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非物理学科物理教学浅析

发布时间:2014-10-23 17:17:24    浏览量:[news:i]

《大学物理》课程主要面向非物理专业的学生。但就物理学深度来讲,很简单,但是广度大,需要对物理学有较为广泛的认知,主要分支都要了解并且要有深刻的理解。大学物理课程的教学要求是尽量完整地、系统地、准确地讲解经典物理学以及近代物理学的进展与成就。笔者遵循以上的教学原则,注重基本规律、基本知识、基本概念和基本方法,对于物理科学发展的重大事件结合新观点和方法进行讲授,使学生们不仅了解了物理学基础知识,又提高了他们的科学素养。
  一
  这门课包含近代到现代的物理学发展史,不需要复杂的数学公式计算,只需要把内容讲清楚、准确,使得非物理专业的各专业学生可以清楚准确地了解物理学的基础知识,进而提高他们的物理科学素养。经过多年的教学实践,我发现不深究物理学内在的逻辑以及处理技巧,把那些支配整个自然界的物理规律和知识讲清楚,使学生对物理学基本框架结构都有了较清楚的理解,同样培养了学生探索自然的兴趣。
  以量子理论为例,量子力学在物理学中的难度是公认的,要深入了解量子理论,甚至去解决实际的物理问题,那是物理专业的学生所要做的。而我们的课时有限,根据教学目的的不同,我们只需要让学生把量子理论中的主要分支以及重要的发展讲清楚就可以,目的是让学生们简单清楚地了解这一理论的基本观点。
  从紫外灾难引出能量发射的量子观点:(1)紫外灾难。频率决定紫外发射,这是量子理论的观点;而经典理论观点是强度决定紫外发射。然后,讲解量子论主要观点:(2)德布罗意的波粒二向性,爱因斯坦的光电效应,普朗克的量子假说,波尔的原子理论。进而该理论的基本方程——薛定谔方程,即:(3)薛定谔方程: 接下来讲述这一方程的基本物理意义:(4)伯恩的几率波解释: 最后解释非常重要理论——测不准关系,即海森伯测不准关系: 。
  这种简单的教学方法能否使学生掌握基本的物理知识,并且了解物理的一些基本规律,物理学看似很难,其实不然,其中的基本规律浅显易懂。本质上讲,物理学家的意义无非就是探索大自然的最本质而又最质朴的自然规律,让世人得以了解。那么,现在就让我们的学生从这一动机出发来了解物理学吧。
  二
  有位学者曾这样说,“历史给人以智慧,科学给人以知识。”对科学事件的历史分析一方面可以使学生了解科学研究的思路,另一方面可以启发学生的创造性。因此,在讲课时,笔者认为在讲授知识的同时,分析科学发展历史的方法效果比较好。例如,讲授“原子结构”这一章节时,让同学们对原子结构进行逐步认识,使他们明白科学家是如何一步步发现原子,进而研究,最后接近客观实际,达到正确结论的。
  1909年盖革和马斯登首次观测到α离子束穿过金属薄膜后散射的情况,结果发现其中少数存在大角度散射,这完全出乎他们的意料,经观测这些散射角达到150°。经过仔细分析,发现并不像汤姆孙所说的正负电荷混合在一起,而是正电荷聚集在一起,进而得出卢瑟福有核模型:原子中心有一核,半径约为100万分之一米,其中这个核占据了原子的绝大部分重量并且聚集了所有的正电荷,电子分布在核外半径约为100亿分之一米处。
  卢瑟福模型使我们了解了原子的大概结构,正电荷以及电子的分布。那么进一步会想到电子在核外是如何运动或是遵从什么样的运动规律呢?1913年丹麦物理学家波尔提出的氢原子理论充分地解释了这一问题。
  这一过程让学生了解到可以从简单的实验结果中分析出重要的科学发现。科学发现并不难,科学家们只是比普通人对一些自然现象具有更强一些的感知力而已。除此之外,作为教师的我们还应告知学生,宇宙之大,对自然规律我们只能不断地去探索,现有的很多结论还不是很确定,甚至还很肤浅,只有继续探索才能不断接近自然界的客观规律。
  三
  每堂课的开始,我都会向同学们展示一段科学家对科学的认识论述,我称之为“科学格言”,以此使同学们对科学研究有个明确的认识,了解如何去创造。例如在上第一堂课时,我引用了爱因斯坦和贝弗里奇的一段话,来让学生们了解对于物理科学研究,究竟什么才是最重要的。“对于物理学上的基本概念决不能用归纳法来实现。19世纪多数研究者最基本的哲学错误莫过于此。现在我们很清楚:靠相信归纳经验来产生理论的理论学家是多么的幼稚和错误!”——爱因斯坦。“哲学家以及一些科学家这样认为:系统地积累资料,最后根据逻辑概括出结论,这一结论就是新的科学发现。但事实上这种想法是错误的,仅有个别的发现采用这样的方法。”——贝弗里奇。爱因斯坦和贝弗里奇两位伟大科学家告诉我们,重要的科学发现并不是通过逻辑和归纳,而是通过重要的创造性思维,这是关键中的关键。对于物理学为什么逻辑严密,我同样用爱因斯坦的话在第二节课上进行了回答:“一个物理理论的建立,起决定性作用的是基本观念,即使物理书中到处都充斥着复杂的数学公式。一切物理理论都源于思考和概念,并非公式。”——爱因斯坦。
  在我国,很多著名大学的培养目标是使学生牢固地掌握基础知识,并且以此为傲,当然,笔者也不例外,每当夸奖同学时总是会说“基础扎实”。然而,回过头来想想,难道基础扎实就是培养学生的目的吗?自古以来,学习是为了创造。仅仅是学习别人创造的知识,不去创新,那社会就不会进步,这样的科学家是失败的,同样不是我们这个社会所需要的。所以,仅仅学习课程中的逻辑关系而不假思索,这对科学的发展史并无益处。目前,大多数学生对基础物理课程学完之后,喜欢根据基本定理进行推倒,这恰恰违背了物理课程的初衷。

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