三本院校《大学物理》课堂上的美育

王松

摘要：《大学物理》是高校理工学科都要学习的一门重要的核心基础课程，对理工科同学的后续学习有非常重要的作用。随着我国高等教育的快速发展，在校生规模不断扩大；同时由于学校层次不同，培养目标不同，学生基础不同，等等现实差异，对大学物理的教学工作提出了新的挑战。本文根据三本院校的大学物理教学工作的实际情况，提出了在大学物理的教学中引领学生去发现物理之美，欣赏物理之美和发展物理之美的重要意义，并通过物理课堂上的美育引导学生兴趣，提高物理学习的效能。

关键词：大学物理；美育；教育改革

中图分类号：G641 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）44-0034-03

物理是现代自然科学的基础，是现代科技的先导，大学物理课程不仅是各理工专业的公共基础课，还承担着培养大学生科学精神、树立科学思维、增强创新能力、提高综合素质的任务。大学物理所涉及的基本概念、基本理论和基本方法是培养具有创新意识和终身学习能力学生的重要组成部分。对于高校理工类的绝大多数专业来说，《大学物理》作为必修的专业基础课程，其教学涉及内容之丰富，范围之繁杂，理论之深奥，在各个学科门类中可以说是独一无二的。大千世间，万事万物，从宇宙洪荒到毫微之末，无一不是物理的研究对象。因此，在传统而成熟的大学物理的大厦中，关于力热学、电磁学、光学、量子理论、近代物理等学科分支中，大量的概念、模型、定理和定律层出不穷，不可否认，这些研究问题、分析问题的方法和理论对于学生树立唯物的世界观、培养学生的探索精神和创新意识，以及提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力都有很大的好处。但是由于教学内容量太大，而在十分有限的课时内要想系统地完成物理学的基本概念及规律的讲授，要使学生熟练掌握物理学的思维方法和技巧，还要理论联系实际，利用物理规律解决现实问题，这无疑对大学物理的教和学都提出了极高的要求。相比而言，让学生多背两条定律，多解几道题目固然必要，但是让学生真正走进物理世界，学会用物理的思维去看待世界，建立起对物理学科的兴趣，从而激发其对物理学习的热情是更重要的。而在物理课堂上进行美的教育，让学生体会到物理世界的魅力，就能很好地实现兴趣激发的目的。

作为我国高等教育发展的新生事物，近十年来我国涌现了许多的民办高校和独立学院。这些具有新办学模式的高校为提高高考的毛入学率，推动我国大学教育从精英型向大众型转变，增加国民接受高等教育的机会发挥了独特而积极的作用。但也毋庸讳言，就读于“三本”的部分同学在高中阶段并没有形成良好的学习习惯和学习方法，对物理的基础掌握不牢靠，缺乏必要的数学训练，再加上经历了残酷紧迫的高三生涯后，大学成了他们放松的场所，生活茫然甚至于漫无目的，因此有不少同学在大一面对《大学物理》这门课程时显得无所适从，缺乏学习的热情和兴趣。而由国家教指委统一制定的高校《大学物理》教学大纲对知识点掌握的要求较高，强调全面体系的掌握，课堂上只突出“教”的作用，使得当前大学物理的课堂几乎都是以教师讲授为主，学生参与程度较低，学生只能被动地“填鸭式”学习，而整个知识体系又和高中物理有形式上的重合，这就更使得部分同学完全失去了学习《大学物理》的兴趣，必然导致部分大学物理课程的教师和学生苦不堪言。

就作者所在的学院而言，这样的情况也比較突出。经过发放调查问卷调查发现，在电子信息科学大类的不同专业（包括电子信息科学与技术、电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术等专业及专业方向），学生高中物理知识均掌握不好，普遍认为物理是很困难的学科，没有足够的信心和兴趣学好物理；而少数高中物理掌握较好的同学又觉得大学物理中很多内容都是在“炒冷饭”。这两种极端的情况在工科类班级普遍存在。要解决上述问题，让大多数同学都能很好地掌握《大学物理》基本的知识体系和内容，为后续课程打下坚实的基础，就要求我们必须既重视理论与方法的学习，又要注意激发学生的兴趣，培养学生应用所学知识和方法解决实际问题的能力，因此在三本院校开展对《大学物理》的教学方法和评价机制的根本性的改革尤为必要。已经有很多教师都在《大学物理》教学改革方面进行了很好的尝试，也取得了很多的成果，如有针对性地改革课程大纲，改进课堂教学模式，增进教学的互动性和改革课程评价指标等，这里笔者不再赘述。本文主要论述在大学物理的课堂中引入美的教育，让学生体验物理世界里，从宏观到微观，从过去到未来，物理学家眼中的客观世界所呈现出的宏大之美、精确之美、简约之美、对称之美、和谐之美等美的体现。这些美的表现是在物理学的不断发展前进过程中才逐渐被人们所熟悉并认知的。通过对物理学中美的认识，激发学生对物理学习的兴趣，进而转化成为学好大学物理的动力，甚至可能激发学生投身物理的志向，这都是在美育融入大学物理课堂后可以预见的好处。我们在长期的大学物理的教学实践中，通过在课堂环节中渗透美学的教育，转变了学生对物理的认识，提高了学生对物理的兴趣，受到了广大同学的欢迎，下面撷取几个典型的物理学上的美育教学例子加以说明。

一、物理的宏大之美

按照现代天文学的观点，我们现在所处的宇宙可能源于138.2亿年前的一次大爆炸，这样一个爆炸过程的影响一直延续至今并使得宇宙以哈勃常数[1]进行膨胀。图1是哈勃太空望远镜拍摄的，位于距地球6500光年的老鹰星云的“创生之柱”[2]。这可能是哈勃太空望远镜拍摄的最著名的宇宙图像之一，其空间跨度达到了5光年的距离。图2是距地球20000光年船底星座的Westerlund2星云[3]，这是一个“年轻”的星云，由大量宇宙尘埃和气体包裹，其中包含了超过3000颗像太阳一样的恒星，并且有大量的恒星正在形成。这些天文学的最新进展每次展示给学生，并讲到我们的地球、太阳系在宇宙中的位置，都能在同学中引起广泛的共鸣，宇宙这么大，这么美，我们对宇宙需要心存敬畏。而在这样广博的宇宙中，地球是目前为止人们发现唯一满足人类生存发展的星球，这也能激发学生对自然的尊敬和环境保护的支持。我们要求学生在课余时间通过NASA等研究机构的网站，查找具有代表性的图片、视频和文献，利用课间时间给大家做展示和说明。经过一段时间的坚持，大家的热情都能充分调动起来，并且很快学生的兴趣范围就扩展到星外文明探索、引力波的发现和确定、暗物质的研究、黑洞的认识等物理学和天文学中最前沿的研究。他们主动查找资料和文献，交流对前沿研究的认识，每一个物理前沿的突破都能引起学生的广泛关注，从而激发其对物理学习的兴趣。

二、物理的精确之美

物理学是最为讲究精确的科学，我们对最基本物理量的长度、时间的测量的精确程度也代表了人类科学技术发展的高度。没有对空间和时间的精确测量，不可能出现我们已经习以为常的互联网、纳米材料、全球卫星定位系统（比如GPS、北斗导航）等重大的应用。目前人们精度最高的原子钟已经可以达到运行160亿年误差不超过1秒的水平，也就是说这个原子钟即使从宇宙诞生之初就有的话，直到今天其运行仍然具有相当高的准确度。而物理学上对长度的把握也已经低于一个原子核的尺寸量级（10-15m），人们在空间测量和时间测量的精度上不断取得进步，这也标志了物理学科發展的水平。同学在课余时间查找不同测量方式获得精度的情况并通过课堂进行互相的比较，能极大地激发他们对物理学习的兴趣。

三、物理的简约对称之美

牛顿讲过“自然界是简单”[4]，爱因斯坦说，“宇宙中最不能理解的事情，就是宇宙是可以理解的”[5]，大师的认知已经远远跳出了狭义科学的桎梏而到达哲学的高度。如物理规律的每一种对称性都对应了一种守恒定律，对称和守恒总是紧密联系在一起的，它们体现了物理学中的简单对称的美。因此，作为理解自然界的钥匙，物理定律也是具有极其简单的形式，从我们熟悉的F=ma，到E=mc2，从作用力与反作用力，到电荷的正负、磁场的南北，从左手定则到右手定则，从麦克斯韦方程组到光的波粒二象性，从熵增原理到薛定谔方程，物理学一次次地以最简单的形式揭示着自然王国中最基本、最深刻的道理，一步步地解释着我们的世界是怎样运行的，为什么是这样运行的。尽管我们对世界的认识还十分的肤浅，但人类会不断升华对自然的理解并最终到达思想的自由王国。在大学物理学教学中，有许多的知识架构都和对称有关，如在介绍线量质点运动和角量描述的刚体定轴转动中，只要将具有对等地位和物理意义的质量m换成转动惯量J，速度换成角速度，线加速度换成角加速度，其运动的描述具有完全同样形式，这样的简单而和谐的理论架构美才是最能打动人心的。学生们通过自主的总结，发现物理学的理论架构之美，并欣赏这样的美，进而促进了对物质世界的理解。

四、物理思想的思辨之美

现代科学之父伽利略的比萨斜塔实验可能是物理学发展史上知名度最高、流传最广的一个故事。虽然伽利略没有去做过这个实验，而真正驳倒“落体速度与重量成正比”理论的，只是一个简单的推理：假如重物比轻物下落速度快，那么当重物和轻物绑在一起时，前者会受后者拖累而导致整体变慢；但是如果将二者视为一个整体，它们又会因为总重更大而速度更快。同样两个铁球，按照这个理论却忽快忽慢，结论只有一个，“重物比轻物下落更快”的结论不具有自洽性，是错误的。这样简单直白而又丝丝入扣的逻辑演绎，痛快淋淋地对学术权威亚里斯多德支持的落体定律发出致命一击，开创了实验物理的新时代。像这样的例子在物理学上还有很多，比如伽利略关于物质惯性的论证、爱因斯坦关于同时的相对性、薛定谔思想中那只可怜的“猫”等，无不体现了物理学中的思辨之美。

物理学中的美的体现当然远远不止于此，但“管中窥豹，可见一斑”，通过我们不断地去发现物理世界的美，我们就能不断地激发学生对物理世界的兴趣，使物理的学习不再是简单的定律推导和计算解答；逐渐将物理学中所蕴含的思想和方法潜移默化地传递给学生，帮助他们提高发现问题、分析问题、解决问题的能力，不断深化其对客观世界的理解，最终使得学生在各个方面都受到了物理学有益的影响。

参考文献：

[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.牛顿自然哲学著作选[M].上海人民出版社，1974.

[5]爱因斯坦.爱因斯坦文集[M].北京：商务印书馆，1976.