用做科学研究的方法进行大学物理教学

喻有理 张二虎 田蓬勃 刘 萍 刘丹东

(西安交通大学理学院，陕西 西安 710049)

国家为了提升创新竞争力，要求大学培养的人才不仅具有分析问题，解决问题的能力，更需要有发现问题，提出问题的创新精神和创新能力。

大学物理是理、工科大学低年级本科生的基础课程，不仅是提升学生数、理逻辑思维的一种基础训练，更要加强学生创新精神和创新思维的训练，就是要加强研究性学习的训练。

大学物理教学秉承了我国基础教学的优良传统，其特点是教学的内在联系紧密，条理清晰，逻辑严密，注重物理基础理论知识体系化、注重分析问题解决问题能力的训练和培养。爱因斯坦在科学思维过程理论中对逻辑思维和非逻辑思维在科学创造中的作用作了明确的阐述：科学思维的开始和终结都是超逻辑(直觉)思维，只有中间过程是逻辑思维[1]。也就是说创新的主要部分集中在科学体系的问题提出和终结的应用范围。

以这一理论来评价我国的传统基础教学，训练研究和创新能力的重视不足。表现在一般传统教科书不讲问题的产生，也不讲结果的不足，缺乏科学结论的开始和终结过程，而这些地方恰恰是创新思想最重要，也最丰富的地方。要加强创新思维培养，就要求教师讲课时要把讨论的问题的来源讲清楚，把存在的问题及可能解决的途径说清楚，把教科书中不好讲的东西用自己的学术思想讲出来，就像是介绍自己对所讲内容的研究、创造过程一样。而我们的多数普通教师缺乏这种训练和实践。结果是：学生不清楚要学知识主题的应用背景和意义，激发不出好奇心，缺乏学习的兴趣和主动性；教师的教学过程与研究创新实践在精力的分配上形成了矛盾冲突，成为矛盾的对立面。对基础课程教学，教师如何化教学为研究，学生如何化学习为兴趣？就成为提升基础课教学成效的关键。

为了改善上述情况，以培养创新性人才为目的研究性大学都要求新进教师要有博士等研究性学位，这形式上保证了教师做过科学研究这一基本条件，同时激励教师多做研究，其本意是提升教师的研究素养，使教师具备用做科学研究方法进行教学的必要条件，用以带动研究性教学；负面的效应是刺激了多数年轻教师重科研、轻教学的偏执，没有达成教学本身也是一种研究、创造活动这一共识，认为教学会荒废自己的科研，甚至会使自己丧失科研能力。

一个人的科学研究成果能够收编为教学内容或产生广泛的社会影响的几率几乎是零，但将科学研究的方法通过教学活动传授给自己的学生，让学生直接受益，这是完全可以做到的，也是学校教师将研究成果转化为生产力的最主要途径和最能实现的目标。当然，将研究方法转化为教学内容，不是自然而然的事情。这需要教师们不仅要向老模范教师学习，还要充分发挥自身的主观能动性，勇于探索与实践，因为他们自身本是传统教育的结果。量子领域的开拓者，诺贝尔物理学奖和奥斯特教育奖的获得者理查德·费恩曼在1961—1964年给加利福尼亚理工学院的一、二年级本科生教授物理学导论算是较为成功的例子[2]。我们国家近年成立教师教学发展中心，目的也是希望加快新一代教师的成长。但不可替代新教师们的自觉责任意识，作为一线的基础课教师，要用做研究问题的理念去重新系统地审视本专业的基础理论，把要教给学生的每一个主题当作研究题目一样对待，通过自己的查阅，梳理甚至创造再现主题的产生背景和意义，按照自己的学术思想向学生做研究项目报告。若能这样去进行教学，教师的教学过程和研究过程就成为了一体，学生的学习知识和研究问题也成为了一体，教学和研究得以统一和谐。

下面介绍我们在这种思考下探索的一些经验代表，供同行们参考。

1 对初次引入的物理量创设其产生背景和过程

物理学的探索目标是在实验现象观测的基础上，寻找隐藏在自然现象背后的规律，通常是寻找变化现象中隐藏的不变规律及其条件。不变规律包括物理量不随时间变化即守恒的情况，也包括物理量之间满足的数学方程形式保持不变的情况。开普勒第二定律是一个用几何语言总结的守恒定律，动量矩概念及相关知识可以此为背景提出，过程如下：

1．1 将几何描述的开普勒第二定律用力学矢量表示

开普勒第二定律指出：行星绕太阳运动位置矢量在单位时间内扫过相等的面积。这是一个用几何语言总结的守恒定律，如图1所示，用矢量表示为

(1)

图1 开普勒第二定律示意图

将质点的动力学参量质量考虑进去，可有

r×(m)=C1

(2)

式(2)表示质点对参考点O的位置矢量r与质点该时刻的动量m叉积为一不变的矢量，将此组合量定义为一个新的物理量就是动量矩，就可得到一个守恒定律。

1.2 质点动量矩的定义

定义：动量为m的质点对参考点O的动量矩为

Lo=r×m

(3)

定义了动量矩后，几何表达的开普勒第二定律表述为行星对太阳的动量矩守恒，成为用矢量表示的物理运动定律。存在动量矩守恒是普遍现象呢？还是条件限制下的特殊情况？

1.3 质点动量矩守恒和不守恒现象

例如，可以证明一个做匀速直线运动的质点对任一固定点的动量矩保持不变；也可以证明一个做抛体运动的质点对任一固定点的动量矩不保持不变。那么，什么情况下动量矩变化，什么情况下动量矩不变呢？可以从分析动量矩对时间的变化率来寻找到答案，从而引出质点的动量矩定理和力矩的定义及动量矩守恒的条件。

1.4 质点的动量矩定理 力矩的定义和质点动量矩守恒的条件

(4)

力对定点的力矩定义

MO=r×F

质点动量矩守恒的条件

MO=0,Lo=C

2 依据经典，返回原生时代认识基本定律

物理学中基本定律的发现虽有实验观测的功劳，更包含了人为的创造性规定和假设[3]，讲授时要将定律的有关现象恢复到它被抽象出来的原生态，建议学生读相关的经典文献，引导学生认清楚哪部分结论来源于实验观测，哪部分结论是人为的规定，哪部分结论是隐藏的假设。以牛顿第二定律为例，按下面过程讲授：

在牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿第二定律原述中译为“运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向”；从原著过程看[4]，运动的变化指速度的变化率，即加速度。

“加速度与外力成正比”，这是一个人为的规定；

“加速度与惯性质量成反比”，这又是一个人为的规定；

比例系数取为1，预示要用牛顿第二定律这一关系来定标力和惯性质量。

实验观测的功效在哪呢？在用质量标准标定其他物理惯性质量时，对加速度的测量。

那么有无隐藏的假设呢？当然有：惯性质量是物体的内禀属性，与物体的运动状态无关，这就是一个假设。

这种讲授思路同样可用于万有引力定律、库仑定律等。

3 彰显创新思维方法，讲授知识体系

加大归纳法、类比法等创新思维方法在知识体系讲授中的应用，如用归纳法讲授静电场的高斯定理后，根据库仑定律方程与万有引力定律方程相似的特点[5]，类比静电场定义地球引力场强度，得出地球表面的引力场强就是地球表面的重力加速度，类比静电场的高斯定理可以得到地球引力场的高斯定理形式，通过测量地球表面重力加速度的分布得到地球表面重力场的通量，应用地球引力场的高斯定理形式，从而计算出地球的质量。过程如下：

由探测点电荷在静电场中的受力定义静电场的场强，规定探测质量点在引力场中受的引力除以探测质量点的质量得到引力场强度的一般定义；

由引力场强度的定义得到地球表面附近的引力场强就是地球表面附近的重力加速度；

由静电场存在高斯定理源自库仑定律中距离平方反比律，万有引力定律也与距离平方成反比，推知引力场中也存在相应的高斯定理，形式为g·dS=4πGM地

4 适时穿插思政内容

现代科学发展要求高素质创新人才，不仅是“专”，还需要“博”。博不只是在“专”和”理”内部，而且要有广阔的视野，还要“文理相通”. 而且更需要科学文化和人文文化的融合，这是时代发展的必然趋势，是当前重要的教育理念[6]。课程思政就是践行这种理念的一种方法，也为大学物理教学内容研究提供了更广阔的空间，对此我们有以下几点思考和探索：

4.1 教师要深刻认识物理教学与思政教学统一的必要性

课程思政意指在科学技术有关的课程教学中同时注入人文科学的内容，具体就是在物理课上讲与世界观、人生观、价值观有关的人文知识。为人文文化寻求与自然和自然规律相适应的依据，成为人文科学。使科学文化成为孕育和提升人文文化的基础。同时，科学技术文明的发展，如果没有人文精神的孕育，就不能确保科学技术的先进。科学技术存在有先进和落后之分，但其本身并不存在自在的善恶指向，科学能将原子能变为原子弹式的杀人利器，也可以将其开发成发电站增添人类的幸福。其能否问世在于科学，其祸福所依在于社会所处时代、民族及统治阶层等主体的人文精神。作为基础科学的物理学的内容可以为人文思想及内容提供自然科学的依据，同时人文知识背景也为理解物理学深刻内容提供了直觉。

2)生态化原则：以修复保护自然生态格局为基础，结合现有的山体地形、水体、植被等自然资源，维持并争取修复绿道及周边自然生态功能。

4.2 如何挖掘物理学在思政教学中的内容

引导教师们在传播科学技术思想的同时，也要传播人文的精神和思想。这就要求教师们也要思考、学习物理学与人类文明之间的必然关系。实际上已有许多成果可以借鉴，比如已出版的各类物理学与人类文明相关的教科书，用于给文科生讲的，只是多数教师没有给文科生上物理的经历，没太关注这些资源而已。可以借目前这股东风使物理教师真正打通理、工、文一体的物理教学。

4.3 以什么样的形式展示思政内容

我们当前的做法是在学习相关的内容时将涉及到的人文内容以课间休息幻灯片的形式展示给学生，这样既不增加学生的学习时间，又能起到文理贯通的作用，例如在学到麦克斯韦速率分布曲线时，课间休息打上这样一段文字供学生自由阅读：

麦克斯韦理想气体分子速率分布律是自然界中随机宏观系统自发演化的结果, 其表现为速率很大和很小的分子数占总分子数的比率都很小，具有中等速率的分子数占总分子数的比率却很大，有差别但不平均。人类社会财富分配是否也有类似自然系统运行之理：稳定的社会需要出现恰当的贫富差距。太多富人、太多穷人和平均分配似乎都不合符自然。

上面是我们在探索大学物理教学如何适应当前的创新人才培养这一要求的四点体会，供参会的同行们参考指正。