物理教育与科学素质培养.doc

物理教育与科学素质培养物理课的目的和任务是什么？特别是非物理专业的学生为什么要学物理？在我国现行的教育体制中占支配地位的看法是，为专业课服务。于是，专业课需要的内容就讲，不需要的内容就不讲或少讲。专业课排下来剩的时间多就多讲，剩的少就少讲。著名理论物理学家、诺贝尔奖金获得者理查得·费曼说：“科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到什么程度（因为没有事情是绝对已知的），如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则，如何去思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。”所以，大学里的物理课绝不仅仅是物理知识的教育，更不是主要为专业课服务的。我们认为，物理学是整个自然科学的基础。对于任何专业，大学基础物理课的目的，都是使学生对物理学的内容和方法，工作语言、概念和物理图象，其历史、现状和前沿等方面，从整体上有个全面的了解。这是一门培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。下面分几个方面对此作些分析。1 什么是物理学？古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学。科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等，只是最近几百年的事。在牛顿的时代里，科学和哲学还没有完全分家。牛顿划时代的著作名为自然哲学的数学原理，就是一个明证。物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学。17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论，这是现代意义下的物理学的开端。从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论；克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论；库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论。至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立。然而，正当大功甫成之际，一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现，人们发现大厦的基础动摇了。在这些新实验事实的基础上，20世纪初，爱因斯坦独自创立了相对论，先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，创立了量子论和量子力学，奠定了近代物理学的理论基础。本世纪随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的，诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科。什么是物理学？试用一句话来概括，可以说：物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵，不过有一点是肯定的，即与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求。物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的。当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理。前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源。可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科。物理学和化学从来就是并肩前进的。如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合，则量子化学已深人到化学现象的微观机理。物理学和生物学的关系怎么样？对于如何解释生命现象的问题，历史有过两种极端相反的看法：一是“生机沦(vitalism)”，认为生命现象是由某种“活力”主宰着，永远不能在物理和化学的基础上得到解释；另一是“还原论(reductionism)”，认为一切生命现象都可归结（或者说，还原）为物理和化学过程。1824年沃勒(F. Wohler)成功地在实验室内用无机物合成了尿素之后，生机论动摇了。但是，能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢？回答这个问题为时尚早。不过，生命科学有自己独特的思维方式和研究手段，积累了大量知识，确立了许多定律，说把生物学“还原”为物理学和化学，是没有意义的。可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律，这些规律对有机界和无机界同样适用。物理学构成所有自然科学的理论基础，其中包括生物学在内。物理学和生物学相互渗透，前途是不可估量的。.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就，如DNA双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等，充分证明了这一点。现在人们常说，21世纪是生命科学的世纪，这话有一定道理。不过，生命科学的长足发展，必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的。2 物理学与技术社会上习惯于把科学和技术联在一起，统称“科技”，实际上二者既有密切联系，又有重要区别。科学解决理论问题，技术解决实际问题。科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来；技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去。科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的；技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划。历史上，物理学和技术的关系有两种模式。回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式。17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵；18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等，完善了蒸汽机，使之真正成为动力。其后，蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车；那时的热机效率只有58%。1824年工程师卡诺提出他的著名定理，为提高热机效率提供了理论依据。到20世纪蒸汽机效率达到15%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到50%。19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律，物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律。这种模式是技术向物理提出了问题，促使物理发展了理论，反过来提高了技术，即技术物理技术。电气化的进程提供了第二种模式。从1785年建立库仑定律，中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究。此后半个多世纪，各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生，蓬勃地发展起来。有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明。当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展。这种模式是物理技术物理。本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉。但几乎所有重大的新技术领域（如电子学、原子能、激光和信息技术）的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的。没有1909年卢瑟福的粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用；只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生。当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命。整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的。大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路。70年代后期出现了大规模集成电路。殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验上的准备：19251926年建立了量子力学；1926年建立了费米狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理；1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射；1928年索末菲提出能带的猜想；1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在；同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表。总之，当前的第二次工业革命主要是按物理技术物理的模式进行的。3 物理学的方法和科学态度现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学。物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，其要点可概括为：1) 提出命题命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可能是从已有原理中推演出来的。2) 推测答案答案可以有不同的层次：建立唯象的物理模型；用已知原理和推测对现象作定性的解释；根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释；当新事实与旧理论不符时，提出新的假说和原理去说明它，等等。3) 理论预言作为一个科学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪(falsify)的预言。这是真、伪科学的分野。为什么说“证伪”而不说“证实”？因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所以理论是不能完全被证实的。为什么要求能用实验来证伪？假如有人宣称：在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵。你怎么驳倒他？对这种论断，你既不能说它正确，又不能说它错误。我们只能说，因为它不能用实验来证伪，所以不是科学的论断。4) 实验检验物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则。理论不是唯一的，一个理论包含的假设愈少、愈简洁，同时与之符合的事实愈多、愈普遍，它就愈是一个好的理论。5) 修改理论当一个理论与新的实验事实不符合，或不完全符合时，它就面临着修改或被推翻。不过，那些经过大量事实检验的理论是不大会被推翻的，只是部分地被修改，或确定其成立范围。以上步骤循环往复，构成物理学发展模式化的进程。但是物理学中的许多重大突破和发现，并不都是按照这个模式进行的，预感、直觉和顿悟往往起很大作用。此外，且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合，也导致了不少的发现。顿悟是经验和思考的升华，而机遇偏爱有心人，平时思想上有准备，就比较容易抓住稍纵即逝的机遇。所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸。科学实验的结果，远非尽如人愿。不管你喜欢不喜欢，实事求是的作风、老老实实的科学态度是绝对必要的。在科学研究中，一相情愿的如意算盘是行不通的，弄虚作假迟早会暴露。失误任何人都难以避免，一旦发现，最聪明的办法是勇于承认。1922年年轻的苏联数学家弗里德曼发表了动态宇宙模型的论文，遭到爱因斯坦的批评。次年，爱因斯坦在读了弗里德曼诚恳的申辩信之后，公开声明自己被说服了。据伽莫夫回忆，爱因斯坦说，这是他一生中最大的疏忽。伟大科学家这种坦荡的襟怀，是所有人的楷模。基础科学研究的信息资源是共享的，这里没有秘不可及的玄机和诀要。根据公开发表的文献，人人可以自己判断，独立思考。所以，在科学的王国里，真理面前人人平等。这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从。“实践是检验真理的唯一标准”这一信条，在自然科学的领域里贯彻得最坚决。实践不是个别的实验结果，因为那会有假象，重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认。自然科学的主要任务是探索未知的领域，很多事情是难以预料的。实验的结果验证了理论，固然可喜；与理论不符合可能预示着重大的突破，更加令人兴奋，世界上建造了许多加速器，每个加速器都是针对某类现象而设计的。40多年的历史表明，除了反核子和中间玻色子外，粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由。高能物理学界把这看作正常现象。1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后，曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果。人们反而说：现在最令人惊讶的，是没有出现令人惊讶的事。这便是物理学界极富进取精神的得失观。因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律，物理学家对事物是最好穷本极源的。他们在研究的过程中不断地思考着，凡事总喜欢问个“为什么”。理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演，应该询问其物理实质，从中构想出鲜明的物理图象来；实验物理学家不应满足于现象和数据的记录，或某种先进的指标，而要追究其中的物理机理。因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律，物理学家不应总把自己的目光和兴趣局限于狭窄的本门学科，而要放眼于更广阔的天地。人们公认，当今最有生命力的是不同学科间杂交的领域，有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的。4 怎样教导学生学好物理学？著名理论物理学家和物理教育家韦斯科夫(V. F. Weisskopf)说：“科学不是死记硬背的知识、公式、名词。科学是好奇，是不断发现事物和不断询问为什么，为什么它是这样的？科学的目的是发问，问如何和问为什么。它主要是询问的过程，而不是知识的获得（很可惜多数人认为是后者，而且是这样教的）。”国际物理教育委员会上两届主席焦塞姆(L. E. Jossem)说：“最好的老师，是让学生知道他们自已是自己最好的老师。”教好物理学，关键是教思路，教方法，启发学生勤于思考，悟物穷理，自觉地努力锻炼自己自学的能力。鼓励勤于思考，就要让学生对新的概念、定义、公式中的符号和公式本身的含义，用自己的语言陈述出来。对于定理的证明、公式的推导，最好在了解了基本思路之后，让学生自己背着书本演算出来。这样学生才能对它们成立的条件、关键的步骤、推演的技巧等有深刻的理解。倡导悟物穷理，就要启发学生多向自己提问：哪些是事实？哪些是推论？推论是怎样得来的？我为什么相信它？问题可以正面提，也可以反向提。过去我们在教学中经常有个口号，即“培养学生分析问题、解析问题的能力”，这固然是很重要的，但少了更重要的一条，即“提出问题的能力”。伟大的科学家之所以伟大，往往就在这一条上。有一次记者问玻尔：“您可是那位知道科学中大部分问题答案的人？”玻尔回答说：“啊，不，不过也许我比别人多知道一点问题。”勤于思考，悟物穷理，就要让学生建立自己的物理图象。我们反对“题海战术”，反对针对某类考试或题库的应试教育。但是做题毕竟是学生学习过程中比较主动的环节，学习物理，不做习题是不行的。但做习题不在于多，而在于精。教师要引导学生，习题做完了不要对一下答案或交给老师批改就了事。自己从物理上应该想一想，答案的数量级是否对头？所反映的物理过程是否合理？能否从别的角度判断自己的答案是否正确？要求学生力争能够作到，习题要么做不出来，做出来就有充分的理由相信它是对的，即使它和书上给的答案不一样。老师要鼓励学生在未被说服之前敢于和自己争辩，直到学生真正明白错误之所在。万一最后证明是老师自己错了（这是教学过程中常有的事，至少我个人如此），不仅要坦率承认，而且应对该生加以赞扬。好的老师最欣赏的是能指出自己错误的学生。我讲了这么多，也许说得比较空洞，该结束了。下面请几位老师结合自己的教学实践介绍他们的体会和宝贵经验。