“费曼物理学”10年教学小结

阮 东 王 青 徐 湛

(清华大学物理系，北京 100084)

《费曼物理学》自 2008年首次开课以来已经过了10年，而它的第一批学生(来自 2008年秋天进入清华大学物理系学习的新生)中的大部分人，后来都成为清华学堂物理班的第一批入选者。因此可以说，开设《费曼物理学》是清华大学物理系通过学堂物理班的形式培养基础物理研究拔尖人才的配套举措之一。的确，与清华学堂物理班一同成长，《费曼物理学》的教学坚持下来了，并且不断完善，取得的成绩也是可圈可点，这是肯定的。因此，趁此机会对《费曼物理学》的教学做一下小结，是一件有益的事情。

事实上，在这方面阮东老师和王青老师已经做了先行工作，那就是阮东老师的文章《费恩曼物理学课程教学10年初探》[1]和王青老师的文章《小班教学与翻转课堂：〈费曼物理学Ⅱ〉的10年教学实践——纪念费曼先生百年诞辰》[2]。在这两篇文章中，他们已经对开设《费曼物理学》课的动机、目标、意义，十年来该课程教学的发展和演变，取得的效果等等，做了很好的阐述。由于两篇文章原文比较长，因此，这里就从两文中摘录有关的论述，再结合徐湛的体会，作为本小结的内容(下文中不再一一标注出处)。

1 《费曼物理学》课的缘起

基于创办基础科学班的人才培养模式的成功经验，2005年清华大学将基础科学班推广为大类模式。秉承基础科学班“宽口径、厚基础、强实践”的办学指导方针，时任物理系系主任、理学院院长朱邦芬院士提出构建新型课程体系，注重课程内涵建设，改进教学方式，提高教学质量的教学理念，并提出了开设《费曼物理学》课程的设想，这在国内堪称一项创举。

《费曼物理学》课选用三卷本的《费曼物理学讲义》 (The Feynman Lectures on Physics)作为教材。众所周知，这个讲义是物理学界公认难度最大、水平最高的普通物理教材。费恩曼本人也认为它不适合大学新生，更适合有一定物理知识积累和经验的人，比如研究生和青年教师。当初，清华物理系里也有一些老师并不认同开设这门课程。但是为了解决拔尖人才培养中一些学生觉得原先的普通物理“吃不饱”的问题，尤其是清华大学物理系的新生中有一批在中学期间参加过全国中学生物理竞赛、学习过普通物理的拔尖学生，是对物理学“有兴趣、有基础、有抱负”的青年学子，我们应该充分利用这些可造之才，所以还是下决心做一次大胆的尝试。

2 《费曼物理学》课的教学形式

如何教好这门课并没有前人的经验可循。《费曼物理学讲义》独具特色的费曼风格是该课教学的最大难点。书的内容选取和安排与传统的教材大不相同，对不少概念和知识的讲法独树一帜。如何把控好教学的各个环节是对任课老师的一个巨大挑战。为此，物理系为这门课配备了富有教学和科研经验的教授。先后承担过《费曼物理学》授课任务的老师有：韦丹(领域为材料物理)、阮东 (领域为核物理和数学物理)、胡剑(领域为天体物理)、王青(领域为理论物理)、安宇 (领域为核物理和声学)、徐湛(领域为理论物理)、王向斌(领域为量子信息)、陈曦(领域为凝聚态物理)，通常是分别做三个学期的《费曼物理学》讲课的A、B角。

关于具体的教学方式，物理系教学委员会与任课老师在以下各点取得了共识：(1)采用小班授课，每届选课人数控制在 30人左右，若报名人数太多，就通过考试筛选，以确保选课的学生有一定的普通物理基础。另外，小班授课也适合进行讨论式教学。(2)开课初期应保持“原汁原味”，让学生切身体会到大师的思想和特色，以后任课老师可以根据情况进行调整。这就要求老师本人必须首先吃透《讲义》，理解作者的核心思想及其实践经验，贯穿于该课的教学之中。

3 《费曼物理学》课的教学实践

这门课设置为3个学期，课程名称分别是《费曼物理学 (Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)》，对应于《讲义》的三卷，周学时数 (即学分数)分别为 5、5、4。各学期的主要讲授内容是：(Ⅰ)力学、相对论、热学、光学；(Ⅱ)电磁学；(Ⅲ)量子物理；但也有少量交叉。另外，这本《讲义》的内容通常多于国内传统教材，这就需要授课教师在保证原汁原味的基础上，对书中内容进行取舍、调整和补充。在实际教学过程中，任课教师们始终坚持了费曼的教学风格和特点。这主要体现在以下几个方面。

1) 强调物理概念、物理图像和思维方法

大学新生学习物理大多停留在中学的学习习惯上，就是花在做题方面的精力比较多。而我们开设这门课的目的之一就是让同学们在学习基础物理的过程中能够了解、体会和掌握物理学大师的思维方式，认识到物理图像和直觉同样是威力强大的。应该说，对这一点怎么强调也不过分。为了体现这一点，《讲义》的讲法别具一格：费曼非常善于在建立了一个简单的物理模型以后，利用并不复杂的数学形式很快地抓住问题的本质，给人以恍然大悟之感。费曼对物理的思维和方法是如此地驾轻就熟，非常自然地把它们融进了物理知识的讲授中。这种讲法在《讲义》中比比皆是，使人赏心悦目！由于这样的例子非常多，在这里就不再一一列举了。所以，我们讲费曼《讲义》的时候要体现出这样的特点：费曼讲授的内容，并不仅仅是对物理的诠释和研究，而且让听众享受到了解物理的乐趣。兴趣和求知是研究自然界的最大动力。我们的学生在中学学习期间所缺少的，正是物理思维的培养，如果在大学阶段不能在这方面给予加强，他们就很容易降低乃至丧失对物理的兴趣。所以，费曼这样的讲法对于促使学生们以后坚持基础物理的研究工作，或者把物理学应用于其它领域，都是不可缺少的。

当然，这种“物理图像推动”的教学方法和学生们习惯了的“演绎推动”的教学方法是不同的，他们有时会觉得费曼的推理不严格，结果太粗糙。这时老师就要给同学们解释清楚：费曼在《讲义》里给出的物理模型和它的结果，其实都有严格的理论作为背后的支撑，有些结果确实是近似的，然而却抓住了最主要的物理特征。毫无疑问，真实的物理世界是复杂的，但是把一个复杂的问题用简明的语言讲清楚，却非得有扎实和深厚的功底才能做到。费曼就是这样的大师。费曼给踏入物理学这个奇妙领域的年轻人留下了这本《讲义》，应该说是我们的幸运。

这里还要说一下考试题的问题 (主要指《费曼物理学(Ⅰ)、(Ⅲ)》，关于(Ⅱ)将在下面特别介绍)。为了保持与课堂教学风格的一致，这门课的考试题经常会用比较大的篇幅描写一个实际的物理现象(有时是老师在课堂上没有讲过的现象)，然后再提出问题，而且分析、判断、论述类型的题目与计算类型的题目之间比较平衡，用学生的话来说就是“美国风格”的题。这对于学生把注意力首先放在物理上而不是计算上也是有益的。

2) 鼓励和培养学生自主学习、主动思考

要问大学的教学和中学的教学应该在哪些方面有所区别，那么最大的区别就是大学的教学应该让学生学会自主学习，主动思考，而不是简单的我“教”你“学”。正是基于这样的考虑，王青老师在《费曼物理学(Ⅱ)》的教学中大胆进行了一项改革——翻转课堂。应该承认：不同于《费曼物理学讲义》的Ⅰ卷和 Ⅲ卷，它的Ⅱ卷里没有出现对传统讲法具有颠覆性的新讲法。因此，尽管老师在课堂上一再强调：学生自己感觉的对经典电磁学的了解其实离真实差得很远，这些言辞还是很难打动学生。所以，王青老师从最初的拿出部分内容让学生自己来讲，直到最后对全部内容都开展讨论 (但是把录制好的微课视频在课前事先放到网上供学生预习)，可以说做到了“彻底翻转”。这包括以下几个方面。一是学生由听讲变为主讲，但限制在 10分钟之内把原《讲义》中一章的内容介绍完，这给学生的压力极大，他自己必须真把问题搞清楚并进行提炼才能做到；二是学生在讲完以后还主持对这一章内容的讨论，包括提出合适的讨论问题，控制讨论局面以保证讨论有效地进行，总结和整理讨论的答案，等等；三是把原本要教师在课堂做的演示实验改为学生在助教的带领下预习，然后在课堂上进行演示，同时向大家解释实验原理；四是让学生参与整个教学过程的评价，包括对学生在参与讨论、讲课(或实验演示)、主持讨论中的表现都赋予了一定的分数，而且让全班学生参与评定。

对于这样做的效果，王青老师也向学生们做了调研，提了 20个问题请同学们给出自己的看法。总的来说，同学们回答这个调查问卷的积极性还是很高的，对这个改革的反应也都是非常肯定的，认为在对物理深入理解、提高兴趣、增强信心方面，对自己帮助很大，其中不乏“谢谢一个学期的物理盛宴”这样的评语。当然，这是一个新生事物，还存在不少难点和挑战，但值得在不断的探索中继续前进。

3) 处理好基础与高级、历史与当代的关系

《讲义》是费曼于 1961年至 1963年期间在美国加州理工学院讲课的实时记录，到现在已经过去了 50多年，而在这半个多世纪的时间里，现代物理学又取得了长足的进步，有许多新的现象被发现，新的概念被提出，新的理论被发展。如何在课程中融入现代和前沿的内容? 这个问题对《讲义》第Ⅲ卷 (量子物理)尤为突出。当然，费曼的主要着眼点是物理问题的基本概念和方法，是向听众展现基本物理定律在解决各种实际问题时的强大威力，但是也常常不失时机地介绍有关的现代发展。考虑到我们的授课对象是将来可能步入物理科学最前沿领域的年轻人，如何在保持与费曼的讲课风格一致的前提下，向他们介绍当代物理科学的最新成果和热点问题，使他们能够尽早地认识到物理科学多姿多彩的各个侧面和发展的诱人前景，树立向现代物理学高峰攀登的志向，也是这门课的目标之一。在这方面，任课老师们也是做了不少努力的，在讲课中适当插入了当代物理学前沿的内容，例如混沌和分叉、高能物理和粒子物理、广义相对论和宇宙学、引力波、量子纠缠、量子信息等等，受到学生的欢迎。

4) 处理好继承与创新的关系

费曼在他的著名演讲《科学的价值》 (The Value of Science)中说：在科学的众多价值中，最大的价值就是怀疑的自由(Of all its many values, the greatest must be the freedom to doubt)。对于大学老师而言，其实可以无需避讳地告诉学生：我在课堂上给你们讲的，尽管是基于许多前人已经做过的研究，仍然不能称为最后的真理，你们尽可怀疑。即使对于《费曼物理学》这样的经典教材，这种态度一样适用。担心鼓励学生怀疑会使他们迷失方向是不必要的。学生的某些怀疑促使他们更深入地追究目前的科学理论的背景或基础，有时候会走到老师的讲授走不到的地方。在这方面，几位老师都有这样的经验：学生提出了问题，老师觉得大方向不错，鼓励他继续探索，最后的发现连老师都没有料到。

总之，教学改革是一件关系到我国的青年一代如何成长的大事，需要与时俱进。我们在《费曼物理学》教学改革方面的尝试，也还只是初步的，今后仍需继续努力。