1. 引言
物理学是人类在对自然的观察、实践和认知中不断深入发展的学科,其研究成果和方法对社会发展、人类观念产生了深刻变化,也必将对未来科技发展和社会进步起到重要作用。因此,各高等院校理工科专业都开设了《大学物理》课程,以助力大学生养成科学的数理逻辑思维,提高大学生科学素养、创新思维和职业发展潜力。从大学物理教学内容上来看,涵盖了力、热、电、磁、光、近代物理等内容,其中还穿插了科技前瞻性内容,内容跨度大。由于我们国家的物理教育是“螺旋式上升”的,在刚接触大学物理时,很多内容尤其是力学部分的概念是中学物理的拓展,很多同学认为比较“简单”,存在一定的轻视思想;而随着教学的深入,又出现了理解困难、高等数学应用困难、缺乏解题思路等问题,所以如何有效实施大学物理教育,是物理学教育界一直在不断思考的问题。
大学物理从其学科性质上来说,是具有绪论性、方法论性质的课程,为大学生的专业学习提供基础思维训练,所以大学物理的教学不仅要让学生掌握物理学的基本概念、基本理论,更要注重科学素养的培养,让学生在其后的专业课程中,能够顺利理解和应用相关的物理学原理,促进相关的学科学习和科学研究。那么从物理学科本质出发,物理学科的核心本质是什么?其基本构成要素是什么?这些问题影响了大学物理学科教育。本文从物理学科本质视角出发,探索大学物理教学模式,为培养优秀的现代化专业人才奠定基础。
2. 物理学科的本质
1989年,美国科学促进协会在《面向全体美国人的科学》中,对科学的本质从科学世界观、科学探究、科学事业三个方面进行了阐述,对科学素养的定义为:“理解科学核心概念和原理;熟悉自然界,认识自然界的多样性和统一性;能够按个人和社会目的运用科学知识和科学的思维方法” [1] 。总结起来,就是要培养学生必备的基础学科知识,培养科学的思维方式,形成科学的世界观。物理学属于科学,因此在很多情况下,研究者直接用科学的本质来解释物理学科的本质 [2] 。从物理学科本身角度来说,物理学科的本质与科学本质有交集但也存在很大不同。
二十世纪70年代,美国学者霍尔顿提出了物理学的三维模型,即:基于实验的X、物理思想的Y和数学的Z [3] 。这种模型奠定了物理学学科结构和教学规律的研究基础,也是物理学科本质的基本构成要素。这些基本构成要素相对比较简略,深入分析这些基本要素,有助于我们深入理解物理学科的本质,并有助于指导教学实施。
从物理学本身出发,物理学思想是对物理学的知识以及研究方法的深层认知,包含了物理知识与方法,是物理概念和物理规律的凝练与升华形成的物理学观念。因此,物理学科本质要素可认为是物理实验、物理知识、物理方法与数学应用。
此外,物理学思想还包含着深刻的科学与人文精神。利用物理学观念去解释人们生活中遇到的各种问题,有助于人们形成正确的物质观、世界观,对人生观、价值观有着极大的影响,对人格的发展起到了塑造作用,因此,物理教育一方面要通过物理知识的讲授培育科学精神,另一方面还需要进行人文精神的教育,以展现对人类精神文化的敬畏,关切并维护人类的普适价值。所以物理学科不仅要培育科学精神,还必须重视人文精神的教育,避免落入唯科学主义论 [4] 。
综上所述,我们从霍尔顿的三维模型出发,通过对物理学思想的解构,将物理学科本质概括为:物理知识、物理方法、物理思想、数学、物理实验、科学与人文精神等六个层面,在教育教学中也应从这些层面出发,实现教育目标。
3. 物理学科本质的解读
3.1. 知识本质
物理学是人类对自然世界的观察、实践活动中,对客观世界的认知,包括感性认知与理性认知。感性认知主要反应的是对事物的客观现象和外部联系,主要是表象认知;理性认知则是对事物的本质属性及内部关联认知,主要表现是形成基本概念和原理。物理学科就是科学总结物理学中的概念和原理,利用数学工具形成严密的理论科学,具有严格的逻辑体系。对于这种物理学体系,如何实现物理学的本质教育,就需要从物理学本质出发,培养学生物理学的认知。
对教育来说,其根本在于传承知识并教会人思考,最终使个人能力得以升华。比如在弹性力中,我们一般的定义都是“因外力产生形变后的回复力”,尽管我们学生对支持力、张力等中学的基本概念有了一定的了解,但是对其产生的本质并不清楚,在大学物理教育中,就必须深入阐述这一产生的微观机制,即分子力的作用机制。进一步来可以阐释,相对于分子来说,所谓的接触是分子外层电子的接触……这些物理学概念的阐释,跨越了物理学数百年知识,深入到物理学现象形成的微观机制,这才能让大学生触及到物理知识的本质,并认识到物理学发展的思想与历程。
3.2. 方法本质
物理方法是物理学的重要组成部分,是在认识和改造物理世界过程中形成的具象化的物理学概念,是人类对世界认知的途径和方式,它对构建物理学知识有着重要作用。比如物理学的量纲中,物理量各种单位的来源及其定义。速度、加速度、电场强度、电势等相关物理量都是利用物理量的比值进行的定义,都是为了得到某些物质的本身属性 [5] [6] 。从确定物理量的单位,再到各种比较复杂的物理量的定义,比如电流的单位等,让学生认识到,我们今天的物理量、物理定律,都是无数科学家在认识和改造自然界中形成的方法论的集合。对这些物理方法的认知,能够促进学生对科学研究方法的思考和应用。
3.3. 思想本质
物理思想是物理学家在研究和探索物理学过程中所形成的思想内涵,包括物理学家思考与灵感来源,是众多物理学家形成的思想结晶,并引领了物理学的发展和完善 [7] 。物理学思想主要包括:对称思想、等效思想、不可逆思想、转化思想等十大类。以库仑定律为例,库伦在进行实验之前,认为电荷之间受力与万有引力类似,具有距离平方反比特性,并通过库伦扭秤进行验证,从而得出正确的结论。正是因为他的这种等效思想,让他成为电学研究的奠基人;再比如,爱因斯坦从等效原理出发,在思考惯性质量与引力质量的过程中,发展出相对论。
3.4. 数学本质
物理学的基础是实验,但物理学形成的定律则是物理学的主干。人类与自然的对话必须使用数学描述,物理定律都要用数学式子来表示,数学是物理学阐述、解释物质世界的语言和工具,所以,数学是物理学的本质构成要素之一。
在物理学中,所有的物理学定律的最终形式都是简洁的。比如质能方程
,再比如薛定谔方程
。尽管从物理学推导过程来看,数学应用很复杂,但是最终的物理学理论框
架都是简洁的。杨振宁教授在《美与物理学》中,将数学列于物理学最基础的位置,并用“双叶关系”来形容两者 [8] 。在物理教学中,有必要详细阐述数学尤其是高等数学的分析和应用。
3.5. 实验本质
物理学是一门以实验为基础的科学,伽利略之所以被称为近代物理学奠基人,就在于他首创了研究自然科学的新方法,即实验和科学推理方法 [9] 。实验就是利用各种仪器和设备,分析各种物理要素并排除次要因素的干扰,去研究、验证物理现象及其规律的活动。在开设大学物理课的专业,基本都开设了相应的物理实验课程。当然,作为大学生来说,一定要教导他们“做什么不重要,为什么做才重要”的思想。因为如果只把实验看作操作过程,而没有相应的思维过程,物理实验“不重要”的观念一定会喧嚣尘上,而这也是大学物理实验教学中的常态。很多学生只知道操作仪器,但是对实验原理、实验现象、数据处理等过程则不重视甚至漠视,这会造成实验与教育本质严重脱节。
3.6. 科学与人文精神
虽然物理学是自然科学,但是物理学包含了丰富的人文精神。人类的人生观、价值观、世界观会随着现实世界发生变化。当前,因为各种科技的应用,人们对科学并不陌生,对自然世界的理解和对精神生活的追求也发生着相应的变化。科学精神是对求真务实的科学价值取向的追求,人文精神则是对真善美等人类普适价值的追求。科学精神与人文精神在推动人类文明进步方面是相辅相成的,在人类发展史中是共存的。科学保证了人文精神的实现,人文精神则保证了科学的正确发展方向。
正是人文精神的缺失,科学家弗里茨·哈伯成为了“化学战之父” [10] 。一战时期的首次毒气战就有一万五千人中毒,五千人在窒息中死亡。二战后,爱因斯坦等一大批科学家意识到核战的威胁,为反对核战争奔走 [11] 。正是因为这些科学家的努力,减缓了核军备竞赛。没有科学精神,人类进步会极其缓慢,甚至有被淘汰的威胁;但只执着于科学,会使人只知“丛林进化论”而忽视人文精神,同样可能导致人类灭亡。所以,当技术飞速发展时,人类更需要人文精神审视科学前进的方位。
4. 物理学科本质对教育的启示
4.1. 综合创新内容体系
中国的初高中以至大学物理教学内容是螺旋式上升的,因此有必要对大学物理的内容进行相应的调整。在教学内容上,开发具有启发性的学习内容,结合生活经验,有助于真实问题情境的建构与解决;在形式上,激发学生主动参与、主动学习、主动探索。
比如在万有引力定律教学中,由于学生对万有引力概念已经很熟悉,可以通过综合、总结相关的物
理教学内容,引导学生去思考:
,能不能够说明
,
?为什么?如果将地球挖通,
那么掉入洞中的小球是怎样运动的?从高等数学角度怎么去解释这种现象?由此展开面元、立体角等数学概念的应用及讨论,如图1。这样,既增强了学生对物理概念的理解,又加强了他们对高等数学在物理学中的应用能力培养,实现学生对知识通识性和前沿性的结构性把握。再进一步还可以讨论:为什么引力质量与惯性质量是一样的?科学依据在哪里?这样逐步引导内容的深化,既让学生不至于有“重复”太多的思想懈怠,又能够让学生了解物理学发展的过程,增强学习兴趣。
4.2. 重视物理学方法演绎
在既定教学目标的基础上,注重物理原理及物理思想的理解和掌握,着眼于对典型物理问题的解决过程,以及在此基础上的演绎、推广,学习物理概念运用的精髓。
Figure 1. Example diagram of gravitation extension
图1. 万有引力拓展示例图
比如在刚体转动教学中,尽管学生高中阶段没有接触过刚体概念,但由于学生对质点运动学非常熟悉,因此在教学中可以采用知识的衍生、拓展式教学。如图2中,这三个物体分别受到大小相等的力的作用,分别会如何运动?B与C的区别在哪里?那么B受到的这两个力会做功吗?功是能量转化的量度,
这些功到哪里去了?通过逐步深入引导思考,再结合牛顿定律,引入
,展开转动惯量的讨论,
并与惯性质量进行对比,讨论其异同。这种对比,有利于从直观上理解转动过程中惯性的概念。
Figure 2. Schematic diagram of rigid body rotation
图2. 刚体转示意图
再比如在热学部分,定体摩尔热熔、定压摩尔热熔等物理概念在中学并没有接触,可以将其与中学的比热概念进行类比,它们在物理概念上的不同,是因为气体与固体、液体的不同,而其公式的形式则类似,这种类比,有助于形象记忆与物理概念的掌握。
4.3. 重视高数应用能力的培养
高等数学是大学物理的基础研究工具。而由于课程设置和高等数学追求自身逻辑等问题,学生对高等数学应用能力比较欠缺。物理问题的求解,基本思路就是先建立物理模型,再根据模型应用数学方法求解。只有真正清楚高等数学的相关概念及求解思路,才有进一步研究的可能。
比如对于速度的定义,
,学生都能够写出相应的微分式,但是对技术应用中,如何得出瞬时速度则没有概念,这会影响他们对物理定律的认知。这时,可以引导学生思考气垫导轨实验中,如何测量瞬时速度。在技术上,是计算极短时间内通过的距离,并求其比值获得瞬时速度,即:
,从而让学生明白,数学中极限与微元的含义。这样不仅有助于学生正确理解数学相关概念,对其在物理学中的应用也有着进一步的认识。
4.4. 重视实验与理论结合
教学中,注意结合实验现象的讲解。比如,在讲解转动惯量中,如果用一根细铁丝把重物挂起来,如图3所示,让重物微小角度转动时,会观察到什么现象?这与单摆现象有何共同之处?这说明物体在转动过程中也会发生与单摆类似的周期性运动,那么这种周期性运动和什么有关?
根据转动定律,
,这里转动的力矩由悬丝提供,且始终与转动方向相反,因此
。
,假设
,则
,解得:
在周期性运动中,
,假设已知K,则只需要测出周期T的值即可求出转动惯量J。
通过解题过程,让学生清楚测量的原理,让学生看穿复杂的测量过程,直接获得其核心知识。其后,可以督促学生思考有没有更好的方法测量?如何用其它器具替代铁丝?通过这些实验现象的讲解,让学生理解物理实验的目的,也能够让学生思考物理测量方法的改进。再比如在绝热过程的教学中,可以让学生对手心进行哈气和吹气,让他们体会感觉到的不同,进而启发学生联想在电饭锅出气孔处,蒸汽所形成的运动轨迹,想象手在不同位置感受到的温度,总结成因,增强学生对具体物理概念形成过程的了解,有助于对具体问题的分析、拓展。
4.5. 关注科学与人文精神的思考
物理学与人文精神是相辅相成的,在物理学教育中关注要物理学与人文精神的培养,这也与教育界最近推进的课程思政是一致的。文化的传承是人类存在的灵魂,作为基础学科,物理学要注意学生在学科教育中对人文、科学的思考,要强调人类对优秀文化成果的继承与发扬,注重让学生发展成为有着科学背景的有着高尚精神追求的人,要求我们培养的学生兼具科学精神和人文情怀。就像我们前文所提到的爱因斯坦,正是因为他注重物理学的科学价值和社会价值,为世界和平贡献了自己作为学者的人文情怀。与之相反的朗道,虽然在科学界是一位大师,但是他利用自己的学术权威,打击异己,使得其学派的学生只能仰其鼻息,遭人非议。即使现在的高校,仍存在着类似的学术霸凌现象,所以将科学与人文精神融入教学是必要的,培养具有社会责任感的适应新时代发展的人才,这也是课程思政的目的。
5. 结语
本文从霍尔顿物理学三维结构模型出发,提出物理学科本质的构成要素,并对相应的构成要素进行分析,为大学物理学科的教育研究提供了新的视角,为高等院校的课程改革提供参考,以实现高质量的教学改革。