摘 要：本科教育是我國高等教育的主體，在高等教育結(jié)構(gòu)中居中心地位。它不同于以升學(xué)為目的的初等教育，也不同于以研究、創(chuàng)新為目標的研究生教育。長期以來，我國本科教育把基本知識、基本技能（簡稱“雙基”）的理解和掌握作為本科教學(xué)的中心內(nèi)容，所有教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞這個中心來進行。而科學(xué)啟蒙包括科學(xué)發(fā)現(xiàn)意識的覺醒、科學(xué)研究方法的掌握和科學(xué)鉆研精神的培養(yǎng)。從科學(xué)啟蒙的這個定義來說，顯然，目前的大學(xué)教育未能在大學(xué)生中完成科學(xué)啟蒙的教育任務(wù)。本文研究科學(xué)啟蒙教育融入本科教育中的必要性、緊迫性和可行性，并以“多普勒效應(yīng)”一講為例介紹目前上海交通大學(xué)在“雙基”教育中進行科學(xué)啟蒙教育的實踐。

關(guān)鍵詞：本科教育；雙基；科學(xué)啟蒙；多普勒效應(yīng)

本科教育屬于高等教育體系。它與以升學(xué)為目的的初等教育有本質(zhì)的區(qū)別，與以研究為目的的研究生教育也有不同。本科教育具有承上啟下的作用，是我國高等教育的主體，在高等教育結(jié)構(gòu)中居中心地位。按我國教育部的規(guī)定，高中畢業(yè)生經(jīng)過升學(xué)考試（高考）達到一定的分數(shù)標準可以錄取為高等教育學(xué)校學(xué)生，接受本科教育。在本科教育階段，學(xué)生按照本科教育大綱與計劃學(xué)習(xí)有關(guān)的課程、進行實驗、教學(xué)實習(xí)和社會調(diào)查，接受某些學(xué)科的科研訓(xùn)練，寫作畢業(yè)論文與完成畢業(yè)設(shè)計。學(xué)生學(xué)完依據(jù)教學(xué)計劃所規(guī)定的全部課程，考試合格者，準予畢業(yè)，發(fā)給本科畢業(yè)證書。高等院校在教育教學(xué)的具體執(zhí)行中，大多數(shù)高校在四年本科教育中的前三年半進行“雙基”教育，最后半年實習(xí)，接受科學(xué)訓(xùn)練，完成畢業(yè)論文；少數(shù)研究型大學(xué)激進的做法是讓“大一”學(xué)生就走進實驗室，跟著教師進行科學(xué)研究。筆者認為這兩者各有優(yōu)缺點。第一種強調(diào)“雙基”的教育為我國培養(yǎng)了大量技術(shù)性人才，在我國跟上發(fā)達國家的技術(shù)發(fā)展中起到了巨大的作用。但進入21世紀后，我國對科學(xué)技術(shù)發(fā)展提出了新目標——期望在今后的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起到引領(lǐng)作用。顯然，目前強調(diào)“雙基”教育的本科教育是不能完成這個任務(wù)的。第二種把“大一”學(xué)生直接帶進實驗室的辦法則有些太過激進，學(xué)生“雙基”知識學(xué)習(xí)不踏實、掌握不牢固，科學(xué)研究就是在沙灘上起高樓，樓建不高也不穩(wěn)。本文建議把科學(xué)啟蒙教育融于本科“雙基”教育中，這種兩者兼顧的教學(xué)方法或許是實現(xiàn)新時期新任務(wù)一種好的本科教育培養(yǎng)人才的模式。下面從三個方面闡述把科學(xué)啟蒙（啟迪學(xué)生的科學(xué)發(fā)現(xiàn)意識，讓學(xué)生熟悉科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)鉆研精神）融于“雙基”教育中的必要性、緊迫性和可行性。并以“多普勒效應(yīng)”為例介紹科學(xué)啟蒙教育在上海交通大學(xué)物理教學(xué)中的實踐，分享我們將科學(xué)啟蒙融于“雙基”教育中，讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識的同時獲得研究學(xué)問的智慧的教學(xué)理念。

一、中國本科教育與科學(xué)啟蒙的歷史回顧

我們首先從歷史發(fā)展的角度談?wù)効茖W(xué)啟蒙融入本科教育中的必要性。歷史上，中國有幾次科學(xué)啟蒙運動。明末清初有過第一次比較系統(tǒng)地引進了當時西方剛剛發(fā)展起來的科學(xué)，但是很快失去了興趣，因為覺得科學(xué)對中國沒有用；清朝的先賢們認為技術(shù)才是拯救國家的法寶，發(fā)出“以夷制夷”的口號，因此有了著名的洋務(wù)運動。第二次是五四運動時期，又一次把科學(xué)——“賽先生”引入中國。1917年1月9日，蔡元培正式就職北大校長的就職演講中說：“大學(xué)不是換賣畢業(yè)文憑的機關(guān)，也不是灌輸固定知識的機關(guān)，而是研究學(xué)理的機關(guān)。大學(xué)生要以研究學(xué)術(shù)為天職，不當以大學(xué)為升官發(fā)財之階梯！”[1]可以看出，是北大校長蔡元培先生首次把科學(xué)啟蒙引進了大學(xué)本科教育中。在北京大學(xué)校長蔡元培、清華大學(xué)校長梅貽琦、南開大學(xué)校長張伯苓以及后來的西南聯(lián)合大學(xué)、交通大學(xué)、浙江大學(xué)等校長們的倡議下，民國時期的大學(xué)引進了一大批海外留學(xué)歸國學(xué)者，后來他們大多成為著名的科學(xué)家。他們是物理學(xué)家葉企孫、胡剛復(fù)、饒毓泰、薩本棟、吳有訓(xùn)、嚴濟慈，化學(xué)家任鴻雋、曾昭掄、侯德榜、莊長恭，地質(zhì)學(xué)家丁文江、翁文灝、朱家驊、李四光，生物學(xué)家胡先骕、陳楨、李繼桐、童第周，氣象學(xué)家竺可楨、趙九章，等等。民國時期也培養(yǎng)了一批科學(xué)家，物理學(xué)家有吳大猷、楊振寧、李政道、吳健雄、丁肇中、崔琦、高錕，化學(xué)家有李遠哲、錢永健等。但是，那時中華民族面臨的是生死存亡的問題，剛剛興起的科學(xué)還起不到多大作用，因此，很快又失敗了?！拔母铩苯Y(jié)束、改革開放以來，科學(xué)教育恢復(fù)發(fā)展。但中國剛剛開始由計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，第一要務(wù)是解決溫飽問題，以至于錢學(xué)森先生臨終前留下了著名的“錢學(xué)森之問”。

現(xiàn)在，溫飽問題已解決，大多數(shù)國人在奔小康了，我國也成為世界第二大經(jīng)濟體。下一階段，經(jīng)濟如果要再上一層樓，需要有顛覆性的創(chuàng)新，這個難度會非常大。這一定需要中國未來的科學(xué)研究、科學(xué)發(fā)現(xiàn)的支持。因此，目前在我國本科教育中引入科學(xué)啟蒙教育應(yīng)該是最好的時期，也是必須下決心做的一件事。

二、中國本科教育中科學(xué)啟蒙教育的現(xiàn)狀

實際上，在歐美國家科學(xué)啟蒙從小學(xué)就開始了，他們的小學(xué)生作業(yè)就充滿各種讀書報告、調(diào)研論文。美國不太重視“基礎(chǔ)知識”的學(xué)習(xí)，但卻極其看重學(xué)生“創(chuàng)造力”的培養(yǎng)，因而才會有美國白領(lǐng)不會算“10減6等于幾”貌似“可笑”的事情發(fā)生，他們覺得要趁孩子年齡小時抓緊培養(yǎng)創(chuàng)造性思維；而中國教育特別重視所謂的“雙基”，重在練“基本功”，不重視對學(xué)生創(chuàng)造力和思維能力的培養(yǎng)。中國的升學(xué)選拔制度強化了“雙基”教育。我們的中學(xué)教育體系沒有進行嚴格意義上的科學(xué)啟蒙，主要是給學(xué)生灌輸科學(xué)知識（有人認為有了科學(xué)知識就完成了科學(xué)啟蒙，科學(xué)知識教育就是科學(xué)啟蒙教育。這顯然不符合我們對科學(xué)啟蒙的定義，本文不討論這個話題）。這是因為現(xiàn)在的升學(xué)考試需要考生在2到3小時內(nèi)完成一定數(shù)量的習(xí)題，質(zhì)量上越接近標準答案考分越高，所以，學(xué)生只能靠平時多做各種類型的習(xí)題，考試時做到看到考題就有條件反射地想到在哪里見過，然后馬上寫出來才能做完做好相關(guān)考題。這種應(yīng)試考試實際上考的是學(xué)生的記憶能力，至于這個學(xué)生是否理解、是否有思想新意、是否能把學(xué)到的知識融入生活、生產(chǎn)實踐中一概無法在考試中檢驗出來。由此一來中國的學(xué)生高分低能就是自然而然的事了。這也造成中國的科學(xué)啟蒙教育只能在大學(xué)本科教育中進行了。

目前中國的大學(xué)本科教育怎樣呢？以上海交通大學(xué)為例，2015年以前上海交通大學(xué)“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)大綱如下：本課程是以極限為工具，研究函數(shù)的微分和積分的一門學(xué)科，其主要內(nèi)容包括極限、連續(xù)、一元微積分及導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用等。通過對本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解“高等數(shù)學(xué)”的知識體系，理解“高等數(shù)學(xué)”的基本概念和基本理論，掌握微積分的基本運算技能，進而提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)及運用數(shù)學(xué)方法分析問題和解決問題的能力。2015年以前上海交通大學(xué)“大學(xué)物理”課程教學(xué)大綱如下：通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生對物理學(xué)所研究的各種運動形式以及它們之間聯(lián)系，有比較全面和系統(tǒng)的認識；對本課程中的基本理論、基本知識和基本技能能夠正確地理解，并具有初步應(yīng)用的能力。在本課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)注意對學(xué)生進行嚴肅的科學(xué)態(tài)度、嚴格的科學(xué)作風和科學(xué)思維方法的培養(yǎng)和訓(xùn)練，應(yīng)重視對學(xué)生能力的培養(yǎng)。（1）要求學(xué)生對某些知識透徹理解、牢固掌握，并能推導(dǎo)出相關(guān)定理；（2）要求學(xué)生對某些知識理解并能掌握，對定理的推導(dǎo)不作要求，但要求會用它們分析、計算有關(guān)簡單問題。

從這兩個教學(xué)大綱中可以看出，“大學(xué)數(shù)學(xué)”教學(xué)和“大學(xué)物理”教學(xué)強調(diào)的是讓學(xué)生掌握“基本知識”，學(xué)會“基本技能”，即所謂的“雙基”教育。這種教育培養(yǎng)了千千萬萬的技術(shù)管理人才，在將我國從文盲率90%的貧窮落后國家提升到世界第二大經(jīng)濟體中發(fā)揮了巨大的作用。明顯的例子是，日本有東芝彩色電視后，我們研制出長虹、康佳；美國有蘋果手機，我們也研制出華為、中興手機；歐美有波音、空客客機，我們有C919，等等。現(xiàn)在，我們在很多行業(yè)技術(shù)上基本追上了發(fā)達國家。但是，這種教育的缺陷也是明顯的，它使得我們學(xué)生的創(chuàng)新能力還比較欠缺，原創(chuàng)理論還很少。更為嚴重的是，在目前的高等教育知識體系中，部分學(xué)生感到在數(shù)學(xué)課上學(xué)到一大堆不知有何用也不會用的公式；物理課上又講一些繞口的基本理論、基本知識。無論是數(shù)學(xué)教學(xué)中還是物理教學(xué)中，教師沒有幫學(xué)生把這些東西很好地串聯(lián)起來，使學(xué)生在這種分裂式的教育中成為犧牲品。比如，我在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生在“高等數(shù)學(xué)”課程中學(xué)習(xí)了微積分，僅知道把給定的積分式按要求寫出結(jié)果，卻不知道里面的被積函數(shù)代表什么，積分微元又是什么意義，怎樣選取積分微元等等。物理課上這些都要重新教，否則，學(xué)生還是糊涂的。這也導(dǎo)致學(xué)生在出國留學(xué)等進一步的學(xué)習(xí)中感到前所未有的迷茫，需要一到兩年的重新學(xué)習(xí)和適應(yīng)歐美發(fā)達國家的教學(xué)環(huán)境。一名清華大學(xué)電機系96級學(xué)生在美國加州伯克利大學(xué)攻讀博士研究生時寫道：Preliminary是伯克利的博士生入門資格考試，在這場考試中，一個密封的教室中坐著三位教授，每人給考生出一個大問題，各20分鐘，共計1個小時。要求考生在臺上當場思考，在白板上畫圖分析，用英語講解和回答問題。拿著問題直接建立數(shù)學(xué)模型，然后用數(shù)學(xué)參數(shù)、物理公式解題的中國學(xué)生大多被教授直接拒掉。教授的答復(fù)是這類學(xué)生采用了技工的思維方式而不具備一個工程師的基本素養(yǎng)。更為嚴重的是，目前的本科教育還導(dǎo)致在中國產(chǎn)生了千千萬萬的高分低能畢業(yè)生，而且還在繼續(xù)不斷涌現(xiàn)。

我們本科教育的問題出在哪兒呢？我們老師不是常年都是這樣教學(xué)生的嗎？——教導(dǎo)學(xué)生看到問題，思考該問題與哪個公式接近就套用哪個公式就把問題解決了。我們的考試就是針對各種公式、定理挖坑、繞彎，看學(xué)生怎樣爬出教師設(shè)的坑，繞過教師設(shè)的彎彎找到合適的公式解決問題。我們的本科教育還有哪些不足呢？在美國教授思維體系里一個合格的工程師的基本素養(yǎng)是什么？要知道自己的差距，可以先從歐美發(fā)達國家的教育入手，看看他們是怎樣學(xué)習(xí)、怎樣對待教授的問題的。由于美國學(xué)生從小學(xué)教育就強調(diào)Presentation（展示）的訓(xùn)練，練的就是站在講臺上侃侃而談的本事。他們說到與自己專業(yè)有關(guān)的知識就神采飛揚，滔滔不絕，如數(shù)家珍。在回答教授問題時他們中的大多數(shù)能有效地將未知的問題簡化成熟悉的形式，然后一針見血地指出問題的關(guān)鍵所在，猜出初步答案。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧在與諾貝爾文學(xué)獎獲得者莫言的對話中，楊振寧說：“科學(xué)是一個猜想的學(xué)問”。美國學(xué)生的“猜”答案，竟然與物理學(xué)家楊振寧對科學(xué)研究的觀點驚人地吻合！這個“猜”是隨意的嗎？是任何人都可以完成得很好的嗎？我想不是。我暫且把楊先生的“猜想”理解為某人對某個事件、某種現(xiàn)象的直覺反應(yīng)，這種直覺反應(yīng)來自于人們長時間思考某個現(xiàn)象、某個事件后一種豁然醒悟。我們的教育雖然不能直接教學(xué)生怎么“猜”，但我們可以培養(yǎng)學(xué)生遇到新現(xiàn)象或者新事物的時候快速思索、得出一個初步結(jié)論的能力。我們現(xiàn)在的教育過程就缺少了這一個環(huán)節(jié)。所以，無論從新時期新需要出發(fā)，還是從發(fā)展學(xué)生的自身的創(chuàng)新能力出發(fā)，改革我們的本科教育勢在必行，而且也是非常緊迫的任務(wù)。

三、在本科教育開創(chuàng)科學(xué)啟蒙教育的嘗試

我國經(jīng)濟的改革開放進行了近40年了，我國的教育改革也一直在進行，但與世界尤其是美國、歐洲、日本教育的差距還很大。為了順應(yīng)時代的要求，2017年，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院，重新擬定了工科“大學(xué)物理”的教學(xué)大綱。中心內(nèi)容如下：本課程是為工科低年級學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的思想方法和研究問題的方法，較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)而準備的。在培養(yǎng)科學(xué)思維方式與科學(xué)素養(yǎng)、工程能力與工程素養(yǎng)方面起到引領(lǐng)性作用。它不僅對在校學(xué)生的學(xué)習(xí)十分重要，而且對學(xué)生畢業(yè)后的工作和進—步學(xué)習(xí)新理論、新技術(shù)都將產(chǎn)生深遠的影響。通過課程的學(xué)習(xí)，要達到以下目標——使學(xué)生對物理學(xué)的概念、模型、規(guī)律的建立過程有明晰、正確的理解，由此熟悉并掌握物理學(xué)的思維方法，對物理學(xué)研究的各種運動形式以及它們之間聯(lián)系，有比較全面和系統(tǒng)的認識；掌握本課程介紹的基本理論、基本知識和基本技能，具有初步應(yīng)用的能力。使學(xué)生逐步認識到物理學(xué)是一套獲得、組織、運用和探求知識的有效步驟和方法。在注重知識體系完整的同時，提高學(xué)生的興趣，讓其主動參與實際探究過程，實現(xiàn)工程人才的知識、能力、科學(xué)素養(yǎng)的一體化培養(yǎng)。

這份教學(xué)大綱首次把培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)發(fā)現(xiàn)意識、科學(xué)思維方法和科學(xué)素養(yǎng)（科學(xué)啟蒙）置于重要位置，理順了“雙基”教育與培養(yǎng)科學(xué)思維能力的關(guān)系，把科學(xué)啟蒙融于本科“雙基”教學(xué)過程。下面以本課程中的第二十二講“多普勒效應(yīng)”為例來分析怎樣引導(dǎo)在大學(xué)物理教育中開啟學(xué)生的科學(xué)啟蒙教育[2]。

1.多普勒效應(yīng)的研究背景——用歷史故事引出知識點

奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）誕生于1803年。當時的人們都普遍認為，無論聲源和觀察者做著怎樣的運動，頻率總是一定的。即通俗地說，兩個前進速度不同的人邊走路邊說話，聽到的聲音的高低，與他們停下來說話的聲音頻率是相同的。然而多普勒推翻了人們的這一結(jié)論。1842年的某一天，多普勒正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠而近時汽笛聲音變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠時汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。他對這個物理現(xiàn)象產(chǎn)生了極大興趣，并進行了研究，發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對運動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象。后來，人們把這個現(xiàn)象稱為“多普勒效應(yīng)”。

這件事情多數(shù)人都可能遇見過，但為什么直到1842年才由多普勒提出來呢？或許一些人聽得不仔細，沒有發(fā)現(xiàn)什么不同；或許一些人對該現(xiàn)象司空見慣，不感興趣，放過了身邊的機會。故事告訴我們遇事多聽聽，多看看，而且要保持好奇的心態(tài)。愛因斯坦說，自然往往只給我們露出那么一點點可觀察的現(xiàn)象，只有仔細聆聽它的人才有可能抓住這個現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隱藏在現(xiàn)象背后原因。 做一個保持好奇心的學(xué)者，一個仔細聆聽自然的人是科學(xué)啟蒙的第一步。

2.多普勒效應(yīng)的實驗驗證

多普勒只是觀察到了這一現(xiàn)象，但沒有給出理論上的解釋，也沒有通過實驗來證實這一現(xiàn)象。在多普勒時代，實驗條件還比較落后，不可能通過計算機記錄波形，然后通過比較幾幅波形圖，計算出波的頻率。所以許多人并不認同他的觀點，他們的理由是多普勒的假說缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)支持，也沒有得到有力的理論證明。直到1845年，荷蘭氣象學(xué)家拜斯·巴洛特（Buys Ballot）通過一個實驗驗證了它在聲學(xué)上的正確性，多普勒效應(yīng)才得到人們的認可。實驗中，巴洛特請了很多吹小號的大師在一節(jié)平穩(wěn)車廂上奏樂作為聲源。當火車快速行駛過來時，由一些專業(yè)的音樂家判斷音調(diào)的變化，然后將小號手與音樂家的位置對換，重新進行測量。進行多次反復(fù)實驗，巴洛特最終成功地驗證了多普勒效應(yīng)在聲學(xué)上的正確性，使多普勒效應(yīng)得到大家的認可。現(xiàn)代科學(xué)實驗中已開發(fā)出多種型號的多普勒效應(yīng)綜合實驗儀來測量聲頻的多普勒效應(yīng)。

這個故事說明真理往往掌握在少數(shù)人手里，多數(shù)人都是或者習(xí)慣于當前的環(huán)境，懶得思考，或者跳不出自身思維的框架發(fā)現(xiàn)不了新事物。只有勇敢、睿智的人才有希望摘取自然饋贈的明珠。實驗驗證是科學(xué)研究諸多方法中的一種，這個故事也讓學(xué)生明白實驗驗證在科學(xué)研究中的重要性。

3.多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)描述及物理解析

由于多普勒效應(yīng)是指當波源與觀察者有相對運動時，觀察者實際接收的頻率與波源發(fā)出波的振動頻率不一致的現(xiàn)象，我們研究這個問題的目的就是要明確這兩者之間的定量關(guān)系。如果我們用v0表示波源的頻率，vR表示觀察者接收的頻率，波在介質(zhì)中的傳播速度為u。在波源靜止，觀察者以速度uR接近（或者遠離）波源運動，則波相對于觀察者的速度為u±uR（接近取“+”，遠離取“-”）。進一步，在波源靜止情形下，波長不變。根據(jù)頻率、波長、波速三者之間的關(guān)系，我們得到接收器接收到的頻率為

從式（1）可以看出，觀察者向著波源運動時，接收頻率大于波源發(fā)出的頻率；當觀察者遠離波源運動時，接收頻率小于波源發(fā)出的頻率。

現(xiàn)在假設(shè)波源以uS的速度運動，觀察者靜止，則波相對于觀察者的速度為一常數(shù)。如下圖所示，波源運動導(dǎo)致兩相鄰相差2π相位的空間點距離發(fā)生變化，也就是波長發(fā)生變化，即，（波源接近觀察者運動取“-”，遠離取“+”），這樣觀察者接收到的頻率為

從式（2）式可以看出，波源向著觀察者運動時，接收頻率大于波源頻率；當觀察者遠離波源運動時，接收頻率小于波源頻率。

當波源和觀察者都在運動時，綜合上面兩種情況，觀察者接收到的波的頻率與發(fā)射源發(fā)射的頻率有如下關(guān)系

我們注意到，波源發(fā)出的頻率是固定不變的，它不隨物體運動狀態(tài)的改變而改變。而接收者接收到的頻率是變化的，是因為觀察者和波源之間存在相對運動，并不能認為僅僅是因為接收者在運動。如果波源和接收者以相同的速率朝同一方向運動，即相對速度為0，此時觀察到的頻率即為波源發(fā)出的頻率。另外，多普勒效應(yīng)只發(fā)生在波源與觀察者連線方向，垂直方向沒有多普勒效應(yīng)，所以多普勒效應(yīng)發(fā)生時接受波的頻率的一般表達式為

式（4）中θ1，θ2分別為觀察者運動方向和波源運動方向與波源與觀察者連線之間的夾角。

這一節(jié)綜合運用學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)的波長、頻率、波速這些概念來深入理解隱藏在多普勒效應(yīng)背后的原因，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象中蘊藏的普遍原理，這是科學(xué)啟蒙意識培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.多普勒效應(yīng)的拓展——光的多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，而且還適用于光波。由于光具有波動性，光的頻率也會隨光源運動速度或者觀察者運動速度變化而變化。光的多普勒效應(yīng)被稱為“多普勒-斐索效應(yīng)”。1848年，法國物理學(xué)家斐索（Hippolyte Fizeau，1819—1896年）獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，探索出利用多普勒效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法。光波頻率的變化使人感覺到的是顏色變化。當恒星遠離我們遠去時，光的譜線向紅光方向移動，稱為紅移；當恒星向我們運動時，光的譜線向紫光方向移動，稱為藍移。這一發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)上具有重大的作用，通過分析接收光的頻譜，人們可以研究距地球任意遠的天體的運動。1868年，英國天文學(xué)家W.哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度。

這個小節(jié)擴展了學(xué)生的視野，讓學(xué)生從古老文明走向現(xiàn)代文明；更重要的是這小節(jié)是一個開放性的話題，學(xué)生可以在這一節(jié)盡情發(fā)揮，各抒己見，各展所長。

5.多普勒效應(yīng)的物理意義及對人類生活的影響

由多普勒效應(yīng)，愛德文·哈勃（Edwin Hubble）得出了宇宙正在膨脹的結(jié)論。早在19世紀下半葉，天文學(xué)家也已經(jīng)能夠通過多普勒效應(yīng)來測量恒星的視向速度。多普勒效應(yīng)在生活中也具有廣泛的應(yīng)用。超聲波的多普勒效應(yīng)已經(jīng)用于醫(yī)學(xué)的診斷，醫(yī)院用的彩色超聲波（彩超）原理就是超聲波的多普勒效應(yīng)。彩超既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點，又同時提供了血流動動力學(xué)的豐富信息，它受到了醫(yī)生們的重視和歡迎。在臨床上彩超被譽為“非創(chuàng)傷性血管造影”。當然，聲波的多普勒效應(yīng)還可以用來檢測車輛是否超速。向行進中的車輛發(fā)射一束信號，通過計算返回信號與原信號頻率的差值（拍頻），就可以判斷車輛是否超速。此外，它還可以用于氣象預(yù)警、衛(wèi)星通信、軍用雷達等方面。

這個內(nèi)容讓學(xué)生明白科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系。這是我國教育中欠缺的，以致我們大多數(shù)人分不清什么是科學(xué)、什么是技術(shù)。搭一座科學(xué)與技術(shù)聯(lián)系的橋梁是科學(xué)啟蒙教育的較后環(huán)節(jié)，但也是必需的。如我的學(xué)生王裕杰同學(xué)在他完成了仔細研讀“多普勒效應(yīng)”一講后寫道：“第一次接觸到這個知識是在高中的物理課本上，當時老師僅僅是一筆帶過了，自己也沒有多大的印象，覺得只需要記住一個公式就行了。然而在我讀了這一講后，發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)作用如此之大。它在我們的生活中幾乎無處不在。我深深感受到了多普勒效應(yīng)的魅力所在，同時也認識到?jīng)]有哪個物理知識是沒用的，一個物理知識的實現(xiàn)與應(yīng)用只是時間問題。”

綜上所述，我們在“多普勒效應(yīng)”這個知識點講解中用五個步驟中的前四個，把科學(xué)啟蒙的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)——聆聽自然、發(fā)現(xiàn)問題的意識，研究科學(xué)的一般方法，鉆研科學(xué)的精神清清楚楚地展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者的面前，通過最后一個步驟把該科學(xué)知識在現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防中的應(yīng)用情形介紹給學(xué)生，并通過提問、回答問題環(huán)節(jié)賦予學(xué)生提出新問題的機會。這樣，科學(xué)啟蒙教育自然而然地在扎實的“雙基”教育中完成了。所以，我認為科學(xué)啟蒙教育是必要的、緊迫的，也是完全可以融入現(xiàn)在的本科“雙基”教育中的。

參考文獻：

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[2] 李翠蓮. 大學(xué)物理精講與典型難題詳解[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2017.

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