费米的教育及研究风格对物理教师的启示

(天津师范大学教师教育学院,天津 300382)

诺贝尔物理学奖是1900年6月根据诺贝尔的遗嘱设立的,用以授予“在物理学领域作出重要发现或发明的人”。物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi,1901-1954)于1938年因“用中子辐射原子核产生放射性同位素以及相应的用慢中子引起核反应”，荣获诺贝尔物理学奖。此外,费米还提出了费米统计、β射线理论,并建造了第一座人工自持链式反应堆。费米不仅对物理学的发展贡献突出,他还是位出色的教师,他领导的两个学派先后涌现了六位诺贝尔奖金获得者，其简历如图1所示。本文将分析费米的教育及研究风格，以期为物理教师带来一些有价值的启示。

图1

1 物理研究及教育

1.1 物理专业素养

费米是一位专业知识丰富的物理学家和物理教师,他的研究兴趣覆盖了整个物理学,广博的知识使得费米在专业领域常常拥有很高的权威性。费米从小喜欢阅读有关物理的书籍,他的邻居阿米达工程师借给了他一些科学书籍,广泛的阅读为他奠定了坚实的数学和物理学基础,费米17岁时以第一名的成绩考入比萨大学高等师范学院,费米在比萨大学学习期间竟可以给他的老师讲授爱因斯坦的相对论。在美国芝加哥大学任教期间,他讲授的课程包括热力学、统计力学、核物理、量子理论、固体物理学,他的学生向他请教时,他会向学生推荐图书馆里有关的经典书籍。此外,他还常常利用自己的丰富知识帮助别人解决一些“疑难杂症”,他曾在有限的二十多分钟时间里帮助电学专家解决电路问题,不仅画好了电路图,还找到关键原因,成功排除了故障。

费米除了掌握丰富的物理理论知识外,他还非常注重做实验。费米在意大利领导罗马学派期间,他猜想用中子轰击一些合适的物质时会产生放射性,于是他采用实验与理论相结合的方法来进行验证,最初失败的实验并没有使费米放弃他的猜想,终于在辐照氟时发现了放射性,此后他和他的小组成员继续研究,他们试验了六十多种元素,并在其中四十种中诱导出放射性。匈牙利物理学家奇拉特(Leo Szilard,1898-1964)也曾有过和费米一样的猜想,但他没有做相关的实验,最后的成功属于费米。

作为物理教师,虽然我们常说专业知识和物理实验十分重要,但是在实际教学中常常忽略实验,甚至讲错部分物理知识。费米虽然是物理理论和实验的权威,但他在讲课之前仍会将每一个细节记录下来并核实,我们物理教师在备课时更应该备好每一个细节,多和同事交流经验,还要有能做好实验和自制教具的能力,全身心投入教学。

1.2 教学研究风格

费米善于分类，他会试着把面临的问题进行分类量化,尽量使复杂的问题变得条理清晰,找出问题的本质,他的分类能力似乎与生俱来,他甚至会将人按照他们的身高、相貌、财富等特征进行分类。在费米中年时期,为了弥补记忆力的下降,他将多年来积累的数据资料等进行整理分类,并将之编码放入文件柜,再在笔记本上做好索引,在他使用这些资料时,可以通过索引在几秒钟内找到所需的文件。

善于分类的习惯使得费米可以更精确地整理归纳。在比萨大学学习的一个暑假里,费米充分利用这一时间对自己所学的物理知识进行总结,他用铅笔写满了一个笔记本,上面很少有擦抹的痕迹,其中前28页对分析动力学做了总结,后面是关于物质的电子理论的总结,此外还有对气体放电现象的抄录,这本笔记保存至今。这种不断整理总结的习惯有效地提高了知识的吸收和使用效率,这使得他在执教期间知道什么是重点,什么可以忽略不讲,他会将复杂的证明简洁化,并逻辑清晰、层次分明地为学生讲授知识。

费米还具有很强的估算能力。他的妻子劳拉曾回忆说：“费米的大拇指就是他随时可以用来量东西的尺子”,他可以用他的大拇指测量出一个人的身高或者一座山的高度,费米在芝加哥指导原子反应堆的建造时,被那里的物理学家们称之为“先知”,因为他总是对的,他可以很快地估算出数据,而这些估计值往往与真实值相差无几。

费米在研究过程中很重视时效性和前瞻性。在面临任务时,他的研究小组成员可以迅速地被组织起来,他们会先将问题的主次分清楚,再做出合理假设和近似处理,最后在实验上获得成功,共同完成任务。费米一直重视物理学的前沿问题,在20世纪20年代末,费米果断地将研究方向从量子力学转向对原子核的研究,虽然当时他和他的小组对新兴的核物理知识了解浅薄，并且缺少相关实验仪器,但他们却敢为人先,最终取得杰出成绩。高效、前瞻的研究特点成就了费米领导的罗马学派及芝加哥学派,他们不但在物理学方面成就突出,更代表了一种物理治学精神,影响着我们的物理研究与教学。

1.3 教学方法

费米有着独特的教学方法,他注重师生、生生间的交流讨论,教学生动有趣,不仅使学生掌握了所学知识,还激发了他们的学习兴趣。

费米常常与学生展开“讨论会”,这些讨论会总是临时的或非正式的,他会确定一个主题,讲解这个主题及其相关的问题,学生有什么不懂的问题也可以提问,费米总会给予清楚的解释,这种开放的教学气氛使学生不停思考,激发了思维活力,学生们还可以看到理性的思维是如何抛弃那些次要因素,找到问题关键,帮助学生在已有知识的基础上，运用类比、分析，从而弄清楚未知的东西,从本质上解决问题。这种讨论式教学法完全可以应用在我们的课堂讨论中。

费米对学生的要求是非常严格的，费米上课时不用教材,自己也不带备课笔记,但他要求学生必须做笔记,课后作业通常是物理知识的应用问题，并且要求用多种方式解答,以此培养学生的分析能力。费米虽然也希望自己的学生可以早日取得成就,但是他们发表论文前必须保证这篇论文有发表的价值,而且要在费米认为好的杂志上发表,这种宁缺毋滥的严谨治学态度深深地影响着费米的每一位学生。

费米独特的教学方法以及渊博的知识吸引了好多年轻人向他求学,其中就包括了来自中国的杨振宁,1949年他们共同提出了“费米—杨振宁模型”,该模型在粒子物理学中有着重要意义。

1.4 师生关系

共同游戏、学习使费米和他的学生们建立了亲密的关系和深厚的情谊，在意大利时期,费米常与学生一起登山、打网球。他还参加学生们的集会,他充当导演,为学生们分配角色,他们无声扮演一些电影里的角色,同时有一个人朗读配音,再有一个人模仿放音机噪声发出嗡嗡的响声,他们称这种游戏为“无声电影”。后来费米移居美国，在芝加哥大学执教时,他也常常参与学生们组织的活动,例如游泳、滑雪、下棋、方块舞等。费米与他的学生相互讨论、争辩，促使一些不成熟的假说发展成为新思想、新发现。此外,这些交流使得团体成员之间更加了解,调整了人际关系,形成融洽的学习、工作气氛。师生关系是影响学生学习的重要因素,很多学生因为欣赏任课教师而喜欢上一门学科,良好的师生关系在成功的教学里必不可少,物理教师必须重视良好师生关系的培育。

2 费米的“遗憾”

在罗马期间,费米及他的学生认为铀被中子轰击后,会衰变为一种人造超铀元素,他们称之为铀X,但是因为他们忽略了铀核裂变，而导致他们产生了错误结论,并错过了发现重大理论的机遇,这一理论在四年后被哈恩(Hahn Otto,1879-1968)提出,费米对此深感遗憾。无论是研究还是教学,追根溯源、找到本质原因是非常重要的,否则关键问题往往就会因为我们的“自以为是”被忽略。

或许是因为这件事,费米偶尔谈论老了以后要做什么时,他希望可以继续从事物理教学,并编著一本涵盖物理学中所有难点的图书,而这些难点常被人们通过“众所周知”等词汇掩盖。费米甚至已经开始收集相关的重要问题,但此书尚未完成他便于53岁时与世长辞。

3 结语

作为物理学家,费米在理论和实验两个方面都做出了突出贡献。作为物理教师,费米培养了许多杰出的物理人才,费米领导的罗马学派和芝加哥学派也在物理史上成为佳话。赛格莱在他去世后写到:“这样,最后一位支配着理论和实验全部领域的物理学家就此消失。随着专业化的不断增长,我们要再次看到像费米这样的一位多才多艺的杰出人物是值得怀疑的。”也许费米的奇才智慧不是我们每个物理教师所拥有的,但费米的研究精神和教学方式是值得我们学习和应用的,扎实丰富的专业知识、逻辑清晰的分析思维、有效的教学形式、对学生的严格要求和细致关爱,这是我们每个物理教师可以做到、也是必须做到的。