基础物理教学的四个理念_陈泽民

物理学的本质是真 ———客观规律 、真理
物理学的价值是善 ———能够造福人类
物理学的追求是美 ———简洁明快 ,均衡对称 ,
和谐统一 , ……
如 :万有引力定律 ———简洁明快之美
麦克斯韦方程 ———统一对称之美
相对论 ———和谐自洽之美
自由空间的电磁波方程 :
52ψ 5 x2
+
52ψ 5 y2
+
52ψ 5 z2
·艺术中的对称性
·文学中的对称性 请看下面两幅对联 : 上海自来水来自海上 , 南山长生松生长山南. 客上天然居 ,居然天上客 (乾隆上联) , 僧游云隐寺 ,寺隐云游僧 (张琏下联) .
·爱因斯坦对迈克尔孙的评论 : “我总认为迈克尔孙是科学中的艺术家 ,他的 最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法 的精湛 ,他从来不认为自己在科学上是个严格的 ‘专家’,事实上的确不是 ,但始终是个艺术家. ”
FOUR IDEAS FOR TEACHING FOUNDAMENTAL PHYSICS
Chen Zemin
( Physics Depart ment of Tsinghua Universit y , Beijing 100084)
Abstract Refo rmatio n of p hysics teaching needs correct ideas , fo ur sentences f ro m fo ur
习物理的兴趣提高到审美的层次上来. (2) 联系历史 适当介绍重要的规律 、理论发现和建立的过
程. 这不仅能使学生受到前辈科学家创新精神的 感染和科学方法的熏陶 ,还能大大激发学生学习 物理的兴趣. 如介绍 :
·照相机的增透膜是怎样发明的 , ·普朗克的量子论是怎样建立的 , · 李 政 道 、杨 振 宁 是 怎 样 提 出 宇 称 不 守
二 、物理教学理念之二
杨振宁 “: 现象是物理学的根源. ”
·万有引力 —月球对地面上海水的引潮力 引潮力常触发地震
杨振宁先生这段话的全文是这样的 : “很多学生在学习中形成一种印象 ,以为物理 学就是一些演算. 演算是物理学的一部分 ,但不是 最重要的部分. 物理学最重要的部分是与现象有 关的. 绝大部分物理学是从现象中来的 ,现象是物 理学的根源. ”
总想探索新途径 ,提出新观念 ,尝试新方 法 ,导出新结论.
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没有想到创新的人绝不会有新创造. ·不怕名人权威 ,在新的事实面前敢于怀疑
旧理论 ,提出新问题. 吴健雄指出 “: 进步道路上的绊脚石是 ,也一 向是 ,不容许怀疑的传统. ” 爱因斯坦说 “: 提出一个问题往往比解决一个 问题更重要 ,因为解决问题也许仅仅是数学上或 实验上的一个技能而已 ,而提出新的问题 、新的可 能性 ,从新的角度去看旧的问题 ,却需要有创造性 的想像力 ,而且标志着科学的真正进步. ” 要鼓励学生成为敢于怀疑 、善于提问的 、具有 批判性和创造性的探索者. 怎样培养学生的创新意识和勇气 ? ·少年儿童天生就富于想像 ,喜欢创造 ,无
物理教学的改革和课程建设要有正确的理念 做指导. 有的理念在教学改革的一定阶段很重要 , 有的理念则应贯穿于物理教学的始终 ,并应长期 起作用. 四位物理学大师的四句话应当作为改进 基础物理教学最基本 、最重要的理念.
一 、物理教学理念之一
爱因斯坦 “: 兴趣是最好的老师. ”
·有了兴趣学生才能主动而非被动地学习 , 学习才能深入.
基础联系前沿如 : ·逃逸速度 ———黑洞 ·动量守恒 ———中微子的发现 ·万有引力 ———脉冲双星 、引力波 ·热二定律 ———时间箭头 ·多普勒效应 ———红移 、大爆炸理论 理论联系应用如 : ·光栅衍射 →相控阵雷达
3. 讲出物理规律之美 , 并联系历史 、联系人
文 、贴近生活
(1) 物理规律之美
famo us p hysicst s can be used as mo st impo rtante ideas for teaching fo undamental p hysics. Key Words p hysics teaching ; interesting ; p ho namena ;discussio n ;creatio n
·物理学是在不断探索 、不断发现 、不断创 新中发展起来的 ,没有创新就没有今天的 物理学.
·物理学研究的是最基本的自然规律 ,规律 的 发 现 、理 论 的 提 出 , 只 有 第 一 , 没 有 第二.
·掌握物理学的精髓 , 最重要的就是学会 创新.
·物理教学要把培养学生的创新精神放在 第一位
1. 要培养学生创新的意识和勇气 ·喜欢标新立异 ,不墨守成规.
(4) 贴近生活 ,如以下各例 :
高熵 ———混乱 ;热平衡 ———死亡 薛定谔《: 生命是什么 ?》 “生命之所以能存在 ,就在于从环 境中不断得到‘负熵’” “有机体是依赖负熵为生的” ———《生命的热力学基础》 4. 把计算机引入物理课程的学 习 ,用计算机模拟 、计算 、显示 、研究物 理过程. 把学生玩计算机的兴趣引导到 学习物理上来
·图片 ,视频 (录像) ,演示实验在教学中具 有十分重要的作用.
演示实验最重要 :直观 —真实 —生动 作用 : 观察现象 ,启迪思维 ,显示原理 ,验证 理论. 是培养学生探索精神 、创新精神的重要手段.
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物理与工程 Vol. 16 No . 6 2006 1. 观察现象 ,如 :
3. 显示原理 ,如 :
·普朗克等人提名爱因斯坦为普鲁士科学 院院士的推荐书 :
“几乎没有一个现代物理学的重要问题爱因 斯坦没有做过巨大贡献. 当然他有时在创新思维
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中也会有错 ,比如 ,他对光量子的假设. 可是也不 应该过分批评他 ,因为即使在最准确的科学里 ,要 提出真正新的观点而不冒任何风险是不可能的. ”
恒的. (3) 联系人文 (文学 ,艺术 ,评论 , ……) 波2粒二象性 —寓于一体又不同时出现. 如展 示下图 :
这些对联可说是具有“时间反演不变性”. 介绍有关的评论 ,如 ·杨振宁对狄拉克方程的评论 : “这个简单的方程是惊天动地的成就 ,是划时 代的里程碑. ” “反粒子理论又是物理学的另一个里程碑. ” 称赞狄拉克方程和反粒子理论是 : “性灵出万象 , 风骨超常伦. ”高适 《: 答侯少 府》 ·玻尔对普朗克量子论的评价 : “在科学史上很难找到其他发现能像普朗克 的基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产 生如此非凡的结果 …… “上一代人能取得有关自然知识的如此的神 奇进展 ,应归功于人们从传统的思想束缚下获得 的这一解放. ” ·爱因斯坦在 1918 年 4 月普朗克 60 岁生日
例2 细绳悬挂在平衡杆的一端 ,并使其绕 A B 轴 转动 ,如果细绳突然断开平衡杆如何转动 ?
分析得对吗 ? 看看实验. 通过讨论课 ,激发学生研究更深层次的问题.
四 、物理教学理念之四
李政道 “: 物理学的百度文库髓在于创新. ”
·物理学中最重要的东西不是某个原理 、某 条定律 ,而是它所包含的创新精神.
·观察现象 ,研究现象 ,揭露现象背后的本 质和规律 ,才发展了物理学.
·基础物理的教学应当同观察和分析物理 现象联系起来 ,否则就是无源之水 、无本 之木.
·基础物理的大部分内容都应采用从现象 →本 质 ; 从 感 性 →理 性 的 方 法 进 行 教 学. 要把观 察 现 象 作 为 物 理 教 学 的 重 要 环节.
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1 c2
52ψ 5 t2
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x , y , z , i ct 的整 齐平 衡和 4 维空 间的 对称
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之美 杨振宁对牛顿运动方程 、麦克斯韦方程 、相对
论等的评价 : “它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世
界的基本结构 ,可以说它们是造物者的诗篇. ” 要引导学生发现和欣赏物理规律之美 ,把学
所顾忌 ,不怕权威. 可是我们从小就要求 他们听话 、守规矩 ,强求一律 ,崇拜权威 , 应试教育 , ……,是我国教育制度和教育 方法的弊端 ,扼杀了学生的创新精神. 到 了大学才要重新“培养”. ·3000 年前的一个哲人曾经说过 “: 学生的 头脑不是一个待被填满的容器 ,而是一个 需要被点燃的火种. ” 什么火种 ? 求知的火种 ,创造的火种. 我们的任务是点燃这些火种. 求知的火种可以用兴趣和责任感去点燃 , 创造的火种用什么去点燃 ? 解放思想 ! 就是要去掉思想束缚 ,把创新精神重新激发 出来. ·教学中要 :少一些限制 ,多一些自主 ; 少一些批评 ,多一些鼓励. ·要着重强调 : ▲科学技术在不断发展 ,永远都存在创新的 空间 ; ▲ 大师 、权威们的观点 、结论也有时代的局 限 ,也有错误 ,要敢于突破 ; ▲ 年轻 、知识少不是障碍. (1) 科学技术在不断发展 ,现有结论不是不 变的. 通常人们认为 实际测量结果 光子静止质量为零 m < 10 - 48 g
·讨论是科学赖以生长 、繁荣的土壤. 讨论
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可以使学 习深 入 , 讨 论能 够激 发创 新的 火花. ·杨振宁的体会 : “我一生中最重要的一年 ,不是在美国做 研究 ,而是当时和黄昆同处一舍的日子. 正是那些争论 ,使我找到科研的感觉. ” ·要向学生反复强调讨论的重要性 ,鼓励并 组织学生开展讨论 ,形成“勤于思考 ,乐于 探讨”的学术氛围. ·讨论有多种方式 ,不拘一格 ,讨论就好 : 大课提问讨论 ; 小班专题讨论 ; 网上随意讨论 ; 宿舍卧谈讨论 …… 小班讨论课是推动学生开展讨论的有效方式 清华大学 ,西安工业学院等校都有物理小班 讨论课. 以清华大学为例 : 3 作用 : 深入理解基本概念 、原理 ,掌握基本方法 ; 开阔思路 ,鼓励创新 ,训练辩才. 3 做法 : ·15～20 人一班 ,主讲教师指导 ,由教师和 助教分班主持. ·主要题目课前到手,师生有备而来, 围绕教学重点 和学 生学 习的疑 点 、难 点 展开. ·同时鼓励学生提问题 ,什么问题都可以讨 论 ,包括教师可能回答不上来的 ,以及没 有公认结论的问题. ·讨论和演示实验相结合. 例1 在台面上合适地搓动乒乓球 ,乒乓球在桌面 上前进一段距离后将会自动返回. 1. 试对此现象作定性解释 ; 2. 设乒乓球可看成匀质刚性球壳 ,导出能产 生上述现象时 ,其初始条件应满足的关系.
4. 验证理论 ,如 :
2. 启迪思想 ,如 : 悬浮体也可以是挂在下面 ,这是什么原因 ?
·演示实验厅 学生可以自己动手演示.
·演示实验要进课堂 ,使演示与讲课同步进 行 ,实验与理论教学紧密配合.
三 、物理教学理念之三
海森堡 “: 科学扎根于讨论. ”
陀螺在 旋 转 时 会 自 动 翻 过 来 转 , 这 是 什 么 原因 ?
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专论
基础物理教学的四个理念
陈泽民 (清华大学物理系 ,北京 100084)
(收稿日期 : 2006207229)
摘 要 物理教学的改革和课程建设要有正确的理念做指导 ,四位物理学大师的四句话应当作 为基础物理教学最重要的理念.
关键词 物理教学 ;兴趣 ;现象 ;讨论 ;创新
·要改变物理课枯燥 、死板 、严肃 、难懂的面 貌 ,使物理课变得亲切 、有趣 、有吸引力 , 使学生能主动地 、生动活泼地学习. 至少 可以从以下四个方面努力 :
1. 从现象出发把五彩缤纷、美妙神奇的物理世 界展现在学生面前 ,以激发学生的好奇心和求知欲
引导学生以探索、研究的心态进行学习 ,如展示 :
·请注意 : 兴趣是最好的老师 ,我们都不是.
·教师的一个重要任务就是使学生能得到 这个最好的老师 ———激发和培养学生学 习物理的兴趣.
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2. 要实现基础与前沿 、经典与现代 、理论与 应用的有机结合
既要强调物理教学的基础性 ,又要注意它的 时代性和前沿性 ;既要深入揭示物理规律的内涵 和意义 ,又要适当联系它在高新技术中的应用. 使 学生觉得物理学新颖 、深刻 、有用 ,从而提高学习 物理的兴趣.
庆祝会上的一段讲话 : “在科学的殿堂里有各种各样的人 :有人爱科 学是为了满足智力上的快感 ;有的人是为了纯粹 功利的目的. 而普朗克热爱科学是为了得到现象 世界那些普遍的基本规律 , ……他成了一个伟大 的创造性观念造福于世界的人. ”
·杨振宁对吴健雄的评论 :
物理 规 律 的 对 称 性 —一 定 变 换 下 的 不 变 性. 如 :