梅冰

(中國人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院 江蘇 南京 211101)

等離子體是顯著電離的氣體，作為物質(zhì)的存在形態(tài)之一，為區(qū)別于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)而通常被籠統(tǒng)地稱為物質(zhì)的“第四態(tài)”．日常能見到的等離子體如火焰，閃電，霓虹燈里的電弧等，太陽本身就是一個巨大的等離子體球．事實上，等離子體態(tài)物質(zhì)占宇宙中可見物質(zhì)的99%以上.等離子體物理早已成為物理學(xué)的一個重要分支，其應(yīng)用與技術(shù)日益在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用．但是，在大學(xué)的普通物理教材中卻難以找到等離子體的概念.最新版的新概念物理《電磁學(xué)》教材中所涉及的等離子體概念也是比較模糊的，其中等離子體基本物理性質(zhì)的介紹僅寥寥兩三頁.即使是針對物理類的本科專業(yè)，開設(shè)等離子體物理課程的院校也非常少見.這種局面的形成和等離子體物理理論本身發(fā)展有關(guān)，也和教育的重視程度有關(guān)．

1 普及等離子體物理基本知識的必要性

1.1 技術(shù)發(fā)展的需要

等離子體物理應(yīng)用廣泛.其相對獨立的研究和應(yīng)用領(lǐng)域主要包含三個方面：受控?zé)岷司圩兊入x子體物理、空間等離子體物理和低溫等離子體物理與應(yīng)用[1]．受控?zé)岷司圩優(yōu)榻鉀Q目前全球日益嚴(yán)重的能源問題提供了發(fā)展方向.空間等離子體物理是人類認(rèn)識地球空間環(huán)境，進(jìn)而走向太空的必要條件.近年來人們?nèi)找骊P(guān)注的影響電網(wǎng)、通訊等技術(shù)設(shè)施的太陽風(fēng)暴等都屬于空間等離子體物理的研究范疇.低溫等離子體物理與應(yīng)用則與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活息息相關(guān)，例如等離子體對材料表面的改性，低溫等離子體滅菌，等離子體顯示屏等等．從國內(nèi)的人才市場需求來看，加快等離子體物理與應(yīng)用的人才梯隊的培養(yǎng)，已成為當(dāng)務(wù)之急．

1.2 物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的需要

21世紀(jì)物理學(xué)在三個方向上的繼續(xù)發(fā)展，離不開等離子體物理的貢獻(xiàn).

(1)從微觀上的深入，例如飛秒激光等離子體物理；

(2)宏觀上的拓展，例如深空等離子體探測；

(3)非線性科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，例如等離子體的各種不穩(wěn)定性的研究．

等離子體物理在上世紀(jì)70年代末形成獨立的物理分支學(xué)科，和物理學(xué)的其他分支理論相比，等離子體物理研究的對象是復(fù)雜體系，相關(guān)物理量(自由度)遠(yuǎn)多于其他物理分支研究對象．等離子體物理經(jīng)常要面對的任務(wù)是在信息量不足和不準(zhǔn)的情況下，盡可能精確地理解其對象的性質(zhì)．這使得等離子體物理在思維方式上明顯區(qū)別于其他物理學(xué)分支．等離子體體系作為一種復(fù)雜體系，在對其進(jìn)行定量化描述中所遇到的困難，也同時將存在于21世紀(jì)領(lǐng)頭學(xué)科的定量化描述問題之中[2]．物理類專業(yè)的學(xué)生如果能夠盡早地接觸等離子體物理，對于在現(xiàn)今主流物理學(xué)家追逐物理學(xué)大統(tǒng)一理論的框框下拓展思路也將產(chǎn)生積極影響．

1.3 高等教育發(fā)展的需要

狹義上的等離子體是指由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)組成的，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性(準(zhǔn)中性是指在等離子體中的正負(fù)離子數(shù)目基本相等，系統(tǒng)在宏觀上呈現(xiàn)中性，但在小尺度上呈現(xiàn)出電磁性),且具有集體效應(yīng)的混合氣體[3]．廣義的等離子體是指集體行為起支配作用的宏觀體系．存在著集體相互作用是等離子體最重要的特點；而正是這一特點為“和諧”等人文概念注入了新的科學(xué)涵義．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉萬東在其《等離子體物理講義》中的一段話很好地詮釋了等離子體物理學(xué)中的人文內(nèi)涵：“我經(jīng)常將等離子體人性化，她的許多表現(xiàn)酷似于我們?nèi)祟悺入x子體中的兩性，相互獨立又相互扶持，平和時若即若離，逃逸時則攜手并肩．等離子體中的相互作用，長則綿綿，短則眈眈；遠(yuǎn)可及周天之外，近可抵唇齒之間．等離子體的集體行為，自由與束縛兼得，溫和與暴虐并存．等離子體的自洽稟性，可以欺之以嫵媚，不可催之以強(qiáng)蠻.若以力，人人奮憤可兵；以弱，則諾諾列隊而從．如此以陳，等離子體的每一個秉性都值得我們用詩一般的語言來渲染．電子離子，以其簡潔的庫侖作用，本不堪言，然一成群體，即如此絢麗，何況人乎？”可以預(yù)見，在現(xiàn)代科學(xué)與人文相互融合的教育理念下，普及等離子體物理必然促進(jìn)高等教育及其理論的進(jìn)一步發(fā)展．

已經(jīng)如此重要的等離子體物理，卻在大學(xué)物理教育中被忽視．因此，在大學(xué)物理教育中普及等離子體物理的基本知識已經(jīng)顯得非常必要．

2 普及等離子體物理基本知識的可行性

2.1 等離子體物理的教育現(xiàn)狀

等離子體物理是一門建立在多門基礎(chǔ)物理學(xué)科之上的交叉學(xué)科，其理論的學(xué)習(xí)在一般的等離子體物理教育者看來必須具備相當(dāng)深度和廣度的物理基礎(chǔ)．等離子體物理在國內(nèi)的教育現(xiàn)狀是，少數(shù)高等院校的物理類本科專業(yè)將其作為選修課；而只有極個別高校(如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，解放軍理工大學(xué)等)由于專業(yè)設(shè)置的需要才把等離子體理論設(shè)置為本科的高年級必修課程；其他院校學(xué)生一般都是研究生階段才真正接觸到等離子體的基本性質(zhì)；而設(shè)置等離子體物理相關(guān)碩士或博士專業(yè)的院校本就非常稀少．

2.2 物理類專業(yè)普及等離子體基本理論和應(yīng)用的可行性

本科物理類專業(yè)普及等離子體基本理論顯然是可行的，可作為獨立的課程開設(shè)，或者滲透到電磁學(xué)、電動力學(xué)等課程中去．

物理類專業(yè)學(xué)生的電動力學(xué)課程一向被認(rèn)為是過于抽象的理論課，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中很少能體會到其實際應(yīng)用價值，而最初集中體現(xiàn)等離子體物理磁流體力學(xué)理論的恰恰是阿爾文著的《宇宙電動力學(xué)(基本原理)》一書，該專著將電動力學(xué)的基本原理應(yīng)用于揭示宇宙空間等離子體中的具體物理現(xiàn)象．由于等離子體是帶電粒子構(gòu)成的體系，電動力學(xué)是等離子體物理研究中的基本要素，有時在電動力學(xué)課程中會涉及很少量的等離子體電動力學(xué)理論，如果能再引入一定量的等離子體技術(shù)與應(yīng)用，這必然會使電動力學(xué)課程變得生動起來．當(dāng)然，這對教師提出了更高要求，需要編寫教材與授課的教師通曉電動力學(xué)以及等離子體理論與技術(shù)．

實際上，經(jīng)典力學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計物理等都能夠在等離子體物理中找到自己的應(yīng)用領(lǐng)域，而等離子體物理本身較強(qiáng)的應(yīng)用性和創(chuàng)新性，為抽象的物理理論課生動化、實用化提供了一個可借鑒的方向．

2.2 等離子體應(yīng)用方向的工科學(xué)生如何掌握等離子體基礎(chǔ)理論

如何給以等離子體物理的應(yīng)用為核心技術(shù)的工科專業(yè)(例如核聚變方向，空間技術(shù)方向以及材料物理應(yīng)用方向等)本科學(xué)生講授等離子體理論是一個非常值得研究和探討的教育課題；事實上在國內(nèi)院校已經(jīng)有解放軍理工大學(xué)成功開設(shè)工科的等離子體基礎(chǔ)理論課程的成功經(jīng)驗；而武漢工程大學(xué)的材料物理本科專業(yè)(雖然該專業(yè)屬于理科，但根據(jù)其就業(yè)導(dǎo)向仍然是技術(shù)應(yīng)用)也開設(shè)了其專業(yè)核心課程工業(yè)等離子體．

解放軍理工大學(xué)的等離子體課程是空間工程專業(yè)的工科學(xué)生的學(xué)科核心基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生掌握相對系統(tǒng)的等離子體基礎(chǔ)理論．由于該專業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與物理類專業(yè)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)完全一致，而物理基礎(chǔ)相對薄弱(一般的工科專業(yè)的情況也大抵如此)，因此通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)來分析物理原理的授課方法，使得工科學(xué)生系統(tǒng)地掌握等離子體理論成為可能．當(dāng)然，由于空間等離子體理論的應(yīng)用本身是非常能夠激發(fā)學(xué)生興趣的內(nèi)容(統(tǒng)計表明，所有空間工程專業(yè)的學(xué)生對空間等離子體應(yīng)用有一定興趣或非常有興趣)，只要將應(yīng)用的介紹很好地貫穿于理論之中，即不用擔(dān)心學(xué)生會過度的排斥抽象的理論部分．

武漢工程大學(xué)的材料物理專業(yè)方向側(cè)重于等離子體技術(shù)應(yīng)用(物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積)，強(qiáng)調(diào)技術(shù)的使用和研發(fā)，因此相對于抽象的等離子體物理基本理論，側(cè)重于實驗的教學(xué)顯得更加重要，除了設(shè)置工業(yè)等離子體的理論課程外，還設(shè)置了等離子體技術(shù)與應(yīng)用試驗課．該專業(yè)畢業(yè)生的高就業(yè)率也表明了在本科設(shè)置等離子體技術(shù)相關(guān)方向?qū)I(yè)的成功．

2.3 一般理工科學(xué)生如何掌握等離子體基本理論

國內(nèi)自編并正式出版的適用于本科非物理類專業(yè)的等離子體物理教材近年來從無到有地開始發(fā)展，同時也已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的國外教材被引進(jìn)，并呈現(xiàn)快速增長的趨勢．系統(tǒng)地學(xué)習(xí)等離子體理論需要一定的電磁理論知識，但在國內(nèi)的可選擇教材還很少.教材內(nèi)容的難度相對要求學(xué)生物理基礎(chǔ)較高的前提下，可以先嘗試在學(xué)習(xí)過電磁場與電磁波理論的學(xué)生中開設(shè)如現(xiàn)代等離子體技術(shù)與應(yīng)用等的選修課，教師在教學(xué)的實踐中才能逐漸總結(jié)出足夠的教學(xué)經(jīng)驗，編寫出適用于一般工科專業(yè)的教材．

2.4 普通物理或文科物理教材中引入等離子體物理基本內(nèi)容時的側(cè)重點

普通物理中可以通過增加相關(guān)章節(jié)，引入閱讀材料，或者分散式地逐步介紹有關(guān)的概念和性質(zhì)．一般在電磁學(xué)內(nèi)容部分就可以引入等離子體基本概念和基本性質(zhì)，如德拜屏蔽；等離子體振蕩則在振動與波的內(nèi)容部分引入．普通物理介紹等離子體物理內(nèi)容的側(cè)重點在于，使學(xué)生認(rèn)識等離子體的自然存在形式，理解等離子體中的集體相互作用，了解等離子體應(yīng)用領(lǐng)域．

文科物理既可縱向地介紹等離子體物理的發(fā)展史，也可橫向地介紹等離子體物理的現(xiàn)代應(yīng)用；但要強(qiáng)調(diào)等離子體的集體相互作用特性，因為正是這個特性恰可以和很多復(fù)雜的人文社會現(xiàn)象作類比，使得文科生能夠更容易接受等離子體物理，從而達(dá)到科學(xué)與人文教育相互融合的目的．

3 面臨的困難和解決方案

在本科物理教育中推廣等離子體物理面臨的最大困難是師資力量的相對缺乏.國內(nèi)具有等離子體物理專業(yè)背景的物理教師有限.又因為目前在高校中多以論文和課時多少統(tǒng)計教師工作量，很少有物理教師愿意承擔(dān)一門新的課程，尤其是等離子體物理這種缺少成熟教材，需要花大力氣去搞清理論和實驗細(xì)節(jié)的課程．這種現(xiàn)狀的改變需要依賴大學(xué)物理教育界的宣傳.可以先嘗試一些比較科普的做法，例如通過普通物理和文科物理教材中內(nèi)容的滲透，逐漸讓更多的人認(rèn)識等離子體，了解等離子體技術(shù)的重要性．對于師資隊伍建設(shè)，一方面需加強(qiáng)師德教育，提倡奉獻(xiàn)精神，也要做好政策和制度上的傾斜.

等離子體物理是一門基礎(chǔ)物理課程，內(nèi)容大體上屬于經(jīng)典物理的范疇，然而它所面對的對象幾乎是宇宙中可見物質(zhì)的全部、人類活動的主要能區(qū)．等離子體物理對物理問題的許多處理方法，尤其是涉及集體相互作用和現(xiàn)象的方面，對物理學(xué)以及其他科學(xué)都具有可借鑒的價值．從等離子體物理學(xué)成為現(xiàn)代物理學(xué)的獨立分支學(xué)科到現(xiàn)在已經(jīng)過去了三十多年，形成了其獨特的新的物理文化．相信本科階段等離子體物理基本知識的普及必將給大學(xué)物理教育以及新技術(shù)的發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)．

參考文獻(xiàn)

1 張谷令, 敖玲, 胡建芳, 劉元富. 應(yīng)用等離子體物理學(xué). 北京: 首都師范大學(xué)出版社, 2008

2 胡希偉. 等離子體理論基礎(chǔ). 北京: 北京大學(xué)出版社, 2006

3 李定, 陳銀華, 馬錦繡, 楊維纮. 等離子體物理學(xué). 北京: 高等教育出版社, 2006