朱世秋 李春燕 祁 錚 賈貴儒

（中國農(nóng)業(yè)大學理學院，北京 100083）

科學史的發(fā)展證實，物理學是自然科學的核心，是新技術的源泉。物理學是一門集哲學的概括性和抽象性，數(shù)學的嚴密性和邏輯性，實驗的實踐性和操作性于一身的科學。物理學中充滿了哲學，是素質(zhì)教育中不可或缺的內(nèi)容。學好物理學不僅對學生在校的專業(yè)學習十分有益，而且對學生畢業(yè)后的工作和進一步學習、知識更新、創(chuàng)新能力都會產(chǎn)生深遠的影響。

正如葛墨林院士在“物理教學的思考”一文中說，21世紀的物理教學要有新的思維，老師的任務之一就是如何把原有的物理思想翻新，并在教學中體現(xiàn)出來。對非物理專業(yè)的大學生學習“大學物理學”來說，這一點尤其重要。教師的任務之一，就是找到物理思想的精髓，在課堂教學中傳達給學生，帶領學生一起思考，一起探究，讓物理知識在其他學科中找到交叉點，與其他學科相容相生，形成新的思想。教師的作用就是引發(fā)學生的悟性，讓學生在學習物理中悟出新東西，能發(fā)現(xiàn)物理原理、定理，甚至常數(shù)潛在的文化意義。

作者多年在中國農(nóng)業(yè)大學對農(nóng)學、生物及食品科學等專業(yè)的學生講授大學物理學，發(fā)現(xiàn)開始時大多數(shù)學生對物理學有畏難情緒，對大學物理學的認識仍停留在高中對物理的印象，認為物理難學枯燥，難理解，求解物理題很難。非物理專業(yè)的大學生大多認為，物理與自己的專業(yè)沒多大聯(lián)系，選課是因為學校要求選的。很多學生上課很被動，沒興趣。這是我們作為大學物理教師所不愿看到的。為此，老師的主要任務之一就是激發(fā)學生學習物理學的興趣，興趣是最好的老師，學生對學習有了興趣，才能談其他學習大學物理學的益處。作者努力讓學生通過大學物理學的系統(tǒng)學習，養(yǎng)成客觀地、辯證地分析問題，解決問題的習慣，讓物理科學的精髓以文化的形式，在學生的成長中，幫助培養(yǎng)學生良好的科學素質(zhì)和文化修養(yǎng)。

為了激發(fā)非物理專業(yè)的學生對學習大學物理學的興趣，作者在教學中，在傳授物理知識的同時，嘗試從物理知識聯(lián)想其隱含的人文思想和文化含義，把物理原理、定理或公式能賦予的人文科學的思想揭示出來，在教學中賦予物理知識跨學科的含義，突出物理學的文化特色和跨學科包容性。讓學生體會到，物理學是自然科學，也是藝術，是文化，甚至是人生。另一方面，在教學中，強調(diào)物理學中的辯證思維，突出物理學中的哲學思想。學生的成長過程，也是世界觀人生觀不斷發(fā)展形成的過程，作為大學基礎課程之一的物理學，在幫助學生形成科學的辯證思維，正確的哲學理念中起著重要的作用。

教學實踐證明，這樣的教學模式確實能激發(fā)學生的學習興趣，活躍課堂教學氣氛，啟發(fā)學生跨學科思考，取得了較好的教學效果。通過學習，很多學生甚至改變了對大學物理學的看法，給老師發(fā)來感謝信，告訴老師，他們在大學物理學的課堂上學到了很多東西，甚至被美妙的物理世界深深吸引，表達了對大學物理學課程的熱愛。

下面舉幾個例子，介紹作者突出物理學中的人文思想與文化的教學模式。

1 圓周率“π”與人生的無限可能

我在講到圓周運動時，想起了美劇“person of interest”中關于π的一段話，這段話深深打動了我，也啟發(fā)了我的教學創(chuàng)新，我在課堂上與學生們分享了這段話。劇中的男主角給中學生講數(shù)學課，走進教室，看到學生們無精打采，有的在玩手機，有的打瞌睡，有的在互相講話，正如我們在大學物理課堂上常見的一樣，他走進教室，開始講π，在黑板上寫下：π=3.141592……，然后不緊不慢卻充滿感情地說，“π是圓的周長與其直徑之比，而這些數(shù)字只是開始，后面無窮無盡，這意味著，在這串數(shù)字中，包含著各種可能的組合，你的生日，你的社保號，你的儲蓄密碼，都在其中某處?！边@時，學生們抬起頭，睜大了眼睛，驚奇地注視著老師，我看到，學生們的興趣被激發(fā)了。當他繼續(xù)說道，“如果你把π中的這些數(shù)字轉換成相應的字母，就會得到所有曾存在的詞語，以每種可能的方式組合：你幼時發(fā)出的第一個音節(jié)，你心上人的名字，你一生的故事，我們說過與做過的每件事……，宇宙中所有無限的可能，都在這簡單的圓之中?！敝v到這兒，學生們以敬畏專注的神情注視著老師，有的學生甚至雙眼含淚，注意力再也沒有離開老師，離開課堂。作為一名老師，能看到學生如此專注的興趣，是激動人心的。我相信他們一生都不會忘記“π”了。我在講到圓周運動時，和學生們分享了這段話，我的大學生們也發(fā)出了贊嘆，他們也是第一次聽到一個簡單的習以為常的圓周率，卻富含了如此動情的人文精神，像精彩的劇本，印在了他們的心里，此生很難再忘記。我深深感到，當科學思想被翻新，賦予了人文的魅力，變成文化，就煥發(fā)了生動的活力。物理科學不再只是平鋪直敘的原理、生硬的字母和數(shù)字，不再是枯燥的、遠離生活的難解之題，讓學生感到陌生遙遠，本能地避讓，而是充滿人文光輝和文化魅力的詩、散文或者劇本，像一股深奧的、神秘的、富有魅力的文化之泉，滋潤了學生的思想，撫慰了他們急需滋養(yǎng)的心靈。

2 坐標變換與換位思考

在牛頓力學中，講到質(zhì)點運動學，肯定會介紹參照系（reference frame）。同一個運動，選取不同的物體做參照，對其描述就不同。觀察者在不同參照系中所觀測到的物體運動是不同的，軌跡不同，速度也不同。

如圖1所示，O-xyz是相對于觀察者不動的參照系中的笛卡兒坐標系，坐標系O′-x′y′z′的參照系相對于不動參照系以速度v0作勻速運動。物體在兩個坐標系中的位移和速度，可用伽利略變換聯(lián)系起來：

圖 1

相對運動的伽利略變換告訴我們：同一個運動物體，在不同的參照系中觀察，其軌跡和速度都是不同的，但加速度相同，即牛頓第二定律是不變的，即物理實質(zhì)不變。“參照系”這一重要的物理思想啟發(fā)我們，在現(xiàn)實生活中，每個人所處的成長環(huán)境不同，其成長經(jīng)歷、教育、文化背景均不相同。對同一個事件，每個人就是一個不同的參照系，肯定會有不同的看法。一百個讀者心中，就會有一百個哈姆雷特，這是很正常的。在面對不同意見的人時，要學會將心比心，換位思維，站在對方的角度去感受世界，就能做到寬容諒解。伽利略變化還告訴我們，不同參照系中的運動描述可以通過“矢量合成”聯(lián)系起來，而且，最終的牛頓定律是一樣的，動力學實質(zhì)是相同的。這可以啟發(fā)學生，不同坐標系中的位移矢量和速度矢量，通過兩參照系間的位移矢量r0和牽連速度v0，通過伽利略變換相互關聯(lián)起來，通達對方的位置。在現(xiàn)實生活中，不同的人面對同一事物的認識不同，就像兩個坐標系中的分矢量，在自己的參照系中都是合理的存在，我們只要找到二者聯(lián)系的平臺，通過變通，就可以到達彼此，達成一致，和諧相處。伽利略變換還啟發(fā)我們，對同一事物，同一現(xiàn)象，我們從不同的角度看待，結論可以不同，但只要找到它們實質(zhì)性的聯(lián)系，就能發(fā)現(xiàn)實質(zhì)，真理只有一個。

在經(jīng)典力學中，我們所講的參照系是慣性系，即牛頓定律在其中成立的參照系或相對于它作勻速運動的參照系。當兩參照系相互間不是作勻速運動，而是作加速運動，只要考慮因加速度引起的慣性力，兩坐標間一樣可以用牛頓運動定律建立聯(lián)系。當物體運動速度很大，接近光速的情況下，伽利略變換不再適用，洛倫茲變換取而代之，但坐標變換的哲學思想的實質(zhì)是不變的。它啟發(fā)我們，世上沒有絕對獨立的事件，沒有不可逾越的鴻溝。在這樣的啟發(fā)下，學生對后面學到的慣性力及高速下的洛倫茲變換充滿了期待，會主動去查閱，主動思考其哲學層次的含義。

3 振動與波的生命不息

簡諧振動和簡諧波是大學物理學的教學內(nèi)容之一。機械振動和機械波在中學物理中介紹過，很多同學學習時會漫不經(jīng)心，注意力不集中。作者在講授此部分內(nèi)容時，嘗試了如下的教學模式，吸引了同學們的注意力，激發(fā)了學生的興趣和思考。

振動和波動是自然界中常見的運動現(xiàn)象。振動是物體圍繞平衡位置的往復周期運動，廣義地，振動是圍繞某一個值的周期性起伏變化，是時間的周期函數(shù)，可用f(t)表示，通過傅里葉變換，可表示為余弦函數(shù)的疊加：

我們啟發(fā)學生聯(lián)想到，組成生命的細胞，是由分子原子組成，這些微觀粒子無時無刻不在振動著，這些振動以波動的形式互相關聯(lián)著，波動性是微觀粒子的基本屬性之一，生命中的不同分子或原子的振動信息，通過波動傳遞著，而波的傳播滿足惠更斯原理，傳到介質(zhì)中任意點，都會形成新的子波源，生命中的信息和奧秘就是這樣，通過振動波動一層一層傳遞下去，互相影響著，決定了生命的繁衍、發(fā)育，生長和衰老，周而復始，生生不息。由于波動受初始條件，邊界條件及介質(zhì)特性的影響，其振幅，頻率，相位，波速等都會發(fā)生變化，正說明了生命的復雜多變，多姿多彩。在量子力學中，我們會學到，自然界的一切微觀粒子，其基本的屬性就是波動，波動影響著自然界的歷史演變和現(xiàn)實的千奇百態(tài)。

在電磁學、熱力學、量子力學和相對論的內(nèi)容中，都很容易發(fā)現(xiàn)其文化的含義。例如，熱力學第一定律是能量轉換和守恒在熱力學系統(tǒng)中的應用：Q1=W+Q2，其中，Q1是熱源提供系統(tǒng)的熱量，W是系統(tǒng)做功，Q2是系統(tǒng)向低溫熱源放出的熱量。這個公式用于不同的系統(tǒng)，可以有不同的含義。如，將熱力學第一定律應用于社會系統(tǒng)的經(jīng)濟發(fā)展時，Q1可以是資源消耗，W是國民生產(chǎn)總值（GDP），Q2就是社會經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境的影響。制約國民生產(chǎn)總值（GDP）的既有資源問題又有對環(huán)境影響的問題。啟發(fā)學生思考社會經(jīng)濟發(fā)展，能源和環(huán)境間的可持續(xù)和諧發(fā)展的制約關系，不能單純追求效益而忽視對環(huán)境的破壞，這也是文化的一個部分。更多的例子，不一一列舉。

其實，在教學中，我們不難發(fā)現(xiàn)，所有物理學的內(nèi)容，都包含了人文科學，都可以找到其文化的內(nèi)涵，只要稍微展開，物理學中的原理、公式、常數(shù)就不再是單調(diào)乏味的數(shù)學函數(shù)和數(shù)字，而是生動的音符，活的劇本，它們從人性的角度，撥動學生的心弦，激發(fā)學生的興趣，調(diào)動學生的聯(lián)想，讓學生在學習物理的過程中悟出許多新的東西。大學物理教學的過程，變成了一種科學文化傳播的過程，潛移默化地培養(yǎng)了學生良好的科學素質(zhì)和文化修養(yǎng)。

正如王正行老師在《物理和做物理的文化》一文中所說，如何做物理是一種文化，物理本身也是一種文化。如果把文化理解為文明的栽培、養(yǎng)育與教化，物理恰恰是在培養(yǎng)和教育我們，如何文明理性地觀察和看待我們周圍的一切。物理學與文學、藝術、思想、哲學一起，共同構成一種完整的文化，甚至是“當代真正文化的主體”。作者認為，如何教物理也是一種文化，在教學中把物理概念、原理、定理、公式甚至常數(shù)等隱含的人文意義及文化思想挖掘出來，和學生一起分享，是作者嘗試的創(chuàng)新教學模式之一。這對非物理專業(yè)的學生來說，比單純強調(diào)物理學本身的學科特點，更能激發(fā)學生的學習興趣。突出文化特色的教學模式，啟發(fā)學生從物理學科本身的框架搭橋，從科學延伸到文化，多角度思考自然科學和社會科學，拓寬了學生的思維空間，幫助學生從學習物理中感受文化精神，培養(yǎng)了學生豐富的科學文化氣質(zhì)。從學生的反饋來看，取得了較好的教學效果。

[1] 葛墨林. 物理教學的思考[J]. 中國大學教育, 2013(5): 4-10.

[2] 王正行. 物理和做物理的文化[J]. 物理, 2014, (43)5, 345-349.

[3] 賈貴儒, 左淑華, 戴允玢. 對大學物理教學改革的幾點認識[J]. 教學研究與實踐, 1999(3～4), 14-16.