劉全慧

摘要：把物理學(xué)知識(shí)教活、教深、教實(shí)，把物理的本質(zhì)展示給學(xué)生的過(guò)程，也就是通過(guò)物理知識(shí)的傳授培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力的過(guò)程。本文從研究物理學(xué)的靈魂和本質(zhì)出發(fā)，通過(guò)介紹、引申和發(fā)展一些物理大師在物理內(nèi)容、教學(xué)方法和課堂安排等方面培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為培養(yǎng)創(chuàng)造性是物理教學(xué)的靈魂。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)的本質(zhì)；物理教學(xué)；培養(yǎng)創(chuàng)造性

物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容上如何深廣兼顧?如何把物理學(xué)知識(shí)教活、教深、教實(shí)?是兩個(gè)彌久恒新的研究課題。這些問(wèn)題本質(zhì)上要和學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)聯(lián)系起來(lái)。

一、什么是物理學(xué)的靈魂和本質(zhì)

物理的靈魂指最具活力最現(xiàn)神采從而能表現(xiàn)物理特征的部分，物理的本質(zhì)指具體物理問(wèn)題的根本原因。通過(guò)了解一個(gè)個(gè)具體問(wèn)題的物理本質(zhì)才能深切感受什么是物理的靈魂。

形象地說(shuō)，“頂天立地”是物理的靈魂!何謂“頂天”?就是物理學(xué)不斷深化和演化中的概念體系，常常是一系列高于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的假設(shè)和邏輯判斷。何謂“立地”?立地就是要聯(lián)系實(shí)際。單純的立地可能最多不過(guò)是經(jīng)驗(yàn)理論，觸及不到深刻的本質(zhì)；而單純的“頂天”可能不過(guò)是形而上學(xué)，無(wú)法和實(shí)際相聯(lián)系。物理的“頂天立地”是有機(jī)的一體：“頂天”須“立地”，“立地”必“頂天”。提出自旋概念(頂天)是要解釋堿金屬原子的光譜的雙線(xiàn)結(jié)構(gòu)(立地)；愛(ài)因斯坦將玻耳茲曼的理論發(fā)展到理想晶體(項(xiàng)天)，目的在于給出固體的熱容量(立地)；Pauli從“地面”上氫原子能譜中，看見(jiàn)的是“天上”氫原子體系的動(dòng)力學(xué)對(duì)稱(chēng)性等等。物理常是從高于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的假設(shè)和邏輯判斷出發(fā)給出鮮活實(shí)際應(yīng)用，其勃發(fā)的生命力其實(shí)是對(duì)人類(lèi)理性的禮贊。

逐本求源是抓住一個(gè)具體問(wèn)題的物理本質(zhì)的關(guān)鍵。Dirac說(shuō)過(guò)，原來(lái)他認(rèn)為正則對(duì)易關(guān)系是量子力學(xué)的精神，當(dāng)他到達(dá)人書(shū)俱老的人生境界時(shí)，領(lǐng)悟到概率波才是量子力學(xué)最本質(zhì)的概念。教科書(shū)中常用分別測(cè)量點(diǎn)粒子位置和速度(或波動(dòng)的波長(zhǎng)和頻率)的精確度來(lái)討論量子力學(xué)中的不確定關(guān)系，盡管最終公式正確，卻缺失了不確定關(guān)系是波分辨率的粒子表述這一物理本質(zhì)。

教科書(shū)中很多具有“平凡的正確性”做法和問(wèn)題，可能回避了物理的本質(zhì)。如教科書(shū)上常有一個(gè)問(wèn)題：地球引力場(chǎng)有同一垂直線(xiàn)上不同高度的兩個(gè)球同時(shí)下落，求上面那個(gè)球在碰撞一次后反彈所達(dá)到的最大高度。利用能量、動(dòng)量守恒不難解答這道題目。不必詳細(xì)講解混沌，但是要告訴學(xué)生這個(gè)體系的物理本質(zhì)是混沌。

二、物理課程要教出物理的本質(zhì)

一個(gè)好的物理教師就要不停地思考各種問(wèn)題、關(guān)注物理研究的進(jìn)展并融于教學(xué)中。物理之樹(shù)常青而教科書(shū)上總會(huì)有點(diǎn)歷史的灰塵。不過(guò)，如果教材寫(xiě)得不清楚甚至錯(cuò)誤，而老師也就講不清楚甚至跟著講錯(cuò)，錯(cuò)不在書(shū)本，而在任課老師。

2004年下半年楊振寧先生給清華大學(xué)物理系和基科班的學(xué)生講授“大學(xué)物理”課程，使用的教材是Halliday和Resnick的Fundamentals of Physics。這是一套很有名的教材，在美國(guó)被廣泛使用?，F(xiàn)在已經(jīng)出了第八版。也是高教出版社向我國(guó)高校推薦的優(yōu)秀《大學(xué)物理》課程原版教材之一。楊先生在2004年底提到，該教材至少有兩處丟掉了物理的靈魂。特別是沒(méi)有把絕對(duì)溫度和熵同時(shí)定義，楊先生認(rèn)為是個(gè)“很大的錯(cuò)誤”，而且他要“告訴學(xué)生，書(shū)上這幾章的講法把物理學(xué)的精神抹煞掉了”。

Feynman曾在巴西一所大學(xué)里教大一的物理。他認(rèn)為巴西大學(xué)的物理教材很不好，學(xué)生能學(xué)的，不過(guò)是生吞活剝的背誦而已。對(duì)于摩擦發(fā)光，教科書(shū)上寫(xiě)道“當(dāng)晶體被撞擊時(shí)所發(fā)的光……”。這種名詞解釋焉有物理?Feynman教學(xué)生的是：“當(dāng)你在黑暗里拿把鉗子打在一塊糖上，你會(huì)看到一絲藍(lán)色的光。其他晶體也有如此效應(yīng)……。這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為摩擦發(fā)光?！?/p>

1954年Born獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的緣由是“……especialb for his statistical interpretation of thewavefunction。”今天看來(lái)，這里的statistical(統(tǒng)計(jì))一詞歷史色彩太濃!確切的詞是probabilistic(概率)。統(tǒng)計(jì)和概率差別在于：統(tǒng)計(jì)往往意味著對(duì)一個(gè)對(duì)象統(tǒng)計(jì)而概率完全可以是內(nèi)在而本質(zhì)的。如果是對(duì)一個(gè)對(duì)象統(tǒng)計(jì)，物理必須要問(wèn)這個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)什么物理實(shí)在?近二十余年來(lái)量子力學(xué)的進(jìn)展基本否定了這些實(shí)在存在的可能。

電子是點(diǎn)粒子是原理性假設(shè)，在真實(shí)測(cè)量中只能給出半徑上限，但是不能把現(xiàn)今技術(shù)給出的上限半徑設(shè)定為電子半徑。類(lèi)似地，孤立系統(tǒng)的能量精確不變是原理性假設(shè)，由于真實(shí)系統(tǒng)無(wú)法完全孤立所以能量測(cè)量必不為常數(shù)，也不能因此認(rèn)定孤立系統(tǒng)能量不能取定值。把原理性假設(shè)及其邏輯判斷和實(shí)際測(cè)量結(jié)果相混淆的情況不僅是一些科學(xué)愛(ài)好者的通病，在教科書(shū)中也不乏例子。

三、物理教學(xué)要“活、深、實(shí)”

物理教學(xué)要“活、深、實(shí)”，避免“呆、淺、虛”。所謂“活”，不僅是要多利用鮮活的素材講敘物理的基本概念，還要善用“思想試驗(yàn)”、“黑板試驗(yàn)”、多媒體等手段輔助教學(xué)。例如可用教室中的空氣均勻分布這一事實(shí)來(lái)闡釋等概率原理。所謂“深”，就是即使一些熟悉的現(xiàn)象，也有深刻的物理在發(fā)揮作用。例如由一定形狀粒子構(gòu)成的單元系或兩種不同粒子構(gòu)成的二元系的封閉系統(tǒng)，熵增加不見(jiàn)得導(dǎo)致宏觀的混亂，而很可能導(dǎo)致有序，而生命現(xiàn)象很可能和此有關(guān)。所謂“實(shí)”，就是物理教學(xué)的內(nèi)容要有物理圖像。例如上文提到的費(fèi)曼經(jīng)歷的問(wèn)題就是一個(gè)物理學(xué)內(nèi)容要實(shí)在的例子。

“活、深、實(shí)”是辨證聯(lián)系的整體，其中“活”是關(guān)鍵。舊說(shuō)認(rèn)為“要教學(xué)生一碗水，老師要有一桶水”。這只強(qiáng)調(diào)了量的不同，是不夠的。個(gè)別老師的教案十余年不換，水已經(jīng)開(kāi)始變質(zhì)而不覺(jué)，就算有“一缸水”又有何益?教學(xué)要做到“活、深、實(shí)”，教師的知識(shí)里要有“活水”至為緊要。至少，教師要知道“活水”的存在。反過(guò)來(lái)，如果講經(jīng)說(shuō)法變成束手束腳地照本(屏)宣科，課堂所言不出前人甚至以訛傳訛，少許發(fā)揮則謬不可及，建議放手讓學(xué)生自學(xué)。

四、物理與學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)

課堂是教師和學(xué)生之間砥礪思想或日大腦風(fēng)暴(brainstorming)的場(chǎng)所。應(yīng)當(dāng)把學(xué)生能不能提出教師很難回答甚至根本不能回答的問(wèn)題當(dāng)成一門(mén)課程成功與否的標(biāo)志之一。課堂講授不僅要給學(xué)生講授最基本的知識(shí)，而且要在講課的時(shí)候營(yíng)造創(chuàng)造性環(huán)境，“點(diǎn)燃”學(xué)生的大腦，在“激發(fā)態(tài)”上共同探索物質(zhì)世界。

下列問(wèn)題應(yīng)該贏得每位物理教師的激賞。有超導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)那么有沒(méi)有超流體的霍爾效應(yīng)?能不能把隧道效應(yīng)和光電效應(yīng)結(jié)合起來(lái)?為什么經(jīng)典電子的模型不考慮電子的磁能?電子本質(zhì)上有質(zhì)量、電荷、自旋和磁矩這“四根毛”還是只有質(zhì)量、電荷、自旋(或磁矩)這“三根毛”?到底是空間彎曲了還是暗物質(zhì)的折射率導(dǎo)致了光線(xiàn)偏折?量子糾纏對(duì)能量有沒(méi)有影響?理想氣體到底是經(jīng)典氣體還是量子氣體?既然電磁統(tǒng)一那么為什么要引入磁場(chǎng)?等等。能提出這些粗糙的想法非?？少F，他們“怪誕”只是“不經(jīng)”、“離經(jīng)”而非“叛道”。教學(xué)不僅要教學(xué)生品味、應(yīng)用已經(jīng)確立的成果，教師更要精心呵護(hù)這些創(chuàng)新思想的萌芽。

能量守恒最初出現(xiàn)需要子虛烏有的熱質(zhì)，熱力學(xué)第二定律的建立包含了試圖造出第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的失敗，有了Dirac相對(duì)論性方程之后才發(fā)現(xiàn)Klein-Gordon方程其實(shí)不能描述電子等等。任何一個(gè)創(chuàng)新思想最開(kāi)始的時(shí)候一定是以半對(duì)半錯(cuò)、似是似非的面目出現(xiàn)的。甚至教科書(shū)中也可以出現(xiàn)一點(diǎn)部分正確部分錯(cuò)誤的問(wèn)題，留一點(diǎn)空間給學(xué)生并無(wú)不好。Feymnan就是受Dirac一個(gè)不成熟評(píng)述的啟發(fā)最終發(fā)展出了量子力學(xué)的路徑積分表述。學(xué)生能主動(dòng)思考最可貴。主動(dòng)思考之后才能有興奮點(diǎn)，有了興奮點(diǎn)才能逐漸培養(yǎng)出品味、探索科學(xué)問(wèn)題的能力。

有一次彭桓武先生參加了一個(gè)學(xué)生博士論文答辯，多數(shù)評(píng)委認(rèn)為某一項(xiàng)計(jì)算不夠完善，結(jié)果意義不大，在評(píng)語(yǔ)中就不必提及了，不想彭先生不同意。他說(shuō)：“這個(gè)計(jì)算雖然不夠完善，但方法是他想出來(lái)的，別人還從來(lái)沒(méi)有這樣做過(guò)”。不能總是用“完美”的問(wèn)題和結(jié)果來(lái)培養(yǎng)學(xué)生。彭桓武先生在很多場(chǎng)合提到，薛定諤的教學(xué)就太“完美”，所以薛定諤沒(méi)有好的學(xué)生。

本研究受到如下課題支持：教育部教育改革與實(shí)踐項(xiàng)目“理工類(lèi)(信息類(lèi))交叉學(xué)科人才培養(yǎng)改革創(chuàng)新與實(shí)踐”，湖南省重點(diǎn)教改課題“基于綜合教改實(shí)驗(yàn)班的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)理論與實(shí)踐研究”和教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”(NCET-04-0762)。特此致謝!

責(zé)任編輯：文和平