本科阶段等离子体物理教学探讨

梅冰

(中国人民解放军理工大学气象学院 江苏 南京 211101)

等离子体是显著电离的气体，作为物质的存在形态之一，为区别于固态、液态、气态而通常被笼统地称为物质的“第四态”．日常能见到的等离子体如火焰，闪电，霓虹灯里的电弧等，太阳本身就是一个巨大的等离子体球．事实上，等离子体态物质占宇宙中可见物质的99%以上.等离子体物理早已成为物理学的一个重要分支，其应用与技术日益在人们生产生活中发挥着重要作用．但是，在大学的普通物理教材中却难以找到等离子体的概念.最新版的新概念物理《电磁学》教材中所涉及的等离子体概念也是比较模糊的，其中等离子体基本物理性质的介绍仅寥寥两三页.即使是针对物理类的本科专业，开设等离子体物理课程的院校也非常少见.这种局面的形成和等离子体物理理论本身发展有关，也和教育的重视程度有关．

1 普及等离子体物理基本知识的必要性

1.1 技术发展的需要

等离子体物理应用广泛.其相对独立的研究和应用领域主要包含三个方面：受控热核聚变等离子体物理、空间等离子体物理和低温等离子体物理与应用[1]．受控热核聚变为解决目前全球日益严重的能源问题提供了发展方向.空间等离子体物理是人类认识地球空间环境，进而走向太空的必要条件.近年来人们日益关注的影响电网、通讯等技术设施的太阳风暴等都属于空间等离子体物理的研究范畴.低温等离子体物理与应用则与人们日常生产生活息息相关，例如等离子体对材料表面的改性，低温等离子体灭菌，等离子体显示屏等等．从国内的人才市场需求来看，加快等离子体物理与应用的人才梯队的培养，已成为当务之急．

1.2 物理学进一步发展的需要

21世纪物理学在三个方向上的继续发展，离不开等离子体物理的贡献.

(1)从微观上的深入，例如飞秒激光等离子体物理；

(2)宏观上的拓展，例如深空等离子体探测；

(3)非线性科学的进一步发展，例如等离子体的各种不稳定性的研究．

等离子体物理在上世纪70年代末形成独立的物理分支学科，和物理学的其他分支理论相比，等离子体物理研究的对象是复杂体系，相关物理量(自由度)远多于其他物理分支研究对象．等离子体物理经常要面对的任务是在信息量不足和不准的情况下，尽可能精确地理解其对象的性质．这使得等离子体物理在思维方式上明显区别于其他物理学分支．等离子体体系作为一种复杂体系，在对其进行定量化描述中所遇到的困难，也同时将存在于21世纪领头学科的定量化描述问题之中[2]．物理类专业的学生如果能够尽早地接触等离子体物理，对于在现今主流物理学家追逐物理学大统一理论的框框下拓展思路也将产生积极影响．

1.3 高等教育发展的需要

狭义上的等离子体是指由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的，宏观上呈现准中性(准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等，系统在宏观上呈现中性，但在小尺度上呈现出电磁性),且具有集体效应的混合气体[3]．广义的等离子体是指集体行为起支配作用的宏观体系．存在着集体相互作用是等离子体最重要的特点；而正是这一特点为“和谐”等人文概念注入了新的科学涵义．中国科学技术大学刘万东在其《等离子体物理讲义》中的一段话很好地诠释了等离子体物理学中的人文内涵：“我经常将等离子体人性化，她的许多表现酷似于我们人类……等离子体中的两性，相互独立又相互扶持，平和时若即若离，逃逸时则携手并肩．等离子体中的相互作用，长则绵绵，短则眈眈；远可及周天之外，近可抵唇齿之间．等离子体的集体行为，自由与束缚兼得，温和与暴虐并存．等离子体的自洽禀性，可以欺之以妩媚，不可催之以强蛮.若以力，人人奋愤可兵；以弱，则诺诺列队而从．如此以陈，等离子体的每一个秉性都值得我们用诗一般的语言来渲染．电子离子，以其简洁的库仑作用，本不堪言，然一成群体，即如此绚丽，何况人乎？”可以预见，在现代科学与人文相互融合的教育理念下，普及等离子体物理必然促进高等教育及其理论的进一步发展．

已经如此重要的等离子体物理，却在大学物理教育中被忽视．因此，在大学物理教育中普及等离子体物理的基本知识已经显得非常必要．

2 普及等离子体物理基本知识的可行性

2.1 等离子体物理的教育现状

等离子体物理是一门建立在多门基础物理学科之上的交叉学科，其理论的学习在一般的等离子体物理教育者看来必须具备相当深度和广度的物理基础．等离子体物理在国内的教育现状是，少数高等院校的物理类本科专业将其作为选修课；而只有极个别高校(如中国科学技术大学，解放军理工大学等)由于专业设置的需要才把等离子体理论设置为本科的高年级必修课程；其他院校学生一般都是研究生阶段才真正接触到等离子体的基本性质；而设置等离子体物理相关硕士或博士专业的院校本就非常稀少．

2.2 物理类专业普及等离子体基本理论和应用的可行性

本科物理类专业普及等离子体基本理论显然是可行的，可作为独立的课程开设，或者渗透到电磁学、电动力学等课程中去．

物理类专业学生的电动力学课程一向被认为是过于抽象的理论课，学生学习过程中很少能体会到其实际应用价值，而最初集中体现等离子体物理磁流体力学理论的恰恰是阿尔文著的《宇宙电动力学(基本原理)》一书，该专著将电动力学的基本原理应用于揭示宇宙空间等离子体中的具体物理现象．由于等离子体是带电粒子构成的体系，电动力学是等离子体物理研究中的基本要素，有时在电动力学课程中会涉及很少量的等离子体电动力学理论，如果能再引入一定量的等离子体技术与应用，这必然会使电动力学课程变得生动起来．当然，这对教师提出了更高要求，需要编写教材与授课的教师通晓电动力学以及等离子体理论与技术．

实际上，经典力学、电动力学、量子力学、统计物理等都能够在等离子体物理中找到自己的应用领域，而等离子体物理本身较强的应用性和创新性，为抽象的物理理论课生动化、实用化提供了一个可借鉴的方向．

2.2 等离子体应用方向的工科学生如何掌握等离子体基础理论

如何给以等离子体物理的应用为核心技术的工科专业(例如核聚变方向，空间技术方向以及材料物理应用方向等)本科学生讲授等离子体理论是一个非常值得研究和探讨的教育课题；事实上在国内院校已经有解放军理工大学成功开设工科的等离子体基础理论课程的成功经验；而武汉工程大学的材料物理本科专业(虽然该专业属于理科，但根据其就业导向仍然是技术应用)也开设了其专业核心课程工业等离子体．

解放军理工大学的等离子体课程是空间工程专业的工科学生的学科核心基础课程，要求学生掌握相对系统的等离子体基础理论．由于该专业学生的数学基础与物理类专业学生的数学基础完全一致，而物理基础相对薄弱(一般的工科专业的情况也大抵如此)，因此通过数学理论推导来分析物理原理的授课方法，使得工科学生系统地掌握等离子体理论成为可能．当然，由于空间等离子体理论的应用本身是非常能够激发学生兴趣的内容(统计表明，所有空间工程专业的学生对空间等离子体应用有一定兴趣或非常有兴趣)，只要将应用的介绍很好地贯穿于理论之中，即不用担心学生会过度的排斥抽象的理论部分．

武汉工程大学的材料物理专业方向侧重于等离子体技术应用(物理气相沉积和化学气相沉积)，强调技术的使用和研发，因此相对于抽象的等离子体物理基本理论，侧重于实验的教学显得更加重要，除了设置工业等离子体的理论课程外，还设置了等离子体技术与应用试验课．该专业毕业生的高就业率也表明了在本科设置等离子体技术相关方向专业的成功．

2.3 一般理工科学生如何掌握等离子体基本理论

国内自编并正式出版的适用于本科非物理类专业的等离子体物理教材近年来从无到有地开始发展，同时也已经有相当数量的国外教材被引进，并呈现快速增长的趋势．系统地学习等离子体理论需要一定的电磁理论知识，但在国内的可选择教材还很少.教材内容的难度相对要求学生物理基础较高的前提下，可以先尝试在学习过电磁场与电磁波理论的学生中开设如现代等离子体技术与应用等的选修课，教师在教学的实践中才能逐渐总结出足够的教学经验，编写出适用于一般工科专业的教材．

2.4 普通物理或文科物理教材中引入等离子体物理基本内容时的侧重点

普通物理中可以通过增加相关章节，引入阅读材料，或者分散式地逐步介绍有关的概念和性质．一般在电磁学内容部分就可以引入等离子体基本概念和基本性质，如德拜屏蔽；等离子体振荡则在振动与波的内容部分引入．普通物理介绍等离子体物理内容的侧重点在于，使学生认识等离子体的自然存在形式，理解等离子体中的集体相互作用，了解等离子体应用领域．

文科物理既可纵向地介绍等离子体物理的发展史，也可横向地介绍等离子体物理的现代应用；但要强调等离子体的集体相互作用特性，因为正是这个特性恰可以和很多复杂的人文社会现象作类比，使得文科生能够更容易接受等离子体物理，从而达到科学与人文教育相互融合的目的．

3 面临的困难和解决方案

在本科物理教育中推广等离子体物理面临的最大困难是师资力量的相对缺乏.国内具有等离子体物理专业背景的物理教师有限.又因为目前在高校中多以论文和课时多少统计教师工作量，很少有物理教师愿意承担一门新的课程，尤其是等离子体物理这种缺少成熟教材，需要花大力气去搞清理论和实验细节的课程．这种现状的改变需要依赖大学物理教育界的宣传.可以先尝试一些比较科普的做法，例如通过普通物理和文科物理教材中内容的渗透，逐渐让更多的人认识等离子体，了解等离子体技术的重要性．对于师资队伍建设，一方面需加强师德教育，提倡奉献精神，也要做好政策和制度上的倾斜.

等离子体物理是一门基础物理课程，内容大体上属于经典物理的范畴，然而它所面对的对象几乎是宇宙中可见物质的全部、人类活动的主要能区．等离子体物理对物理问题的许多处理方法，尤其是涉及集体相互作用和现象的方面，对物理学以及其他科学都具有可借鉴的价值．从等离子体物理学成为现代物理学的独立分支学科到现在已经过去了三十多年，形成了其独特的新的物理文化．相信本科阶段等离子体物理基本知识的普及必将给大学物理教育以及新技术的发展做出积极的贡献．

参考文献

1 张谷令, 敖玲, 胡建芳, 刘元富. 应用等离子体物理学. 北京: 首都师范大学出版社, 2008

2 胡希伟. 等离子体理论基础. 北京: 北京大学出版社, 2006

3 李定, 陈银华, 马锦绣, 杨维纮. 等离子体物理学. 北京: 高等教育出版社, 2006