劉全慧

摘要：把物理學知識教活、教深、教實，把物理的本質(zhì)展示給學生的過程，也就是通過物理知識的傳授培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力的過程。本文從研究物理學的靈魂和本質(zhì)出發(fā)，通過介紹、引申和發(fā)展一些物理大師在物理內(nèi)容、教學方法和課堂安排等方面培養(yǎng)學生創(chuàng)造力的經(jīng)驗，認為培養(yǎng)創(chuàng)造性是物理教學的靈魂。

關鍵詞：物理學的本質(zhì)；物理教學；培養(yǎng)創(chuàng)造性

物理學教學內(nèi)容上如何深廣兼顧?如何把物理學知識教活、教深、教實?是兩個彌久恒新的研究課題。這些問題本質(zhì)上要和學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)聯(lián)系起來。

一、什么是物理學的靈魂和本質(zhì)

物理的靈魂指最具活力最現(xiàn)神采從而能表現(xiàn)物理特征的部分，物理的本質(zhì)指具體物理問題的根本原因。通過了解一個個具體問題的物理本質(zhì)才能深切感受什么是物理的靈魂。

形象地說，“頂天立地”是物理的靈魂!何謂“頂天”?就是物理學不斷深化和演化中的概念體系，常常是一系列高于經(jīng)驗知識的假設和邏輯判斷。何謂“立地”?立地就是要聯(lián)系實際。單純的立地可能最多不過是經(jīng)驗理論，觸及不到深刻的本質(zhì)；而單純的“頂天”可能不過是形而上學，無法和實際相聯(lián)系。物理的“頂天立地”是有機的一體：“頂天”須“立地”，“立地”必“頂天”。提出自旋概念(頂天)是要解釋堿金屬原子的光譜的雙線結(jié)構(立地)；愛因斯坦將玻耳茲曼的理論發(fā)展到理想晶體(項天)，目的在于給出固體的熱容量(立地)；Pauli從“地面”上氫原子能譜中，看見的是“天上”氫原子體系的動力學對稱性等等。物理常是從高于經(jīng)驗知識的假設和邏輯判斷出發(fā)給出鮮活實際應用，其勃發(fā)的生命力其實是對人類理性的禮贊。

逐本求源是抓住一個具體問題的物理本質(zhì)的關鍵。Dirac說過，原來他認為正則對易關系是量子力學的精神，當他到達人書俱老的人生境界時，領悟到概率波才是量子力學最本質(zhì)的概念。教科書中常用分別測量點粒子位置和速度(或波動的波長和頻率)的精確度來討論量子力學中的不確定關系，盡管最終公式正確，卻缺失了不確定關系是波分辨率的粒子表述這一物理本質(zhì)。

教科書中很多具有“平凡的正確性”做法和問題，可能回避了物理的本質(zhì)。如教科書上常有一個問題：地球引力場有同一垂直線上不同高度的兩個球同時下落，求上面那個球在碰撞一次后反彈所達到的最大高度。利用能量、動量守恒不難解答這道題目。不必詳細講解混沌，但是要告訴學生這個體系的物理本質(zhì)是混沌。

二、物理課程要教出物理的本質(zhì)

一個好的物理教師就要不停地思考各種問題、關注物理研究的進展并融于教學中。物理之樹常青而教科書上總會有點歷史的灰塵。不過，如果教材寫得不清楚甚至錯誤，而老師也就講不清楚甚至跟著講錯，錯不在書本，而在任課老師。

2004年下半年楊振寧先生給清華大學物理系和基科班的學生講授“大學物理”課程，使用的教材是Halliday和Resnick的Fundamentals of Physics。這是一套很有名的教材，在美國被廣泛使用。現(xiàn)在已經(jīng)出了第八版。也是高教出版社向我國高校推薦的優(yōu)秀《大學物理》課程原版教材之一。楊先生在2004年底提到，該教材至少有兩處丟掉了物理的靈魂。特別是沒有把絕對溫度和熵同時定義，楊先生認為是個“很大的錯誤”，而且他要“告訴學生，書上這幾章的講法把物理學的精神抹煞掉了”。

Feynman曾在巴西一所大學里教大一的物理。他認為巴西大學的物理教材很不好，學生能學的，不過是生吞活剝的背誦而已。對于摩擦發(fā)光，教科書上寫道“當晶體被撞擊時所發(fā)的光……”。這種名詞解釋焉有物理?Feynman教學生的是：“當你在黑暗里拿把鉗子打在一塊糖上，你會看到一絲藍色的光。其他晶體也有如此效應……。這個現(xiàn)象被稱為摩擦發(fā)光?！?/p>

1954年Born獲得諾貝爾物理學獎的緣由是“……especialb for his statistical interpretation of thewavefunction?！苯裉炜磥?，這里的statistical(統(tǒng)計)一詞歷史色彩太濃!確切的詞是probabilistic(概率)。統(tǒng)計和概率差別在于：統(tǒng)計往往意味著對一個對象統(tǒng)計而概率完全可以是內(nèi)在而本質(zhì)的。如果是對一個對象統(tǒng)計，物理必須要問這個對象對應什么物理實在?近二十余年來量子力學的進展基本否定了這些實在存在的可能。

電子是點粒子是原理性假設，在真實測量中只能給出半徑上限，但是不能把現(xiàn)今技術給出的上限半徑設定為電子半徑。類似地，孤立系統(tǒng)的能量精確不變是原理性假設，由于真實系統(tǒng)無法完全孤立所以能量測量必不為常數(shù)，也不能因此認定孤立系統(tǒng)能量不能取定值。把原理性假設及其邏輯判斷和實際測量結(jié)果相混淆的情況不僅是一些科學愛好者的通病，在教科書中也不乏例子。

三、物理教學要“活、深、實”

物理教學要“活、深、實”，避免“呆、淺、虛”。所謂“活”，不僅是要多利用鮮活的素材講敘物理的基本概念，還要善用“思想試驗”、“黑板試驗”、多媒體等手段輔助教學。例如可用教室中的空氣均勻分布這一事實來闡釋等概率原理。所謂“深”，就是即使一些熟悉的現(xiàn)象，也有深刻的物理在發(fā)揮作用。例如由一定形狀粒子構成的單元系或兩種不同粒子構成的二元系的封閉系統(tǒng)，熵增加不見得導致宏觀的混亂，而很可能導致有序，而生命現(xiàn)象很可能和此有關。所謂“實”，就是物理教學的內(nèi)容要有物理圖像。例如上文提到的費曼經(jīng)歷的問題就是一個物理學內(nèi)容要實在的例子。

“活、深、實”是辨證聯(lián)系的整體，其中“活”是關鍵。舊說認為“要教學生一碗水，老師要有一桶水”。這只強調(diào)了量的不同，是不夠的。個別老師的教案十余年不換，水已經(jīng)開始變質(zhì)而不覺，就算有“一缸水”又有何益?教學要做到“活、深、實”，教師的知識里要有“活水”至為緊要。至少，教師要知道“活水”的存在。反過來，如果講經(jīng)說法變成束手束腳地照本(屏)宣科，課堂所言不出前人甚至以訛傳訛，少許發(fā)揮則謬不可及，建議放手讓學生自學。

四、物理與學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)

課堂是教師和學生之間砥礪思想或日大腦風暴(brainstorming)的場所。應當把學生能不能提出教師很難回答甚至根本不能回答的問題當成一門課程成功與否的標志之一。課堂講授不僅要給學生講授最基本的知識，而且要在講課的時候營造創(chuàng)造性環(huán)境，“點燃”學生的大腦，在“激發(fā)態(tài)”上共同探索物質(zhì)世界。

下列問題應該贏得每位物理教師的激賞。有超導體的霍爾效應那么有沒有超流體的霍爾效應?能不能把隧道效應和光電效應結(jié)合起來?為什么經(jīng)典電子的模型不考慮電子的磁能?電子本質(zhì)上有質(zhì)量、電荷、自旋和磁矩這“四根毛”還是只有質(zhì)量、電荷、自旋(或磁矩)這“三根毛”?到底是空間彎曲了還是暗物質(zhì)的折射率導致了光線偏折?量子糾纏對能量有沒有影響?理想氣體到底是經(jīng)典氣體還是量子氣體?既然電磁統(tǒng)一那么為什么要引入磁場?等等。能提出這些粗糙的想法非?？少F，他們“怪誕”只是“不經(jīng)”、“離經(jīng)”而非“叛道”。教學不僅要教學生品味、應用已經(jīng)確立的成果，教師更要精心呵護這些創(chuàng)新思想的萌芽。

能量守恒最初出現(xiàn)需要子虛烏有的熱質(zhì)，熱力學第二定律的建立包含了試圖造出第二類永動機的失敗，有了Dirac相對論性方程之后才發(fā)現(xiàn)Klein-Gordon方程其實不能描述電子等等。任何一個創(chuàng)新思想最開始的時候一定是以半對半錯、似是似非的面目出現(xiàn)的。甚至教科書中也可以出現(xiàn)一點部分正確部分錯誤的問題，留一點空間給學生并無不好。Feymnan就是受Dirac一個不成熟評述的啟發(fā)最終發(fā)展出了量子力學的路徑積分表述。學生能主動思考最可貴。主動思考之后才能有興奮點，有了興奮點才能逐漸培養(yǎng)出品味、探索科學問題的能力。

有一次彭桓武先生參加了一個學生博士論文答辯，多數(shù)評委認為某一項計算不夠完善，結(jié)果意義不大，在評語中就不必提及了，不想彭先生不同意。他說：“這個計算雖然不夠完善，但方法是他想出來的，別人還從來沒有這樣做過”。不能總是用“完美”的問題和結(jié)果來培養(yǎng)學生。彭桓武先生在很多場合提到，薛定諤的教學就太“完美”，所以薛定諤沒有好的學生。

本研究受到如下課題支持：教育部教育改革與實踐項目“理工類(信息類)交叉學科人才培養(yǎng)改革創(chuàng)新與實踐”，湖南省重點教改課題“基于綜合教改實驗班的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)理論與實踐研究”和教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”(NCET-04-0762)。特此致謝!

責任編輯：文和平