“費曼物理學”10年教學小結(jié)

阮 東 王 青 徐 湛

(清華大學物理系，北京 100084)

《費曼物理學》自 2008年首次開課以來已經(jīng)過了10年，而它的第一批學生(來自 2008年秋天進入清華大學物理系學習的新生)中的大部分人，后來都成為清華學堂物理班的第一批入選者。因此可以說，開設(shè)《費曼物理學》是清華大學物理系通過學堂物理班的形式培養(yǎng)基礎(chǔ)物理研究拔尖人才的配套舉措之一。的確，與清華學堂物理班一同成長，《費曼物理學》的教學堅持下來了，并且不斷完善，取得的成績也是可圈可點，這是肯定的。因此，趁此機會對《費曼物理學》的教學做一下小結(jié)，是一件有益的事情。

事實上，在這方面阮東老師和王青老師已經(jīng)做了先行工作，那就是阮東老師的文章《費恩曼物理學課程教學10年初探》[1]和王青老師的文章《小班教學與翻轉(zhuǎn)課堂：〈費曼物理學Ⅱ〉的10年教學實踐——紀念費曼先生百年誕辰》[2]。在這兩篇文章中，他們已經(jīng)對開設(shè)《費曼物理學》課的動機、目標、意義，十年來該課程教學的發(fā)展和演變，取得的效果等等，做了很好的闡述。由于兩篇文章原文比較長，因此，這里就從兩文中摘錄有關(guān)的論述，再結(jié)合徐湛的體會，作為本小結(jié)的內(nèi)容(下文中不再一一標注出處)。

1 《費曼物理學》課的緣起

基于創(chuàng)辦基礎(chǔ)科學班的人才培養(yǎng)模式的成功經(jīng)驗，2005年清華大學將基礎(chǔ)科學班推廣為大類模式。秉承基礎(chǔ)科學班“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強實踐”的辦學指導方針，時任物理系系主任、理學院院長朱邦芬院士提出構(gòu)建新型課程體系，注重課程內(nèi)涵建設(shè)，改進教學方式，提高教學質(zhì)量的教學理念，并提出了開設(shè)《費曼物理學》課程的設(shè)想，這在國內(nèi)堪稱一項創(chuàng)舉。

《費曼物理學》課選用三卷本的《費曼物理學講義》 (The Feynman Lectures on Physics)作為教材。眾所周知，這個講義是物理學界公認難度最大、水平最高的普通物理教材。費恩曼本人也認為它不適合大學新生，更適合有一定物理知識積累和經(jīng)驗的人，比如研究生和青年教師。當初，清華物理系里也有一些老師并不認同開設(shè)這門課程。但是為了解決拔尖人才培養(yǎng)中一些學生覺得原先的普通物理“吃不飽”的問題，尤其是清華大學物理系的新生中有一批在中學期間參加過全國中學生物理競賽、學習過普通物理的拔尖學生，是對物理學“有興趣、有基礎(chǔ)、有抱負”的青年學子，我們應(yīng)該充分利用這些可造之才，所以還是下決心做一次大膽的嘗試。

2 《費曼物理學》課的教學形式

如何教好這門課并沒有前人的經(jīng)驗可循。《費曼物理學講義》獨具特色的費曼風格是該課教學的最大難點。書的內(nèi)容選取和安排與傳統(tǒng)的教材大不相同，對不少概念和知識的講法獨樹一幟。如何把控好教學的各個環(huán)節(jié)是對任課老師的一個巨大挑戰(zhàn)。為此，物理系為這門課配備了富有教學和科研經(jīng)驗的教授。先后承擔過《費曼物理學》授課任務(wù)的老師有：韋丹(領(lǐng)域為材料物理)、阮東 (領(lǐng)域為核物理和數(shù)學物理)、胡劍(領(lǐng)域為天體物理)、王青(領(lǐng)域為理論物理)、安宇 (領(lǐng)域為核物理和聲學)、徐湛(領(lǐng)域為理論物理)、王向斌(領(lǐng)域為量子信息)、陳曦(領(lǐng)域為凝聚態(tài)物理)，通常是分別做三個學期的《費曼物理學》講課的A、B角。

關(guān)于具體的教學方式，物理系教學委員會與任課老師在以下各點取得了共識：(1)采用小班授課，每屆選課人數(shù)控制在 30人左右，若報名人數(shù)太多，就通過考試篩選，以確保選課的學生有一定的普通物理基礎(chǔ)。另外，小班授課也適合進行討論式教學。(2)開課初期應(yīng)保持“原汁原味”，讓學生切身體會到大師的思想和特色，以后任課老師可以根據(jù)情況進行調(diào)整。這就要求老師本人必須首先吃透《講義》，理解作者的核心思想及其實踐經(jīng)驗，貫穿于該課的教學之中。

3 《費曼物理學》課的教學實踐

這門課設(shè)置為3個學期，課程名稱分別是《費曼物理學 (Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)》，對應(yīng)于《講義》的三卷，周學時數(shù) (即學分數(shù))分別為 5、5、4。各學期的主要講授內(nèi)容是：(Ⅰ)力學、相對論、熱學、光學；(Ⅱ)電磁學；(Ⅲ)量子物理；但也有少量交叉。另外，這本《講義》的內(nèi)容通常多于國內(nèi)傳統(tǒng)教材，這就需要授課教師在保證原汁原味的基礎(chǔ)上，對書中內(nèi)容進行取舍、調(diào)整和補充。在實際教學過程中，任課教師們始終堅持了費曼的教學風格和特點。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 強調(diào)物理概念、物理圖像和思維方法

大學新生學習物理大多停留在中學的學習習慣上，就是花在做題方面的精力比較多。而我們開設(shè)這門課的目的之一就是讓同學們在學習基礎(chǔ)物理的過程中能夠了解、體會和掌握物理學大師的思維方式，認識到物理圖像和直覺同樣是威力強大的。應(yīng)該說，對這一點怎么強調(diào)也不過分。為了體現(xiàn)這一點，《講義》的講法別具一格：費曼非常善于在建立了一個簡單的物理模型以后，利用并不復雜的數(shù)學形式很快地抓住問題的本質(zhì)，給人以恍然大悟之感。費曼對物理的思維和方法是如此地駕輕就熟，非常自然地把它們?nèi)谶M了物理知識的講授中。這種講法在《講義》中比比皆是，使人賞心悅目！由于這樣的例子非常多，在這里就不再一一列舉了。所以，我們講費曼《講義》的時候要體現(xiàn)出這樣的特點：費曼講授的內(nèi)容，并不僅僅是對物理的詮釋和研究，而且讓聽眾享受到了解物理的樂趣。興趣和求知是研究自然界的最大動力。我們的學生在中學學習期間所缺少的，正是物理思維的培養(yǎng)，如果在大學階段不能在這方面給予加強，他們就很容易降低乃至喪失對物理的興趣。所以，費曼這樣的講法對于促使學生們以后堅持基礎(chǔ)物理的研究工作，或者把物理學應(yīng)用于其它領(lǐng)域，都是不可缺少的。

當然，這種“物理圖像推動”的教學方法和學生們習慣了的“演繹推動”的教學方法是不同的，他們有時會覺得費曼的推理不嚴格，結(jié)果太粗糙。這時老師就要給同學們解釋清楚：費曼在《講義》里給出的物理模型和它的結(jié)果，其實都有嚴格的理論作為背后的支撐，有些結(jié)果確實是近似的，然而卻抓住了最主要的物理特征。毫無疑問，真實的物理世界是復雜的，但是把一個復雜的問題用簡明的語言講清楚，卻非得有扎實和深厚的功底才能做到。費曼就是這樣的大師。費曼給踏入物理學這個奇妙領(lǐng)域的年輕人留下了這本《講義》，應(yīng)該說是我們的幸運。

這里還要說一下考試題的問題 (主要指《費曼物理學(Ⅰ)、(Ⅲ)》，關(guān)于(Ⅱ)將在下面特別介紹)。為了保持與課堂教學風格的一致，這門課的考試題經(jīng)常會用比較大的篇幅描寫一個實際的物理現(xiàn)象(有時是老師在課堂上沒有講過的現(xiàn)象)，然后再提出問題，而且分析、判斷、論述類型的題目與計算類型的題目之間比較平衡，用學生的話來說就是“美國風格”的題。這對于學生把注意力首先放在物理上而不是計算上也是有益的。

2) 鼓勵和培養(yǎng)學生自主學習、主動思考

要問大學的教學和中學的教學應(yīng)該在哪些方面有所區(qū)別，那么最大的區(qū)別就是大學的教學應(yīng)該讓學生學會自主學習，主動思考，而不是簡單的我“教”你“學”。正是基于這樣的考慮，王青老師在《費曼物理學(Ⅱ)》的教學中大膽進行了一項改革——翻轉(zhuǎn)課堂。應(yīng)該承認：不同于《費曼物理學講義》的Ⅰ卷和 Ⅲ卷，它的Ⅱ卷里沒有出現(xiàn)對傳統(tǒng)講法具有顛覆性的新講法。因此，盡管老師在課堂上一再強調(diào)：學生自己感覺的對經(jīng)典電磁學的了解其實離真實差得很遠，這些言辭還是很難打動學生。所以，王青老師從最初的拿出部分內(nèi)容讓學生自己來講，直到最后對全部內(nèi)容都開展討論 (但是把錄制好的微課視頻在課前事先放到網(wǎng)上供學生預(yù)習)，可以說做到了“徹底翻轉(zhuǎn)”。這包括以下幾個方面。一是學生由聽講變?yōu)橹髦v，但限制在 10分鐘之內(nèi)把原《講義》中一章的內(nèi)容介紹完，這給學生的壓力極大，他自己必須真把問題搞清楚并進行提煉才能做到；二是學生在講完以后還主持對這一章內(nèi)容的討論，包括提出合適的討論問題，控制討論局面以保證討論有效地進行，總結(jié)和整理討論的答案，等等；三是把原本要教師在課堂做的演示實驗改為學生在助教的帶領(lǐng)下預(yù)習，然后在課堂上進行演示，同時向大家解釋實驗原理；四是讓學生參與整個教學過程的評價，包括對學生在參與討論、講課(或?qū)嶒炑菔?、主持討論中的表現(xiàn)都賦予了一定的分數(shù)，而且讓全班學生參與評定。

對于這樣做的效果，王青老師也向?qū)W生們做了調(diào)研，提了 20個問題請同學們給出自己的看法?？偟膩碚f，同學們回答這個調(diào)查問卷的積極性還是很高的，對這個改革的反應(yīng)也都是非常肯定的，認為在對物理深入理解、提高興趣、增強信心方面，對自己幫助很大，其中不乏“謝謝一個學期的物理盛宴”這樣的評語。當然，這是一個新生事物，還存在不少難點和挑戰(zhàn)，但值得在不斷的探索中繼續(xù)前進。

3) 處理好基礎(chǔ)與高級、歷史與當代的關(guān)系

《講義》是費曼于 1961年至 1963年期間在美國加州理工學院講課的實時記錄，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了 50多年，而在這半個多世紀的時間里，現(xiàn)代物理學又取得了長足的進步，有許多新的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，新的概念被提出，新的理論被發(fā)展。如何在課程中融入現(xiàn)代和前沿的內(nèi)容? 這個問題對《講義》第Ⅲ卷 (量子物理)尤為突出。當然，費曼的主要著眼點是物理問題的基本概念和方法，是向聽眾展現(xiàn)基本物理定律在解決各種實際問題時的強大威力，但是也常常不失時機地介紹有關(guān)的現(xiàn)代發(fā)展?？紤]到我們的授課對象是將來可能步入物理科學最前沿領(lǐng)域的年輕人，如何在保持與費曼的講課風格一致的前提下，向他們介紹當代物理科學的最新成果和熱點問題，使他們能夠盡早地認識到物理科學多姿多彩的各個側(cè)面和發(fā)展的誘人前景，樹立向現(xiàn)代物理學高峰攀登的志向，也是這門課的目標之一。在這方面，任課老師們也是做了不少努力的，在講課中適當插入了當代物理學前沿的內(nèi)容，例如混沌和分叉、高能物理和粒子物理、廣義相對論和宇宙學、引力波、量子糾纏、量子信息等等，受到學生的歡迎。

4) 處理好繼承與創(chuàng)新的關(guān)系

費曼在他的著名演講《科學的價值》 (The Value of Science)中說：在科學的眾多價值中，最大的價值就是懷疑的自由(Of all its many values, the greatest must be the freedom to doubt)。對于大學老師而言，其實可以無需避諱地告訴學生：我在課堂上給你們講的，盡管是基于許多前人已經(jīng)做過的研究，仍然不能稱為最后的真理，你們盡可懷疑。即使對于《費曼物理學》這樣的經(jīng)典教材，這種態(tài)度一樣適用。擔心鼓勵學生懷疑會使他們迷失方向是不必要的。學生的某些懷疑促使他們更深入地追究目前的科學理論的背景或基礎(chǔ)，有時候會走到老師的講授走不到的地方。在這方面，幾位老師都有這樣的經(jīng)驗：學生提出了問題，老師覺得大方向不錯，鼓勵他繼續(xù)探索，最后的發(fā)現(xiàn)連老師都沒有料到。

總之，教學改革是一件關(guān)系到我國的青年一代如何成長的大事，需要與時俱進。我們在《費曼物理學》教學改革方面的嘗試，也還只是初步的，今后仍需繼續(xù)努力。