房毅 章登宏 陳建華

(華東理工大學(xué)物理系 上海 200237)

藤琴①

(上海第二工業(yè)大學(xué)物理系 上海 200041)

物理學(xué)家龐加萊曾說過：“物理學(xué)是通過一系列事實(shí)、公式和法則建立起來的，就像房子是用磚砌成的一樣．但是，如果把一系列事實(shí)、公式和法則看成物理學(xué)，那就猶如把一堆磚看成房子一樣．物理學(xué)比組成它的事實(shí)、公式和法則要深刻得多．”龐加萊的這席話告訴我們：物理學(xué)不僅以其概念、原理、規(guī)律和理論的知識揭示了自然界基本運(yùn)動形式的諸多真理，還以在建立這種知識體系的過程中所凝練和升華出的科學(xué)思想、方法來推動科學(xué)的持續(xù)進(jìn)步．

科學(xué)發(fā)展史表明，每一科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)都不同程度地留下科學(xué)家攀登科學(xué)巔峰的足跡，為后繼者躍上新的高峰提供了寶貴的教益和啟迪．把科學(xué)過程作為大學(xué)物理課程的一個(gè)維度，可以使受教育者從前輩科學(xué)家那里得到科學(xué)思維方法的滋養(yǎng)．這些精神層面的東西是一個(gè)當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)具有的內(nèi)在素質(zhì)，甚至是一個(gè)民族、一個(gè)國家的興衰所系．

基于此，教育部課程指導(dǎo)委員會對非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)提出了《基本要求》．其中，明確了課程的地位、作用和任務(wù)，對能力、素質(zhì)培養(yǎng)做出了明確的規(guī)定．為了實(shí)現(xiàn)這一基本目標(biāo)，倡導(dǎo)在大學(xué)物理課程教學(xué)過程中，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)，認(rèn)真貫徹以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教育理念；遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，注重理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，鼓勵個(gè)性發(fā)展；加強(qiáng)教學(xué)方法和手段的研究與改革，努力營造一個(gè)有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的教學(xué)環(huán)境．

1 精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程——科學(xué)史料是創(chuàng)新源動力

培根說過：“讀史使人明智！”課堂上穿插介紹物理學(xué)史是可行的，更是必要的．這種介紹不只是簡單地講解，而是應(yīng)圍繞科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)展開．

以大學(xué)物理學(xué)中狹義相對論課堂教學(xué)為例.如果只是按“常規(guī)”教學(xué)告訴學(xué)生，愛因斯坦由“追光思想實(shí)驗(yàn)”發(fā)現(xiàn)麥克斯韋方程組與伽利略變換之間發(fā)生矛盾，于是就提出“以太”是不必要的.再由愛因斯坦的兩個(gè)基本假設(shè)得到慣性系間時(shí)、空坐標(biāo)的洛倫茲變換，由此變換求解一系列相關(guān)的問題．顯然，這樣的教學(xué)過程設(shè)計(jì)與實(shí)施距離《基本要求》是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.

在物理學(xué)的發(fā)展史上，“以太”一直是物理學(xué)家心中的痛．不僅電磁學(xué)需要借助于“以太”調(diào)和麥克斯韋方程組與伽利略變換之間的矛盾，就連力學(xué)、光學(xué)也同樣呼喚“以太”．為了尋找它，有不少物理學(xué)家甚至為此“奮斗”終身．為什么呢？因?yàn)?，誰也不敢想象沒有“以太”的經(jīng)典物理學(xué)會是什么樣子．說到底，誰也不敢拋棄以太，誰也不敢創(chuàng)新．因此，誰也不可能成為愛因斯坦[1，2]！愛因斯坦的創(chuàng)新之路是傳奇的．他提出狹義相對論(廣義相對論也是如此)完全源于他對物理學(xué)理性美追求的沖動．他無法容忍同一種電磁現(xiàn)象用兩種不對稱的方法去解釋．他堅(jiān)持物理學(xué)理論一定遵循“內(nèi)部完備、結(jié)構(gòu)簡潔、和諧對稱”的科學(xué)思想[3].他繼承了伽利略的相對性原理，并創(chuàng)新性地提出了光速不變原理，將相對與絕對的統(tǒng)一發(fā)揮到了極致．他的創(chuàng)新之路充滿荊棘.他不被理解，甚至遭到恐嚇.但他堅(jiān)持自己的理論，直至一次次被科學(xué)事實(shí)所證實(shí)．圍繞科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，在教學(xué)過程穿插這些已整合過的珍貴史料介紹狹義相對論，引發(fā)同學(xué)對科學(xué)美學(xué)的體驗(yàn)，對科學(xué)精神的追求，對科學(xué)方法的神往，奮發(fā)向上、積極創(chuàng)新，這不正是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)具有良好科學(xué)素質(zhì)的學(xué)生之目標(biāo)所期待的嗎！

2 著重強(qiáng)調(diào)過程方法——科學(xué)方法是核心競爭力

愛因斯坦曾說過：“教育給予人們無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都遺忘掉時(shí)所剩下的東西”．這種剩下的東西究竟是什么？筆者認(rèn)為，從長遠(yuǎn)講就是科學(xué)方法、科學(xué)思想和科學(xué)精神．其中的科學(xué)方法是受教育者走上社會的核心競爭力．

玻爾獲得諾貝爾物理學(xué)獎的原因在于他“研究原子結(jié)構(gòu),特別是研究從原子發(fā)出的輻射所作出的貢獻(xiàn)”，其實(shí)，請不要被獲獎緣由所迷惑(正如愛因斯坦獲獎的原因在于他“在理論物理學(xué)上的研究，特別是發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的定律”，而不是因?yàn)閯?chuàng)立了相對論、受激輻射理論等所做的貢獻(xiàn))．事實(shí)上，玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型并不正確，是在不得已的情況下進(jìn)行的一種假設(shè)，它沒有抓住原子現(xiàn)象的基本特征，除氫原子外并不適用．但他的一系列理論其深刻意義：在于為經(jīng)典物理通向量子力學(xué)架設(shè)了一道不可或缺的橋梁．除了將這一點(diǎn)告訴學(xué)生以外，更重要的是要讓學(xué)生知道，這座橋梁的結(jié)構(gòu).玻爾創(chuàng)新性提出對應(yīng)原理與互補(bǔ)原理．對應(yīng)原理的科學(xué)色彩較為濃厚，而互補(bǔ)原理則不然．與其說互補(bǔ)原理是一條原理，倒不如說它是一種哲學(xué)，它甚至可以指導(dǎo)我們的生活和人生．玻爾指出：任何概念的確定與應(yīng)用,都是對客體不同層次、側(cè)面的部分正確的反映與概括, 因而都存在一定的適用范圍和不完備性,只有通過互補(bǔ)方法才能達(dá)到完美無缺．玻爾并沒有對互補(bǔ)原理作出定義式的說明, 想必他更希望人們自己得出互補(bǔ)性的結(jié)論,而不是由他本人給出定義強(qiáng)加給人們．以玻爾的互補(bǔ)方法來認(rèn)識其互補(bǔ)原理, 這才是應(yīng)采取的科學(xué)態(tài)度和遵循的方法論原則[4]．這就是科學(xué)方法，它對于提升我們的核心競爭力至關(guān)重要．

近代物理中充滿了科學(xué)方法論，經(jīng)典物理中也不例外，只是需要我們善于挖掘，需要教師潛心致力于科學(xué)方法論的教學(xué)．

筆者曾為物理系一位同學(xué)的“熱學(xué)”課程答疑，面對他的質(zhì)疑引發(fā)我的思考而設(shè)計(jì)的課堂討論場景至今記憶深刻．這位同學(xué)課后問這樣一個(gè)“簡單”的問題：“一個(gè)內(nèi)、外徑分別為r，R的鐵環(huán)，一個(gè)半徑為r的銅球恰好不能通過鐵環(huán)，現(xiàn)加熱鐵環(huán)，再放入銅球，試問此時(shí)銅球能否通過鐵環(huán)？”我脫口而出，“鐵環(huán)受熱膨脹，銅球當(dāng)然可以通過鐵環(huán)”．這位學(xué)生仿佛有備而來：“鐵環(huán)膨脹，R增大，r減小才對呀！銅球怎么會通過鐵環(huán)呢．”筆者很驚訝，他講得似乎也有道理．但問題究竟出在哪呢？我告訴他，容我思考，下次上課回答這個(gè)問題．在返回市區(qū)的校車上，我仍在思考這個(gè)問題，盤點(diǎn)解決問題的科學(xué)方法：從實(shí)驗(yàn)方法到理性方法，從美學(xué)方法到哲學(xué)方法……豁然開朗．

第二次上課，就這個(gè)問題筆者與全班同學(xué)展開了討論．筆者首先設(shè)問：“鐵環(huán)膨脹，R增大，r減小.銅球不會通過鐵環(huán)考慮的是什么方向上的熱脹冷縮？”同學(xué)們異口同聲回答：“徑向”．“僅僅考慮徑向是否全面？”筆者接著問．思考片刻，有同學(xué)說：“圓周方向也應(yīng)考慮熱脹冷縮”.“這樣的話，內(nèi)外徑均會增大．”有同學(xué)補(bǔ)充道．“鐵環(huán)的徑向膨脹真的會使R增大，r減小嗎？”筆者接著問同學(xué)：“什么條件下棒受熱會向兩端膨脹”．“兩端可自由伸展的棒”同學(xué)們答道．“圓環(huán)的徑向可否自由伸展？”筆者緊追不舍．同學(xué)們恍然大悟……原來圓環(huán)的內(nèi)圓周長度變長直接限制了徑向受熱向兩端膨脹，即徑向膨脹只能沿徑向向外.

圖1

如圖1(a)所示，A，B均遠(yuǎn)離O點(diǎn)，且最終效應(yīng)為AB只沿A向著B方向膨脹．最后，筆者趁熱打

鐵，要求同學(xué)們總結(jié)解決這一問題的科學(xué)方法．同學(xué)們幾乎不約而同地說：將圓環(huán)分解成若干個(gè)寬度無限小的同心圓，如圖1(b)所示；將圓環(huán)沿徑向分解成若干根圓心角無限小的細(xì)棒，如圖1(a)所示.分別考慮圓、細(xì)棒各自的熱脹冷縮，再考慮圓環(huán)整體的熱脹冷縮體現(xiàn)出的是分析綜合法．筆者進(jìn)一步提示：“僅考慮徑向膨脹或僅考慮圓周方向的膨脹是否完整？認(rèn)識是否準(zhǔn)確？”同學(xué)答：“只有將圓周方向的熱脹冷縮與沿徑向熱脹冷縮這兩方面綜合考慮才能對圓環(huán)熱脹冷縮的本質(zhì)做出完整的描述.”筆者追問：“這體現(xiàn)出一種什么思想？”“原來是玻爾的互補(bǔ)原理啊……”同學(xué)們恍然大悟.

這一貌似不是問題的問題在教師的一步步提示和引導(dǎo)下，學(xué)生積極主動參與課堂教學(xué)過程，最終尋求得到正確的解答，更重要的是他們同時(shí)經(jīng)歷了一次科學(xué)方法陶冶的過程．

3 結(jié)束語

課堂教學(xué)是神圣的，教師應(yīng)珍惜每一次站在講臺上的機(jī)會，在傳授內(nèi)容和知識的過程中，不斷地探討怎樣更多地承載其他東西，努力把握以知識為載體傳遞思想、方法[5]．在《基本要求》的指導(dǎo)下始終堅(jiān)持將科學(xué)素質(zhì)視為教學(xué)目標(biāo)的重中之重．只要教師視人才素質(zhì)培養(yǎng)為己任，為自己所選擇的教育事業(yè)傾心付出，就一定會在訓(xùn)練大學(xué)生的科學(xué)心智歷程中獨(dú)樹一幟．

參考文獻(xiàn)

1 何圣靜.物理定律的形成與發(fā)展.北京：測繪出版社，1988.349

2 戴念祖.愛因斯坦在中國及其創(chuàng)建狹義相對論的歷史背景．物理，2005(7)：476～479

3 袁運(yùn)開,王順義.世界科技英才錄(科學(xué)思想卷).上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?998.196～202

4 陳建中.怎樣科學(xué)地認(rèn)識玻爾的互補(bǔ)原理.山西師大學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版),1998(4):1～4

5 盧德馨.研究性教學(xué)20年.北京：清華大學(xué)出版社，2008.43～44