)，只是为了考试高分的作法真害了年轻一代，扼杀了许多可能有为的才俊。
大学教育的目标是什么，当然是培养出对国家、对社会有益的人才。要成为有用的人才，就要有本事，而不是庸才。那就要从大学开始。真不是瞧不上中学老师，他们中绝大多数也曾是精英，但应试教育把那些英才压垮了，他们只能日复日地给学生讲解题技巧，重复最基本的东西，而不能涉及物理的新发展，最多是所谓“开天窗”，介绍一点新知识。他们很多人也是物理学博士啊，涉猎过科学的前沿，但为了学生高考成绩，升学率，他们放弃了所有的专业。当然看到学生考入北大清华，对他们的付出和汗水也是一种回报吧。
那么我们大学物理教学的任务呢？我认为就要弥补中学教学的欠缺，使学生回到正确的学习轨道上来。为达到此目的，我上面讨论的两种不同的教学方法，哪种更优越一些呢？我没有标准答案。但我可以肯定地说，我们的物理教学目标是让所有学生成才。这个成才并不一定是成为物理学家。我有几个学生在得到博士学位后改行，成为了各行各业的佼佼者。他们有一个共同点，就是物理思想成了他们的主心骨，指导他们实现自己的梦想，开创自己的事业，尽管这些行业看上去和物理相差十万八千里！
4 具体的方法
上面探讨了一些原则上的想法，下面就具体研究怎么帮助大一的学生迈过从高中到大学的这道坎。
从高三到大一虽然不是万里之遥，但也不可能一步迈过。中学时，学生时时刻刻在老师和家长的监督之下，任何困难都有老师细心指点、帮助。那时，能自主学习的学生只占很小的比例，大部分学生淹没在题海中，很少深入思考。而到了大学，情况完全不同了，学习主要靠自觉，老师的作用是指导和帮助，而不是事无巨细地手把手教。再说时间也完全不同了，中学时，早上7点到校的早自习到晚上9点晚自习结束(有的还要晚)，都泡在学校，由老师监督学习、做题，有任何需要，老师就在身边。而到了大学，每周的专业课(一年级时普物和高等数学)也就是有限的学时，其他时间完全由自己支配。很多学生一下子从严格管理(没有多少自由支配时间)到充分自由，这个变化太大了，简直是个相变。很多孩子不适应这个变化，特别是中学时，老师会帮忙总结，把所学过的知识串起来。说实话，其实中学的物理教学并没有真正把一个学期或整个中学的物理、数学内容综合起来，也就是有机地串起来，而是学生对每个部分的习题都会做就达到要求了。但是大学要培养优秀的物理学工作者，一个重要的因素就是能把各个领域的知识，力学，热学，电磁学，到量子力学的内容有机地吸收，融会贯通，因而学习方法必须跟上。在我大学一年级时，也很迷茫，不知道怎么把课程学好。在一次座谈会上，一位老教授给我(当然也有别的同学)建议了一个很有效的方法：学完一章，就合上书，给自己从头到尾讲一遍，中间卡壳了，就翻书，或请教老师，或与同学讨论找到答案，学完一门课，就给自己讲这门课的全部内容。当然最好几个同学组成一个小组，互相讲，互相提问，共同提高。这是非常有效的方法，使我对整个课程有了全面的，而且是有逻辑的理解，能达到融会贯通(我这样理解，但在专家眼里，可能还是挺肤浅的)，直到我出国攻读博士，我仍然这样做，受益很深。我一直建议我的学生(从大学一年级到博士)采用这个方法。其实我们做教师的，有时在讲授一门基础课程时，也会有新的感悟(我称之为顿悟)，这是所有老师的共同体会吧。
开天窗是很好的方式，在完成基础教学内容时，开开天窗，介绍一点教师自己的研究领域或科学的前沿成果。并不需要学生全懂，但让他们看到物理的广袤天地和发展前景，启发他们的思维，促进他们努力学习，追求更高层次的热情。
我们学校组织“今日物理”讲座，邀请全国知名专家、学者来给学生做学术报告，介绍最新科学成就、研究方法，乃至科学家的一些有趣的轶事，如“从牛顿炒股讲起”，不同年级的学生都可受益。我们鼓励大一的新生去听“今日物理”讲座，不管全部听懂还是部分能听懂(我们叮嘱讲演者注意降低专业水平，尽量用学生可以听懂的语言，减少专业术语)，都很受益。我记得当我自己听大师讲座后，懂得了很多我以前没想到过的东西，并感到巨大欢欣。这种美妙的感觉是很难用笔墨形容的。我相信，大一的学生也有这种感觉。特别要指出的是，学生大多数是“追星族”，我们请的讲演者名气越大，如国内外杰出学者、院士、诺贝尔奖获得者等，学生参加讲座的热情越高，听得越专注，收获也就越多。但最根本的是讲演内容要让学生至少能听懂一些，这样他们才有兴趣，下次还来听讲座。
5 低年级学生的科研工作
多数学生对物理有兴趣，对科研有神秘感，想尽快参加到科研队伍中，希望能得到一些成果。这种积极性是很宝贵的，是需要保护和鼓励的。但也可能产生副作用和反效果。特别要注意一些学生为了拿到“成绩”的急功近利的做法，反而影响了他们的学习。
我认为一些适当的理论或实验方面的科研活动是很有益的，但不能过分超出大学一年级学生的知识范畴，拔苗助长的做法会有一时的成绩，但从长远说来会毁掉一些有潜力的好苗子。我给一年级学生出过几个他们可以做的科研题，例如，他们学完了热学和电磁学，我建议他们研究一下在电或磁极化某种材料时系统熵的变化，此题可深可浅，做好了可能达到在专业杂志上刊登的水平，然而很少有学生深入做下去，也许对他们来说是难了些。他们大部分愿意去某个老师的实验室参加做一些科研辅助工作。我绝不是轻视实验研究，但我觉得做低级科研辅助，不如做些独立研究对成长更有益。当然，我的这种观点是可以讨论的。
在这我也想补充地说一句，对新大学生来说，各种诱惑太多了。大学的课外活动五彩缤纷，从交际舞到羽毛球，五花八门的社团活动对刚脱离中学清教徒般生活的一年级大学生诱惑太强烈了。我想老师(特别是辅导老师)有责任建议这些17～18岁的孩子有节制地选择参加一些社会活动，不要影响学习。当然健康的社会活动不仅不会影响学习，反而会起到促进作用。显然，过度的电脑游戏绝对是大学教育的杀手。多少在中学中曾是学霸的优秀学生，在大学一年级就不断挂科，最后不得不放弃他们原来钟爱、愿为之献身的物理学。因此严格管理自己，同学间的互相提醒和帮助是不可缺少的。
6 关于先施计划(CAP)
先施计划(CAP)是一个帮助有志成为物理学家的优秀中学生提早接受大学教育的教育部项目。CAP的具体内容已经有很多专文介绍了，我就不再过多涉及。我只想对中学生做一点建言。先施计划是一把双刃剑，用好了，教和学对路子了，可以得到非常好的效果，对成功跨过从高三到到大一这道坎是非常有益的，然而，任何事情都有反面。首先是选材，过高和过低都有危害，也许我们以后会做专门评论。无论如何CAP目前在我国还是在试验阶段，它的优点应该肯定，缺点在不断克服，但可以肯定的是它会越办越好。
7 不是结论的结论
我们的目标是培养对国家，对社会有贡献的物理学工作者。实际上，物理作为一种精神存在于每一个物理科学的毕业生的灵魂中。它不是具体的公式，也不是某种图像或理论，而是潜移默化地指导他们思维、判断和行动的精神，鼓励这些毕业生不断进取、创新。事实上，这些受过物理学严格训练的学生，将来不论做什么工作，甚至工作在看起来和物理完全无关的领域，终生都会自觉或不自觉地按照物理学的严密的逻辑思维方式来处理一切，这是成功的保障，因为物理的思维方式就是自然的规律。虽然物理学有一定的近似，但在人类不断实践中在不断修正和提高。
我们肩负的责任就是让这种逻辑思维和进取、创新的精神置于大一新生的脑海中，让他们沿着前辈开创的道路前进。做到这一切，首先就是让他们跨过从高三到大一的坎。很难吗？是的，但知难就不难了。
致谢： 感谢刘玉斌教授的帮助，从相互交流中受益良多。
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