潘篤武　蔣平等

摘 要：當前，一些高校青年教師的學術(shù)素養(yǎng)和授課水平尚存在諸多不盡如人意之處，特別是在基本概念的理解和把握方面仍有很大的改進空間。本文認為，正確、嚴謹?shù)卣莆栈靖拍钍乔嗄杲處熖嵘陨硭健⒈ＷC教學質(zhì)量的基本前提。

關(guān)鍵詞：青年教師；基礎(chǔ)物理教學；基本概念

為了鼓勵青年教師投身基礎(chǔ)物理教學、交流教學經(jīng)驗、提升教學質(zhì)量，2014年教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會和高等學校物理類專業(yè)教學指導委員會聯(lián)合中國物理學會物理教學委員會舉辦了首屆全國高等學校物理基礎(chǔ)課程青年教師講課比賽。筆者觀看了上海賽區(qū)初賽的全程錄像，對目前高校青年教師基礎(chǔ)物理教學的現(xiàn)狀有許多感想和體會。現(xiàn)在整理成文，以期與物理教學界同行交流討論。

一、正確性是第一要務(wù)

課堂教學是知識傳授的重要過程，知識的正確性是最為基本的要求。就物理課程而言，教師本人對基本物理概念、物理圖像和物理規(guī)律的正確掌握是第一要務(wù)。然而，恰恰在這一基本要求方面，相當多的教師存在一定的甚至是較大的差距。例如，一位參賽老師在講解“麥克斯韋速率分布”時，所用的PPT上顯示“速率分布函數(shù)f（v） 表示分子速率分布在某區(qū)間（v，v+dv） 內(nèi)的概率”，“f（v）的含義是分子具有速率（v，v +dv）區(qū)間值的概率；或具有（v，v +d v）區(qū)間值的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比”。這就反映出這位老師連分布函數(shù)f（v）的量綱都未弄清楚，不知道f（v）dv 才是分子處于 （v， v +dv） 區(qū)間內(nèi)的概率，而f（v） 是分子速率在v附近單位速率間隔的概率。這位老師的講述只能使學生形成錯誤的概念。

就基礎(chǔ)物理教學而言，熵是一個教師難教、學生難學的知識點，往往會挑戰(zhàn)任課教師的真知實學和講授技能，特別是對相關(guān)基本概念的理解和掌握，稍有不慎就會出錯。就這個知識點而言，清楚認識過程量和狀態(tài)量是首要的前提。這次一位以此為題參賽的老師果然就出了問題。這位參賽者由卡諾定理出發(fā)，試圖通過克勞修斯不等式引進熵的概念。這當然可行，事實上很多教材都是這么做的。問題是這位老師將卡諾機與高溫熱源及低溫熱源交換熱量的熱溫比Q1/T1及Q2/T2分別當作體系初態(tài)及終態(tài)的熱溫比，這就將熱量這個過程量當成了狀態(tài)量，就從根本上弄錯了。事實上，這里的Q1/T1是卡諾機與溫度為T1的高溫熱源相接觸做等溫膨脹吸收熱量Q1這一過程中的熱溫比，而Q2/T2是卡諾機與溫度為T2的低溫熱源相接觸做等溫壓縮釋放熱量Q2這一過程中的熱溫比，都不是狀態(tài)的性質(zhì)。熱量Q是過程量，不是狀態(tài)量。對熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)而言，Q并無任何意義。不僅如此，這位老師又從這個錯誤的認識出發(fā)將熱溫比當成初始和終了狀態(tài)的熵，并由克勞修斯不等式得到Q2/T2 ≥ Q1/T1，從而論證熵增加原理。這種說法不符合熵的基本概念以及與熵相關(guān)的基本物理原理。熵是狀態(tài)函數(shù)，這里熱溫比不是狀態(tài)函數(shù)，因而不是熵，但可反映過程中熵的變化。通常對可逆過程用微熱溫比（可視為微分熵）在初、終態(tài)之間的積分表示終態(tài)對初態(tài)熵的增量，這與簡單地將熱溫比叫熵完全是兩回事。至于熵增加原理，通常的表述是，孤立體系的熵不減少。而在卡諾熱機情形下，熱機運行要與熱源交換熱量，當然不是孤立體系。這位老師出錯，是由于對基本概念的掌握方面尚有欠缺。

除此之外，比賽中還出現(xiàn)閃電前必聞雷聲、振子在水平面上可不計摩擦之類的說法，若非臨時語誤確實難以理解，值得重視。

二、嚴謹、準確不可或缺

科學類課程課堂講授的另一要點是嚴謹、準確，避免任何含糊、混淆。這對作為基礎(chǔ)科學的物理學尤為重要。否則，會嚴重影響教學效果，達不到課程應(yīng)有的要求。在這一方面，青年教師依然任重道遠。

有位參賽者在講述角動量時從回顧線動量入手，大致說應(yīng)用線動量描寫質(zhì)點平動或直線運動比較方便，而在作曲線運動時用動量雖然也可以，但不恰當，此時應(yīng)采用角動量云云。這段開場白有幾點值得商榷。首先，平動這一概念只適用于剛體，質(zhì)點無所謂平動。其次，剛體作曲線運動仍可以是平動而不一定只是轉(zhuǎn)動。這表明這位老師對質(zhì)點和剛體運動的聯(lián)系和區(qū)別并不十分清晰。更為重要的是，即使對質(zhì)點而言，當做直線運動時仍有角動量；而作曲線運動時依然有線動量。線動量與角動量兩者并無定義域方面相互排斥之處。舉一個例子。設(shè)想一質(zhì)點在平面上運動，沿X方向為勻速直線運動，而在Y方向作簡諧運動，其軌跡為正弦曲線，當然為曲線運動。無疑，對此質(zhì)點用線動量描述其運動狀態(tài)不僅“可以”，而且“恰當”。從概念上講，動量與角動量本質(zhì)上是相互獨立的不同的物理量；相應(yīng)的守恒律也源自物理體系不同的空間對稱性。動量守恒源自空間的均勻性，而角動量守恒則源自空間的各向同性。不過，兩者對不同的具體問題的應(yīng)用有不同的優(yōu)勢。例如，在爆炸、碰撞等問題中用動量的概念比較容易；而對圓周運動之類的問題，包括微觀和宇觀領(lǐng)域，角動量則發(fā)揮著獨特的作用。因此，在基礎(chǔ)物理教學范圍似沒有必要將兩者對比，更沒有必要以對線動量的“批判”作為引入角動量的前提。具體引入角動量其實可以勻速圓周運動為例，說明引進角動量可使要研究的問題圖像簡潔、明了，易于解決。對于同一問題，采用不同的物理量處理的難易程度不同。例如，只涉及初、末態(tài)而其間過程的動力學過于復(fù)雜的問題宜用機械能守恒而不用牛頓第二定律。

另一個例子是關(guān)于熱力學第二定律的統(tǒng)計意義。通常，授課教師都舉四個全同分子作體積加倍的真空膨脹的例子。有兩位參賽選手也都以此為例，并且以均勻分布宏觀態(tài)的概率6/16大于4個分子都回到原來半邊空間的概率1/16而認定自發(fā)過程向概率大的方向進行。實際上，4個分子都又回到原來半邊的初始狀態(tài)的概率1/16并不很小；只要時間長一些，是可以見到這個系統(tǒng)又回到原來狀態(tài)的。但是，如果分子越來越多，那么所有分子重又回到原來狀態(tài)的機會就越來越小。四個分子例子的關(guān)鍵意義在于表明，體系回到原來狀態(tài)的可能性隨著分子數(shù)的增加急劇減小。對于包含分子數(shù)極其巨大的體系，這種自發(fā)膨脹的過程就變成不可逆的了。但這兩位選手都沒有指出這個例子的實質(zhì)在于反映熱力學體系的特點：體系包含千萬億億量級的分子，因此，逆向過程的概率實際為零。

再如一位講述 “光學儀器的分辨本領(lǐng)”的參賽者首先定性介紹了夫瑯禾費圓孔衍射，但除去PPT上出現(xiàn)夫瑯禾費字樣外，沒有說明什么是夫瑯禾費衍射，沒有強調(diào)夫瑯禾費衍射的平行光的條件和實驗裝置中透鏡的作用是將無窮遠的衍射圖樣轉(zhuǎn)移到透鏡的焦平面上來觀察；也沒有指出反射式光學望遠鏡的反射鏡起的也是和透鏡一樣的作用，而望遠鏡的透鏡和反射鏡的邊緣起了衍射圓孔的作用。在講完艾里斑和瑞利判據(jù)后，這位參賽者又舉了幾個旨在提高分辨率的例子，但所舉的幾個例子都值得質(zhì)疑。第一個例子是根據(jù)艾里斑和瑞利判據(jù)說明提高顯微鏡的分辨率的一個途徑是使用短波長光源。但是，顯微鏡的物不在無窮遠處，這里如何能使用夫瑯禾費衍射得出的公式必須加一些必要的說明。參賽者又說，光學顯微鏡波長是0.2μm。估計這是指波長的下限，但這也不恰當。姑且不論使用紫外光的顯微鏡的實際困難，0.2μm已遠超出常用的近紫外區(qū)的360～380nm范圍而處于真空紫外區(qū)的邊緣?？赡苁沁@位參賽者將光學顯微鏡采用可見光的最小分辨距離當成了最短波長。無論如何，都反映相關(guān)概念的含糊不清。這樣就會誤導學生，更會影響到學生嚴格科學態(tài)度的養(yǎng)成。

由于課時等原因，在實際教學活動中不可能每個問題都在課堂上詳細講解，但只要教師提及，都必須作合適的交代，或要求學生課外自行閱讀相關(guān)的參考書籍或資料。在講清楚基本概念的基礎(chǔ)上，留下一些問題，也可能對學生有所啟發(fā)。

三、博覽群書，多做研究

可以看出，一些青年教師物理基礎(chǔ)尚不扎實，特別是對基本概念理解不深甚至存在錯誤。究其原因，或可追溯到他們本科階段的學習，甚至還可以追溯到中小學階段的學習過程，以及他們的老師的教學水平和教學思想?，F(xiàn)在，不少學校教學注重死記硬背，采用題海戰(zhàn)術(shù)；讀書不求甚解，甚至不求理解，只要能練就一手機械的照葫蘆畫瓢的做題本領(lǐng)就成。所謂培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力完全是一句空話，騙人騙己而已。

基本概念是做學問、做教師的基礎(chǔ)?？v觀全國高等學校物理基礎(chǔ)課程青年教師講課比賽（上海賽區(qū)），我們強烈感到，青年教師必須虛心學習，努力提高自己的學術(shù)水平，真正理解物理學的基本概念，真正掌握所講授的物理內(nèi)容。另外，青年老師還要開闊自己的學術(shù)視野。由于各種主客觀因素的限制，青年教師未必能做到博覽群書，甚至教學參考資料往往僅局限于一本教材，而教材又未必盡如人意，甚至存在不妥之處。倘若教師深信不疑，就會以訛傳訛，不能很好地保證教學質(zhì)量。一個典型的例子就是，相當多從事高?；A(chǔ)物理教學的教師都把電力線的數(shù)目和電通量混為一談，就是因為有的書上就是這么寫的，沒有區(qū)別一個純數(shù)和一個有量綱的物理量。

應(yīng)該提倡多讀書，不僅要讀與教材屬同一類

型的書，也要讀更高一級的書。書讀多了，遇到問題就能自己通過思考找出正確的答案。所謂讀書破萬卷，下筆如有神就是這個道理?！顿M恩曼物理學講義》、《伯克利物理教程》等都是世界著名的基礎(chǔ)物理教材，從初版至今都已有50 年左右的歷史了?，F(xiàn)在，這些教材還在不斷修訂重版，值得青年教師重視、參考。與此同時，高校領(lǐng)導也要為以從事基礎(chǔ)課教學為主要任務(wù)的青年教師創(chuàng)造條件，讓他們盡可能參加一些學術(shù)性研究。有關(guān)方面還可以經(jīng)常組織一些科學報告會，請各方面的專家學者為青年教師做一些物理學最新發(fā)展的報告。這樣有助于青年教師站得高、看得遠，從而擴大青年教師的視野，也能加深對物理學的認識和理解。還可以定期組織教學研討會，由青年教師自己報告、交流、討論教學內(nèi)容和教學方法，提高教學和科學水平。

在條件好的學校，多數(shù)擔任基礎(chǔ)課教學工作的青年教師都有科研項目。他們中許多人在國外獲得博士學位，對于當前物理學前沿研究有比較多的了解，回國以后能在國外研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，與國際接軌。但是，多數(shù)人畢竟缺乏基礎(chǔ)課教學經(jīng)驗，而且也不是每個人的物理基礎(chǔ)都很扎實，基本概念都很清楚，應(yīng)該虛心學習，積極鉆研基礎(chǔ)課教學。要成為優(yōu)秀教師和物理學家，絕不能對基本物理概念一知半解。對物理學基本概念全面深刻的理解，也有助于開闊創(chuàng)造性思路，使科學研究更上一層樓。

上好基礎(chǔ)課，提高基礎(chǔ)課的教學質(zhì)量涉及許多方面。除任課教師本人外，相關(guān)主管部門和服務(wù)部門乃至學生都要發(fā)揮積極作用，實際上是一項系統(tǒng)工程。即使課堂教學本身，也非短短一篇文章所能概括。這里筆者只能掛一漏萬，僅就旁觀講課比賽的感想略述一二。雖然講課比賽反映出目前高校教學中存在的一些問題，但同時也呈現(xiàn)出更多的積極因素，例如青年教師普遍有提高教學質(zhì)量的強烈愿望和熱情。我們希望這類比賽能夠持續(xù)辦下去。

[責任編輯：夏魯惠]