將物理文化融入大學物理實驗教學的思考與實踐*
——以“大功率白光LED發(fā)光特性研究”為例

李 陽　韓艷玲

[中國地質(zhì)大學(武漢)數(shù)學與物理學院　湖北 武漢　430074]

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將物理文化融入大學物理實驗教學的思考與實踐*
——以“大功率白光LED發(fā)光特性研究”為例

李 陽韓艷玲

[中國地質(zhì)大學(武漢)數(shù)學與物理學院湖北 武漢430074]

針對當前高校物理實驗教學的實際，討論了物理文化的內(nèi)涵及物理文化在大學物理實驗教學中的作用，并結合大功率白光LED發(fā)光特性研究的實際教學案例，闡述了如何將物理文化融入大學物理實驗教學，簡要評述了相應的教學效果并對物理實驗教學提出了一定的建議.

物理文化大學物理實驗教學實踐研究

物理學是一門以實驗為基礎的學科，理論的正確性需要以實驗加以檢驗，實驗的合理性同時也可以推動理論的發(fā)展.對于大學物理實驗課程來講，它不僅能夠體現(xiàn)大學物理教材中知識的正確性，而且能夠促進學生邏輯思維、動手操作、創(chuàng)新設計等各方面能力的培養(yǎng)與提升，因此，它是一門非常重要的基礎課程.

然而，從狹義上講，物理實驗主要是針對物理理論而言的，許多非物理專業(yè)甚至與物理專業(yè)相近的學生選修物理實驗課程，在很大程度上都是按照教學計劃的要求，基于修學分的目的展開的. 因此，筆者認為他們對待這門課程很少有發(fā)自內(nèi)心的熱愛，而實際的教學效果往往也是非常地一般.究其本質(zhì)，筆者認為學生對實驗缺乏興趣和客觀認識是阻礙物理實驗教學質(zhì)量提升的關鍵所在.

從教育學的角度來說，文化傳播是教育的一大目的，同時也是優(yōu)化教育教學效果的重要手段. 因此，筆者通過在過去一年的物理實驗教學中引入物理文化，很大程度上激發(fā)了學生的實踐興趣和創(chuàng)新意識，取得了較好的教學效果，寫出來與讀者進行交流.

1　物理文化的內(nèi)涵

文化，是一個很大的命題，涵蓋的范圍非常廣泛，物理學作為自然科學的一個基礎領域，當然也存在著它獨有的物理文化.

由于物理知識的廣泛性，所包含的內(nèi)容不盡相同，所以定義物理文化是困難的，難以用一個固有的范式去描述. 因此，筆者認為解世雄先生從時空演化、意識形態(tài)的角度關于物理文化的定義[1]是合適的，即“物理文化是古代哲學家、近現(xiàn)代物理學家和物理工作者，歷經(jīng)數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識體系、觀念形態(tài)、價值標準以及約定俗成的工作方法的總和”.反映出了物理文化關于知識體系、觀念形態(tài)、語言符號以及社會組織的綜合性.

通俗地說，與物理學領域相關的歷史人物、科學符號、研究方法、科研成果、精神價值等都是物理領域的文化寶藏，都在物理文化的覆蓋范圍之中，下面作簡要地闡述.

(1)歷史人物.物理學所研究的真理存在于宇宙蒼穹之中，尋找真理需要以人為本，只有人與自然相互作用、相互融合，才能接近和發(fā)現(xiàn)真理. 這其中涌現(xiàn)出了許多杰出的代表，諸如堅持運動永恒觀點的古希臘哲學家亞里士多德，發(fā)現(xiàn)行星運動三大定律的開普勒，提出弱作用中宇稱不守恒定律、集科學與藝術之大成的李政道等，他們都在物理發(fā)展的進程中做出了杰出貢獻，都是物理學中的歷史人物. 這些科學巨擘所閃耀的智慧光芒是物理文化的靈魂.

(2)科學符號. 物理學所揭示的是物質(zhì)本質(zhì)的規(guī)律，比如描述機械運動的牛頓運動定律，反映導體中電流、電壓以及電阻之間關系的歐姆定律，揭示光折射性質(zhì)的費馬原理等，這些成熟的物理規(guī)律都需要以定量的方式來表征，描述定量關系需要以科學符號作為對象，科學符號所搭建的物理公式展現(xiàn)出的簡約美、對稱美、自洽美和統(tǒng)一美是體現(xiàn)物理文化藝術性的顯著特征.

(3)研究方法. 物理規(guī)律在建立的過程中并不是一蹴而就的，往往需要經(jīng)過漫長的歲月，有時解決一個問題如果選擇不同的研究方法，結果可能是截然不同的. 比如針對重物下落快慢與質(zhì)量大小是否有關的問題，亞里士多德采用的是經(jīng)驗歸納法，認為重的物體下落的速度比輕的物體下落的快，重的物體會先落地；而伽利略則采用的是斜塔落體實驗的方法，從而證實了重的物體和輕的物體同時落地的結論，也為后來人們正確理解落體運動掃清了障礙. 也就是說，研究方法在物理文化的演化過程中很大程度上起著決定生死的作用.

(4)科研成果. 物理學之所以能夠從哲學中脫離出來，成為一門獨立的科學，除了它本身所具有的知識體系與特質(zhì)以外，最重要的，在于它創(chuàng)造出了很多服務于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原理與技術. 比如瓦特在燒水時從壺蓋的跳動中發(fā)現(xiàn)了蒸汽的推動原理，從而發(fā)明了蒸汽機，進而開啟了第一次工業(yè)革命；再比如赫茲通過實驗證實了麥克斯韋所預言的電磁波，使今天的無線通信成為了可能；再比如自20世紀初開始頒發(fā)的諾貝爾物理學獎，獎勵的每一項成果背后都蘊藏著巨大的科學價值. 這些科研成果推動了歷史的進程，是物理文化永恒的動力.

(5)精神價值. 物理學的發(fā)展飽含著艱辛，每一項成果的取得都來之不易，需要科技工作者犧牲自身的利益，杜絕急功近利的心態(tài)，以物質(zhì)的貧乏來換取精神上的富足. 比如居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳的艱苦歷程；再比如，16世紀中期，為了驗證行星是否圍繞著太陽運轉(zhuǎn)，丹麥科學家第谷·布拉赫開展了長達21年的天文觀察和記錄，雖然直到去世他也沒能得出相關的結論，但是，他的觀測數(shù)據(jù)為開普勒研究天體運行規(guī)律提供了依據(jù)，經(jīng)過18年的艱苦努力，開普勒相繼發(fā)現(xiàn)了軌道、面積、周期三大定律，不僅有力地捍衛(wèi)了哥白尼提出的“日心說”，而且也幫助今天的我們形成了對宇宙的正確認識.所以，精神價值是物理文化帶給物理工作者最好的紀念與獎勵.

除了上面5個方面，其實與物理文化相關的其他內(nèi)容還有很多，比如科學道德、社會經(jīng)濟、人文理念等，這些都值得思考，而且隨著科學進程的不斷推進，物理文化的內(nèi)涵將不斷豐富和深化.

2　物理文化在大物實驗教學中的作用

對于物理學專業(yè)的學生來說，從事大學物理實驗的學習與研究是應有之義，一方面可以加深對課本知識的理解，另一方面也能夠通過實際操作鍛煉自身的動手能力.

但是，倘若師生在教學的過程中只專注于物理實驗的過程，而不注重物理文化的傳播，單純地采用一種“老師教，學生學”的模式，那么這樣就很容易導致學生積極性不高、疲憊，并出現(xiàn)教學活動走過場甚至測量結果雷同的情況.

如果教師在教學的過程中多滲透一些物理文化方面的內(nèi)容，比如跟學生談及一些所做實驗的重要性，該實驗與學生切身利益相關的地方等，那么學生可能就不會背上“為完成任務而做實驗”的心理負擔，反而會變得主動，變得有興趣，甚至還會在原有實驗結論的基礎上大膽創(chuàng)新，做出更好的結果，從而有效地推動教學模式向“老師引導，學生探索”的方向轉(zhuǎn)變.

對于非物理專業(yè)甚至與物理專業(yè)相近的學生來說，一般而言，他們對大學物理實驗的積極性也是不高的，因此，教師就更有必要向?qū)W生傳播一些物理文化方面的內(nèi)容.比如可以向工科學生講述一些物理原理在無損檢測中的應用，向文科學生講述一些物理邏輯思維在文學創(chuàng)作中的層次設置等，使得他們都能夠感受到所做的物理實驗對于自身的發(fā)展是大有裨益的，這樣在某種程度上就有可能激發(fā)他們的實驗興趣.當然，退一步講，即使學生最后沒有順利完成實驗內(nèi)容，也能夠在參與的過程中學有所得.

3　如何將物理文化引入大學物理實驗教學

將物理文化引入大學物理實驗教學需要根據(jù)實驗的特點，結合歷史人物、科學符號、研究方法、科研成果以及精神價值等方面加以展開. 為了使討論更加具體，我們以“大功率白光LED發(fā)光特性研究”為例[2]，來說明如何實現(xiàn)這一過程.

大功率白光LED是近年來逐漸興起的新型節(jié)能燈具，具有發(fā)光效率高、顯色性好、使用壽命長等優(yōu)點，將逐步取代傳統(tǒng)光源，在日常的生活中發(fā)揮越來越廣泛的作用，因此，研究其發(fā)光特性對于學生來說，具有十分重要的意義.

實驗主要涉及LED的發(fā)光原理、LED的伏安特性、表征LED發(fā)光特性的物理量以及參數(shù)對發(fā)光特性的影響幾個方面. 為了讓學生們更好接受，我們在教學中引入了相關的物理文化知識.

(1)歷史人物.以2014年諾貝爾物理學獎獲得者赤崎勇、天野浩、中村修二的獲獎成果，即發(fā)明藍色發(fā)光二極管為例，闡述了LED在學術上的重要性. 學生往往對獲諾貝爾獎的成果表現(xiàn)得非常贊賞和欽佩.

(2)科學符號.為了研究LED的發(fā)光特性，必須要定義表征發(fā)光特性的幾個物理量，如發(fā)光強度Iφ,發(fā)光效率η等，此外還要定義影響發(fā)光特性的參數(shù)，如電流I,角度θ,溫度T等，從而通過儀器測出發(fā)光強度隨著電流、角度變化的數(shù)據(jù)，發(fā)光效率隨著溫度變化的數(shù)據(jù)等，通過分析數(shù)據(jù)，找出LED的發(fā)光特性及其調(diào)節(jié)方式.

(3)研究方法.作為一個探究大功率白光LED發(fā)光特性的實驗項目，首先它本身就是一個實驗方法，同時在研究的過程中還采用了控制變量法，比如探究LED的發(fā)光強度與電流的關系時，保持了溫度、角度的恒定，不僅反映了該實驗的科學性，而且也符合邏輯要求.

(4)科研成果.大功率白光LED的發(fā)明是建立在藍光LED基礎之上的. 對于大多數(shù)學生來說，雖然發(fā)光原理理解起來并不困難，但是找到合適的材料制作PN結晶片卻經(jīng)歷了很長的科研探索.而且作為21世紀的新型光源，直到今天，用以產(chǎn)生更加節(jié)能的白光LED新型熒光粉仍在不斷地研究與發(fā)展之中[3]，反映出了該成果對于人類生活的巨大影響.

(5)精神價值.大功率白光LED作為一項偉大的發(fā)明，其誕生歷程是相當艱辛的，比如赤崎勇為研制氮化鎵藍色發(fā)光二極管奮斗了近40年，其學生天野浩從1983年本科畢業(yè)時起，就隨著他進行科學研究，一直到1989年研制成功世界上第一個氮化鎵PN結藍光LED為止，期間也有7年之久，反映了要做出一項舉世矚目的科研成果需要堅忍不拔的毅力，這也是值得每一位學生學習的.

4　教學效果及對實驗教學的建議

大功率白光LED發(fā)光特性研究，是大學物理實驗中一個比較典型的項目. 我們通過在實驗教學中引入物理文化，不僅減輕了學生心理負擔,激發(fā)了學生的學習興趣，而且還使得學生掌握了實驗的原理方法、操作技能，很多學生都做出了非常漂亮的實驗結論.

此外，有些學生還通過知識遷移，自發(fā)地研究了“白熾燈的發(fā)光特性如何測量”的課題(研究手稿見圖1和圖2)，思路新穎，取得了非常好的教學效果.

圖1　白熾燈的發(fā)光特性如何測量學生手稿

圖2　白熾燈的發(fā)光特性如何測量研究手稿

基于當前高校物理實驗教學的實際以及我們的教學實踐，我們對大學物理實驗教學提出以下兩條建議：

(1)注意挖掘物理實驗中蘊藏的文化因素，努力使實驗教學的講授貼近生活，把實驗講成故事，盡可能地激發(fā)學生的興趣，進而提高學生的積極性.

(2)針對不同專業(yè)、不同層次的學生要采取不同的實驗成績評價標準，杜絕一把尺子量到底，使得他們都能夠發(fā)揮特長，展現(xiàn)出富有特色的創(chuàng)新精神.

1解世雄.物理文化概念的探討.物理通報，2009(6)：55～57

2王希成，羅中杰. 大學物理實驗. 北京：清華大學出版社，2014.138～143

3李盼來，王志軍，張子才,等. 白光LEDs用新型熒光粉的研究進展.物理通報，2015(12)：94～95

李陽(1991- )，男，在讀碩士研究生，助教，主要從事大學物理實驗教學及研究.

2016-01-24)

*中國地質(zhì)大學(武漢)教學實驗室開放基金項目，編號：SKJ2014216

指導教師：韓艷玲(1965- )，女，博士，教授，碩士生導師，主要從事大學物理教學和光子晶體理論研究.