三本院?！洞髮W(xué)物理》課堂上的美育

王松

摘要：《大學(xué)物理》是高校理工學(xué)科都要學(xué)習(xí)的一門重要的核心基礎(chǔ)課程，對理工科同學(xué)的后續(xù)學(xué)習(xí)有非常重要的作用。隨著我國高等教育的快速發(fā)展，在校生規(guī)模不斷擴大；同時由于學(xué)校層次不同，培養(yǎng)目標不同，學(xué)生基礎(chǔ)不同，等等現(xiàn)實差異，對大學(xué)物理的教學(xué)工作提出了新的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)三本院校的大學(xué)物理教學(xué)工作的實際情況，提出了在大學(xué)物理的教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)物理之美，欣賞物理之美和發(fā)展物理之美的重要意義，并通過物理課堂上的美育引導(dǎo)學(xué)生興趣，提高物理學(xué)習(xí)的效能。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；美育；教育改革

中圖分類號：G641 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0034-03

物理是現(xiàn)代自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的先導(dǎo)，大學(xué)物理課程不僅是各理工專業(yè)的公共基礎(chǔ)課，還承擔(dān)著培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)精神、樹立科學(xué)思維、增強創(chuàng)新能力、提高綜合素質(zhì)的任務(wù)。大學(xué)物理所涉及的基本概念、基本理論和基本方法是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和終身學(xué)習(xí)能力學(xué)生的重要組成部分。對于高校理工類的絕大多數(shù)專業(yè)來說，《大學(xué)物理》作為必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)涉及內(nèi)容之豐富，范圍之繁雜，理論之深奧，在各個學(xué)科門類中可以說是獨一無二的。大千世間，萬事萬物，從宇宙洪荒到毫微之末，無一不是物理的研究對象。因此，在傳統(tǒng)而成熟的大學(xué)物理的大廈中，關(guān)于力熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子理論、近代物理等學(xué)科分支中，大量的概念、模型、定理和定律層出不窮，不可否認，這些研究問題、分析問題的方法和理論對于學(xué)生樹立唯物的世界觀、培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識，以及提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力都有很大的好處。但是由于教學(xué)內(nèi)容量太大，而在十分有限的課時內(nèi)要想系統(tǒng)地完成物理學(xué)的基本概念及規(guī)律的講授，要使學(xué)生熟練掌握物理學(xué)的思維方法和技巧，還要理論聯(lián)系實際，利用物理規(guī)律解決現(xiàn)實問題，這無疑對大學(xué)物理的教和學(xué)都提出了極高的要求。相比而言，讓學(xué)生多背兩條定律，多解幾道題目固然必要，但是讓學(xué)生真正走進物理世界，學(xué)會用物理的思維去看待世界，建立起對物理學(xué)科的興趣，從而激發(fā)其對物理學(xué)習(xí)的熱情是更重要的。而在物理課堂上進行美的教育，讓學(xué)生體會到物理世界的魅力，就能很好地實現(xiàn)興趣激發(fā)的目的。

作為我國高等教育發(fā)展的新生事物，近十年來我國涌現(xiàn)了許多的民辦高校和獨立學(xué)院。這些具有新辦學(xué)模式的高校為提高高考的毛入學(xué)率，推動我國大學(xué)教育從精英型向大眾型轉(zhuǎn)變，增加國民接受高等教育的機會發(fā)揮了獨特而積極的作用。但也毋庸諱言，就讀于“三本”的部分同學(xué)在高中階段并沒有形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方法，對物理的基礎(chǔ)掌握不牢靠，缺乏必要的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，再加上經(jīng)歷了殘酷緊迫的高三生涯后，大學(xué)成了他們放松的場所，生活茫然甚至于漫無目的，因此有不少同學(xué)在大一面對《大學(xué)物理》這門課程時顯得無所適從，缺乏學(xué)習(xí)的熱情和興趣。而由國家教指委統(tǒng)一制定的高校《大學(xué)物理》教學(xué)大綱對知識點掌握的要求較高，強調(diào)全面體系的掌握，課堂上只突出“教”的作用，使得當前大學(xué)物理的課堂幾乎都是以教師講授為主，學(xué)生參與程度較低，學(xué)生只能被動地“填鴨式”學(xué)習(xí)，而整個知識體系又和高中物理有形式上的重合，這就更使得部分同學(xué)完全失去了學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》的興趣，必然導(dǎo)致部分大學(xué)物理課程的教師和學(xué)生苦不堪言。

就作者所在的學(xué)院而言，這樣的情況也比較突出。經(jīng)過發(fā)放調(diào)查問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在電子信息科學(xué)大類的不同專業(yè)（包括電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、通信工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)及專業(yè)方向），學(xué)生高中物理知識均掌握不好，普遍認為物理是很困難的學(xué)科，沒有足夠的信心和興趣學(xué)好物理；而少數(shù)高中物理掌握較好的同學(xué)又覺得大學(xué)物理中很多內(nèi)容都是在“炒冷飯”。這兩種極端的情況在工科類班級普遍存在。要解決上述問題，讓大多數(shù)同學(xué)都能很好地掌握《大學(xué)物理》基本的知識體系和內(nèi)容，為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)，就要求我們必須既重視理論與方法的學(xué)習(xí)，又要注意激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識和方法解決實際問題的能力，因此在三本院校開展對《大學(xué)物理》的教學(xué)方法和評價機制的根本性的改革尤為必要。已經(jīng)有很多教師都在《大學(xué)物理》教學(xué)改革方面進行了很好的嘗試，也取得了很多的成果，如有針對性地改革課程大綱，改進課堂教學(xué)模式，增進教學(xué)的互動性和改革課程評價指標等，這里筆者不再贅述。本文主要論述在大學(xué)物理的課堂中引入美的教育，讓學(xué)生體驗物理世界里，從宏觀到微觀，從過去到未來，物理學(xué)家眼中的客觀世界所呈現(xiàn)出的宏大之美、精確之美、簡約之美、對稱之美、和諧之美等美的體現(xiàn)。這些美的表現(xiàn)是在物理學(xué)的不斷發(fā)展前進過程中才逐漸被人們所熟悉并認知的。通過對物理學(xué)中美的認識，激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣，進而轉(zhuǎn)化成為學(xué)好大學(xué)物理的動力，甚至可能激發(fā)學(xué)生投身物理的志向，這都是在美育融入大學(xué)物理課堂后可以預(yù)見的好處。我們在長期的大學(xué)物理的教學(xué)實踐中，通過在課堂環(huán)節(jié)中滲透美學(xué)的教育，轉(zhuǎn)變了學(xué)生對物理的認識，提高了學(xué)生對物理的興趣，受到了廣大同學(xué)的歡迎，下面擷取幾個典型的物理學(xué)上的美育教學(xué)例子加以說明。

一、物理的宏大之美

按照現(xiàn)代天文學(xué)的觀點，我們現(xiàn)在所處的宇宙可能源于138.2億年前的一次大爆炸，這樣一個爆炸過程的影響一直延續(xù)至今并使得宇宙以哈勃常數(shù)[1]進行膨脹。圖1是哈勃太空望遠鏡拍攝的，位于距地球6500光年的老鷹星云的“創(chuàng)生之柱”[2]。這可能是哈勃太空望遠鏡拍攝的最著名的宇宙圖像之一，其空間跨度達到了5光年的距離。圖2是距地球20000光年船底星座的Westerlund2星云[3]，這是一個“年輕”的星云，由大量宇宙塵埃和氣體包裹，其中包含了超過3000顆像太陽一樣的恒星，并且有大量的恒星正在形成。這些天文學(xué)的最新進展每次展示給學(xué)生，并講到我們的地球、太陽系在宇宙中的位置，都能在同學(xué)中引起廣泛的共鳴，宇宙這么大，這么美，我們對宇宙需要心存敬畏。而在這樣廣博的宇宙中，地球是目前為止人們發(fā)現(xiàn)唯一滿足人類生存發(fā)展的星球，這也能激發(fā)學(xué)生對自然的尊敬和環(huán)境保護的支持。我們要求學(xué)生在課余時間通過NASA等研究機構(gòu)的網(wǎng)站，查找具有代表性的圖片、視頻和文獻，利用課間時間給大家做展示和說明。經(jīng)過一段時間的堅持，大家的熱情都能充分調(diào)動起來，并且很快學(xué)生的興趣范圍就擴展到星外文明探索、引力波的發(fā)現(xiàn)和確定、暗物質(zhì)的研究、黑洞的認識等物理學(xué)和天文學(xué)中最前沿的研究。他們主動查找資料和文獻，交流對前沿研究的認識，每一個物理前沿的突破都能引起學(xué)生的廣泛關(guān)注，從而激發(fā)其對物理學(xué)習(xí)的興趣。

二、物理的精確之美

物理學(xué)是最為講究精確的科學(xué)，我們對最基本物理量的長度、時間的測量的精確程度也代表了人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的高度。沒有對空間和時間的精確測量，不可能出現(xiàn)我們已經(jīng)習(xí)以為常的互聯(lián)網(wǎng)、納米材料、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（比如GPS、北斗導(dǎo)航）等重大的應(yīng)用。目前人們精度最高的原子鐘已經(jīng)可以達到運行160億年誤差不超過1秒的水平，也就是說這個原子鐘即使從宇宙誕生之初就有的話，直到今天其運行仍然具有相當高的準確度。而物理學(xué)上對長度的把握也已經(jīng)低于一個原子核的尺寸量級（10-15m），人們在空間測量和時間測量的精度上不斷取得進步，這也標志了物理學(xué)科發(fā)展的水平。同學(xué)在課余時間查找不同測量方式獲得精度的情況并通過課堂進行互相的比較，能極大地激發(fā)他們對物理學(xué)習(xí)的興趣。

三、物理的簡約對稱之美

牛頓講過“自然界是簡單”[4]，愛因斯坦說，“宇宙中最不能理解的事情，就是宇宙是可以理解的”[5]，大師的認知已經(jīng)遠遠跳出了狹義科學(xué)的桎梏而到達哲學(xué)的高度。如物理規(guī)律的每一種對稱性都對應(yīng)了一種守恒定律，對稱和守恒總是緊密聯(lián)系在一起的，它們體現(xiàn)了物理學(xué)中的簡單對稱的美。因此，作為理解自然界的鑰匙，物理定律也是具有極其簡單的形式，從我們熟悉的F=ma，到E=mc2，從作用力與反作用力，到電荷的正負、磁場的南北，從左手定則到右手定則，從麥克斯韋方程組到光的波粒二象性，從熵增原理到薛定諤方程，物理學(xué)一次次地以最簡單的形式揭示著自然王國中最基本、最深刻的道理，一步步地解釋著我們的世界是怎樣運行的，為什么是這樣運行的。盡管我們對世界的認識還十分的膚淺，但人類會不斷升華對自然的理解并最終到達思想的自由王國。在大學(xué)物理學(xué)教學(xué)中，有許多的知識架構(gòu)都和對稱有關(guān)，如在介紹線量質(zhì)點運動和角量描述的剛體定軸轉(zhuǎn)動中，只要將具有對等地位和物理意義的質(zhì)量m換成轉(zhuǎn)動慣量J，速度換成角速度，線加速度換成角加速度，其運動的描述具有完全同樣形式，這樣的簡單而和諧的理論架構(gòu)美才是最能打動人心的。學(xué)生們通過自主的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的理論架構(gòu)之美，并欣賞這樣的美，進而促進了對物質(zhì)世界的理解。

四、物理思想的思辨之美

現(xiàn)代科學(xué)之父伽利略的比薩斜塔實驗可能是物理學(xué)發(fā)展史上知名度最高、流傳最廣的一個故事。雖然伽利略沒有去做過這個實驗，而真正駁倒“落體速度與重量成正比”理論的，只是一個簡單的推理：假如重物比輕物下落速度快，那么當重物和輕物綁在一起時，前者會受后者拖累而導(dǎo)致整體變慢；但是如果將二者視為一個整體，它們又會因為總重更大而速度更快。同樣兩個鐵球，按照這個理論卻忽快忽慢，結(jié)論只有一個，“重物比輕物下落更快”的結(jié)論不具有自洽性，是錯誤的。這樣簡單直白而又絲絲入扣的邏輯演繹，痛快淋淋地對學(xué)術(shù)權(quán)威亞里斯多德支持的落體定律發(fā)出致命一擊，開創(chuàng)了實驗物理的新時代。像這樣的例子在物理學(xué)上還有很多，比如伽利略關(guān)于物質(zhì)慣性的論證、愛因斯坦關(guān)于同時的相對性、薛定諤思想中那只可憐的“貓”等，無不體現(xiàn)了物理學(xué)中的思辨之美。

物理學(xué)中的美的體現(xiàn)當然遠遠不止于此，但“管中窺豹，可見一斑”，通過我們不斷地去發(fā)現(xiàn)物理世界的美，我們就能不斷地激發(fā)學(xué)生對物理世界的興趣，使物理的學(xué)習(xí)不再是簡單的定律推導(dǎo)和計算解答；逐漸將物理學(xué)中所蘊含的思想和方法潛移默化地傳遞給學(xué)生，幫助他們提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，不斷深化其對客觀世界的理解，最終使得學(xué)生在各個方面都受到了物理學(xué)有益的影響。

參考文獻：

[1]E.P. Hubble，Proceedings of the National Academy of Sciences[J]，1929，（15）：168-173.

[2]www.nasa.gov/content/goddard/hubble-goes-high-definition-to-revisit-iconic-pillars-of-creation

[3]http：//apod.nasa.gov/apod/ap150425.html

[4]塞耶.牛頓自然哲學(xué)著作選[M].上海人民出版社，1974.

[5]愛因斯坦.愛因斯坦文集[M].北京：商務(wù)印書館，1976.