賈貴儒 劉玉穎

(中國農(nóng)業(yè)大學理學院應(yīng)用物理系,北京 100083)

關(guān)于對“非物理專業(yè)學生”物理教學中相關(guān)問題的認識

賈貴儒 劉玉穎

(中國農(nóng)業(yè)大學理學院應(yīng)用物理系,北京 100083)

物理學是一門令人激動的、有活力的、向新的方向持續(xù)發(fā)展的學科，“大學物理學”是國內(nèi)外大學中非常重要的一門課程。通過多年的“非物理專業(yè)學生”物理教學實踐與研究, 筆者認為：非物理專業(yè)的學生學習物理學應(yīng)注重應(yīng)用性，教學中要重視思維方式、研究方法和知識運用等方面的訓(xùn)練，培養(yǎng)學生綜合創(chuàng)新能力，提高學生科學素養(yǎng)。培養(yǎng)學生提出問題、分析和解決問題的能力，并對其以后的專業(yè)甚至職業(yè)產(chǎn)生影響。不能用物理系的教學模式去教“非物理專業(yè)”的學生?！按髮W物理學”課程應(yīng)該與專業(yè)相結(jié)合，其內(nèi)容必須保持一個基本體系，物理學中的哲學等文化的學習與物理知識本身的學習都相當重要。教學與科研二者并重、互相促進，培養(yǎng)學生的思辨表達能力，對學生進行科學思維訓(xùn)練等。

大學物理；非物理專業(yè)；物理教學

1 對物理學的認識

物理學是自然科學的核心，是新技術(shù)的源泉。物理學中不僅蘊涵著先進生產(chǎn)力，同時也蘊涵著先進文化，對人類的未來起著決定性的作用。物理學不是一切，但是一切離不開物理學。你也許對物理學不感興趣，但是物理學對你感興趣。無論你是否喜歡物理學，你都必須嚴格地遵守物理學的規(guī)律，否則將受到物理學的懲罰。物理學的特征是：簡潔、和諧、對稱、統(tǒng)一、生動、活潑。“如果你討厭物理學，那不是你的錯：也許當年的老師不好”。[1]物理學不僅僅是知識，更是一種思維方式，一種研究方法。物理學由思維方式、研究方法和知識3個層次的內(nèi)容構(gòu)成。物理學的思維方式和研究方法是人類探索物理世界奧秘的科學思想和科學方法的寶貴結(jié)晶。物理學中的每一個新概念的提出、新規(guī)律的建立、新理論的誕生，人們都經(jīng)歷了艱苦卓絕的探索過程，而其新成就又總是對人類社會的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生重大影響，并使人們看待自然世界的觀念得到更新、認識得到提升。物理學在20世紀取得了令人驚訝的成功，改變了我們對空間與時間、存在與認識的看法，也改變了我們描述自然的基本語言，使人類的生產(chǎn)方式、生活方式以及思維方式發(fā)生了深刻的變革。

2 對現(xiàn)代科學成就的正確認識

至今, 宇宙年齡約137億年，太陽系年齡約50億年，人類有文字記載的歷史約5000年，科學進入定量研究僅400年。為了更形象地理解這些時間，如果我們用24小時來表示宇宙的137億年，那么科學進入定量研究的400年則只相當于0.0025秒。我們要用0.0025秒搞清楚過去24小時所發(fā)生的所有事情，可以想象那是多么艱難。因此，我們現(xiàn)在對世界的認識是膚淺的、幼稚的、不確切的, 甚至可能是錯誤的，這是非常正常的。人們對科學的認識是一層層地深入，我們永遠不必擔心沒有問題研究了，也永遠不能說哪個問題研究透徹了。我們既不能苛求前人完美，又不能迷信權(quán)威永遠是正確的。

科學是一種近似?？茖W發(fā)展過程是一個“排錯”(“試錯”)過程。人對事物的認識過程也是一個“排錯”過程。從不犯錯的人是不可能有所發(fā)現(xiàn)、有所作為的人。

3 對物理教學相關(guān)問題的認識

大腦是一個需要點燃的火炬，不是一個被填充的容器。把人的創(chuàng)造力誘導(dǎo)出來，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，是物理學教學的重要目的之一。

我們常常把物理學作為提高生產(chǎn)力的手段，而忽視了物理學文化的一面。我們出版的大多數(shù)物理學著作僅限于敘述具體的科學知識，我們學習物理學就像外國人學京劇一樣，只能是“形似”，很難“神似”。

愛因斯坦說：“所謂教育，是忘卻了在校學的全部內(nèi)容之后剩下的本領(lǐng)?！蔽锢韺W家勞厄也有類似的表述。愛因斯坦對教育這種認識你是否可以接受？如果能接受，我們不得不思考的問題是：“剩下來的東西”是什么？如何才能給學生多剩一點？

非物理專業(yè)的學生，考試結(jié)束后有一部分物理公式他們長期不再接觸，我們?yōu)槭裁匆踢@部分內(nèi)容？從這部分內(nèi)容中他們應(yīng)該學到些什么？

3.1 兩個容易使人誤解的“定位”

(1)“教書” 教育要堅持“育人為本”，不能將學生鍛造成“工具”。教育的對象是“人”，不是“書”。“教書”這個詞使人容易誤解，“教書”使一部分教師忽視了教育的對象的差別，不管講臺下坐的是哪個專業(yè)的學生，講法完全一樣；“教書”也使一部分教師將全部精力用來研究“書”，以至引著學生去鉆牛角尖。例如，有一些教師熱衷于一題八解、十解?？茖W是近似，鉆這種牛角尖只能將學生引向歧途。

(2) “物理課是為后續(xù)課程作準備的一門重要基礎(chǔ)課” 在過去幾十年出版的教材中很容易找到這句話或與其內(nèi)容相類似的話。這種對物理學定位很容易被曲解。由于對物理學定位的曲解，一些學校、一些專業(yè)不學“相對論”，理由是：我們專業(yè)研究對象不會以光速運動，后續(xù)課用不著相對論的知識。以同樣的理由，近些年來，出現(xiàn)了不上物理課的大學，也出現(xiàn)了20多學時的物理課，30多學時的物理課，40多學時的物理課，……

3.2 學習物理

學習物理學有幾種方式，即閱讀、思考、實踐；注重培養(yǎng)學生提出問題、討論、表達與展示等。

學習物理理論課重要的兩種方式：閱讀、思考。閱讀與思考相輔相承，缺一不可。我們的物理教學整體上偏重于單純灌輸，滿足于學生全部都聽懂，放松了對學生主動鉆研，花時間和精力去思考去消化知識的環(huán)節(jié)。教師授課的目的應(yīng)該是幫助學生掃清閱讀教材的障礙，而不是代替學生去閱讀。從哲學上講，在整個學習過程中學生是內(nèi)因，是根本；教師是外因，是條件。教師如何為學生創(chuàng)造一種，“不是簡單地灌輸知識，而是讓學生開動腦筋思考的學習方式”，這一問題值得我們研究思考。

3.3 要重視思維方式的訓(xùn)練

物理學由思維方式、研究方法和知識3個層次的內(nèi)容構(gòu)成。在物理教學中，不僅要教書本上有的物理學知識，而且要教書本上沒有的物理學的思維方式和研究方法。正如愛因斯坦所說，“在學校里，教育的價值并不是學到很多知識，而是受到如何進行思考的訓(xùn)練，而這是不可能從書本上學到的”。[2]高士其講得更清楚：“思維科學是培養(yǎng)人才的科學。要培養(yǎng)一個人成才，很重要的一個因素在于科學的思維。因為單純地進行知識與技術(shù)的灌輸而沒有一種正確思維方法來予以歸納整理和指導(dǎo)應(yīng)用，是不能成為四化建設(shè)所需要的合格人才，它只能造成頭腦僵化，缺乏應(yīng)變能力和創(chuàng)造能力的一代人?！?/p>

愛因斯坦正是用自由思維重新審視了“時間”“空間”和“質(zhì)量”等建立了幾千年的概念，提出兩條基本假設(shè)：相對性原理和光速不變原理。建立了狹義相對論。

物理學幫助學生正確地認識世界，并掌握正確的認識方法，培養(yǎng)學生獨立思考、獨立判斷的能力。物理學在培養(yǎng)人的科學世界觀、提高人的科學素質(zhì)方面有著其他學科無法替代的作用。國內(nèi)外一些優(yōu)秀的大學，人文、經(jīng)管、教育、醫(yī)學和生命科學、地球和環(huán)境科學、法律、金融和經(jīng)濟學、企業(yè)管理咨詢、哲學、國家政策等專業(yè)也開設(shè)物理學課程，也稱為“通識”物理課程。針對學生專業(yè)特點設(shè)置相應(yīng)內(nèi)容和要求的物理課程。物理課程內(nèi)容豐富，由淺入深，循序漸進，學生有了一定的基礎(chǔ)后再學習難度較高的課程。本科生參加科學研究和訓(xùn)練，有專門課程培養(yǎng)學生實驗研究、數(shù)據(jù)分析等能力。

3.4 要重視研究方法的訓(xùn)練

著名的俄國科學家巴甫洛夫曾經(jīng)說過:“科學是隨著研究方法所獲得的成就而前進的。研究方法每前進一步，我們就更提高一步，隨之在我們面前也就開拓了一個充滿著種種新鮮事物的，更遼闊的遠景。因此，我們頭等重要的任務(wù)乃是制定研究方法?！?采用一個好的方法，可以事半功倍，而方法不當，往往就會事倍功半。

例如，法國人路易斯·德布羅意用類比方法提出粒子也具有波動性。他原來是學歷史的，其哥哥是研究X射線的物理學家。受他哥哥的影響，他對物理學有了興趣。他注意到：在幾何光學中光的運動服從光線的最短路程原理；在經(jīng)典力學中質(zhì)點的運動遵循力學的最小作用量原理；這兩個原理具有相似的數(shù)學表示式。當時物理光學的發(fā)展已經(jīng)證明了光具有波粒二象性。1924年，德布羅意將光學現(xiàn)象與力學現(xiàn)象作了類比研究：大膽推論提出，粒子也具有波粒二象性，即粒子也具有波動性，這種波動就稱為物質(zhì)波。接著德布羅意進一步類比，光的波長是λ=h/P(P是動量，h是普朗克常數(shù))；既然物質(zhì)粒子具有二象性，那么物質(zhì)波的波長應(yīng)該與光波的波長相似，即λ=h/P(P是動量，h是普朗克常數(shù))，這就是物質(zhì)波的波長公式。德布羅意基于類比作出的預(yù)言在1927年被電子衍射等實驗所證實。

正如巴甫洛夫曾經(jīng)指出的:“有了良好的方法，即使是沒有多大才干的人也能作出許多成就。如果方法不好，即使是有天才的人也將一事無成。”

3.5 學習物理學要學出點哲理來

物理學“Physics”的原意是自然哲學。教授物理學必須要教出點哲理來，學習物理學也要學出點哲理來。要向大自然學習，從物理學原理、定律中得到啟示，這對培養(yǎng)科學世界觀，提高科學素養(yǎng)有著不可替代的作用。

例1 “萬有引力”對所有的人都是公平、平等的，但是我們每個人的體重卻不相同。這個小例子告訴我們一個道理：“平等”≠“相同”。經(jīng)常有人混淆這兩個概念。

例2 熱力學第二定律：Q1=W+Q2，在熱力學中：Q1是高溫熱源提供的熱量，W是系統(tǒng)所做的功，Q2是系統(tǒng)向低溫熱源放出的熱量。將熱力學第二定律思想應(yīng)用于經(jīng)濟發(fā)展時：Q1是資源消耗，W是國民生產(chǎn)總值(GDP)，Q2是對環(huán)境的影響。制約國民生產(chǎn)總值(GDP)的因素既有資源問題又有對環(huán)境影響的問題。

物理是一條閃光的思想的河流，每一個熠熠生輝之處都凝聚著科學家們智慧的結(jié)晶。注重物理學史，物理學家個人事跡的講述。特別是對物理學家在實驗事實中或?qū)嶒灲Y(jié)果中表現(xiàn)出來的懷疑精神、批判精神介紹。結(jié)合科學家的研究經(jīng)歷和知識規(guī)律來培養(yǎng)學生崇尚科學的精神。物理學有著豐富的人文底蘊, 在它的一個個定理、公式、概念里蘊藏千百年來人類通過各種手段來認識自然、改造自然, 豐富和發(fā)展人類精神文明寶庫的各種經(jīng)歷。故在物理教學時,要結(jié)合人文素質(zhì)教育, 即要向?qū)W生介紹歷史上著名物理學家的高尚品德和情操, 培養(yǎng)學生的愛國熱情和社會責任感; 又要模擬物理學家的科學發(fā)現(xiàn)過程, 在學習體驗中培養(yǎng)學生的懷疑、批判精神。這樣, 學生即學會了做事, 又學會了做人, 從而使學生全面、和諧、健康地發(fā)展。培養(yǎng)科學素質(zhì)，創(chuàng)新精神和科學美感。

3.6 非物理專業(yè)的學生學習物理學的目的就是一個字： “用”

400年前培根講：“知識就是力量?！苯裉煳覀儜?yīng)該說，“會使用的知識才是力量，不會使用的知識不是力量?！狈俏锢韺I(yè)的學生學習物理學的目的就是一個字：“用”。

非物理專業(yè)的學生通過學習物理學，了解物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運動形式及相互作用規(guī)律，理解物理學的思維方式和研究方法。用物理學的思維方式、研究方法和知識，(1)提高他們自己獲取知識的能力；(2)提高他們的科學素養(yǎng)；(3)提高他們用物理學思維方式、研究方法和知識來研究自己專業(yè)的能力。

每個人的“本能”是父母DNA的遺傳，但其“能力”只有靠自己學習、鍛煉才能不斷地提高。

無數(shù)成功者的經(jīng)歷都證明，創(chuàng)造能力與知識的多少成正比。成功，取決于人的能力；能力，則取決于人的學習。學校里學的東西是十分有限的。自己獲取知識的能力是所有能力中最重要的，只有不斷更新自己的知識結(jié)構(gòu)，才能不斷提升自己。

3.7 不能用物理系的教學模式去教“非物理專業(yè)的學生”

物理教師都受過多年的物理教育，習慣于教學嚴謹度高。近幾年取消了助教階段，新教師上課確實遇到了困難。新教師初上課時很容易想到他的老師是如何給他講這部分內(nèi)容的，忽視了教育對象的變化，于是就按他老師的上課方式去上課，即按物理系的教學模式去教非物理專業(yè)的學生。一些新教師上課時很容易犯貪多求全，大量地引入數(shù)學推導(dǎo)和證明，而不能抓住典型問題作深入分析，結(jié)果是“有些物理學家把他們的物理學知識藏在數(shù)學的迷霧里，把外行人都嚇跑了”。[2]

2004年諾貝爾物理學獎得主維爾切克講：“你不必為了欣賞《費加羅的婚禮》而像莫扎特一樣去作曲。與此類似，你也不必為了用美妙的現(xiàn)代物理概念豐富你的生活而去精通現(xiàn)代物理的技術(shù)細節(jié)”。[3]愛因斯坦名言：“一切應(yīng)盡可能簡單，但不能過分簡單”。[4]此話對物理教材和物理課程同樣適用。物理學并非就是數(shù)學，數(shù)學是物理學的“工具”；但如果沒有數(shù)學，想要完全了解物理學是不可能的。

激發(fā)學生學習物理的興趣，將物理學的學習與專業(yè)的發(fā)展需要密切聯(lián)系起來，使學生體會到物理學在學生所學專業(yè)中的重要性，增強學生學習物理的主觀能動性，這是有效地提高大學物理課程的教學質(zhì)量的重要手段。讓非物理專業(yè)的學生學習不會用的物理知識不僅浪費他們的精力，而且會使他們對學習產(chǎn)生厭惡情緒。

物理課可以是最引人入勝的，也可以是最令人生厭的，就看如何上這門課了。

3.8 “大學物理學”課程應(yīng)該與專業(yè)相結(jié)合，且保持一個基本體系

20世紀30年代康普頓擔任麻省理工學院校長時提出：“沒有第一流的理學院，就沒有第一流的工學院?！痹趦?yōu)秀的大學中，“物理學應(yīng)該是本校主流學科的支撐；本校的主流學科應(yīng)該是物理學的依托。即物理學要不斷地為本校主流學科提供新思想和新方法，主流學科要不斷地為物理學提供研究的問題。”物理學不與本校主流學科相結(jié)合，物理學很難受到學校的重視。缺少多學科的交叉融合，學校也難成為一流大學。

用物理學的思維方式、研究方法和知識提高學生們的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和獲取知識的能力等是物理教學中的共性問題。用物理學思維方式、研究方法和知識去研究學生自己的專業(yè)，是物理教學中的個性問題。教育學中要求備課要“備對象”。你教哪個專業(yè)的學生，就應(yīng)該將那個專業(yè)的主要教材借來閱讀一遍。將物理學的學習與專業(yè)的發(fā)展需要密切聯(lián)系起來，使學生體會到物理學在學生所學專業(yè)中的重要性。生命專業(yè)是中國農(nóng)業(yè)大學的主流專業(yè)。從物理學看生命，其特征是：“非線性、非平衡態(tài)、開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)?！?這4方面知識的絕大部分都是近60年發(fā)展起來的，在多數(shù)物理教材中看不到。為了民族的明天，為了學生的明天，我們不能只教300年前的物理學，也必須講授今天的物理學。例如對于醫(yī)療專業(yè)的學生所需物理學，可講授診斷和治療工具所需的物理學知識：血壓，核磁共振，腦磁描記法，正電子成像術(shù)，超聲波，放射療法等系列課程。

物理學由思維方式、研究方法和知識3個層次的內(nèi)容構(gòu)成，不學習物理學知識，很難理解物理學的思維方式和研究方法。例如，不講“相對論”，如何理解相對論的思維方式——自由思維？如何理解相對論的研究方法——探索性演繹法？愛因斯坦建立相對論已經(jīng)100多年了，不講“相對論”，你培養(yǎng)的學生在思維方式研究方法上已經(jīng)落后了100多年，讓他如何趕上世界先進水平？

物理學培養(yǎng)的是一種想象力。物理學學習的是一種思維方式。為了人才的培養(yǎng)，為了學習物理學的思維方式和研究方法，“大學物理學”課程內(nèi)容必須保持一個基本的體系。注重相對論和量子物理的內(nèi)容，教學內(nèi)容與時俱進。

3.9 科研寓于教學工作，教學相長，培養(yǎng)學生的科學思維能力

錢偉長曾經(jīng)講：“你不上課，就不是老師；不懂得科研，就不是好老師。教學是必要的要求，不是充分的要求，充分的要求是科研?？蒲蟹从衬銓Ρ緦W科清楚不清楚。教學沒有科研底子，就是一個沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育。” 錢偉長的這段話不長，但對教學與科研的關(guān)系分析得十分透徹。近些年我多次引用錢偉長的這段話。物理教師必須參加科研工作，科研工作最鍛煉人的思維、分析、判斷能力。要用科學研究的方法進行教學研究。不參加研究工作的人很容易去鉆“牛角尖”。

科研寓于教學，對于英語和專業(yè)水平較高的本科學生，可以進行“學研結(jié)合”與科學思維訓(xùn)練。可以以英文教材為載體，讓學生先仔細認真研讀英文原版教材；經(jīng)過一段時間的積累，當學生的英語水平和專業(yè)水平達到一定高度時，鼓勵學生閱讀相關(guān)的科研論文以及國際上最新科學研究進展，擴展學生的知識視野，增加學生的專業(yè)知識和英語的知識儲備。同時對學生進行科學研究訓(xùn)練，自行選課題、自行設(shè)計實驗，做實驗，撰寫論文；為以后學生進行科學研究提前作好準備。

要求學生在每一章結(jié)束時，自己總結(jié)出重點內(nèi)容。傳授知識，是基本層次的要求，教師在教學中要引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)物理中的美，激發(fā)物理的學習興趣；介紹科技前沿，把科研思路、方法帶入課堂；要讓學生學會學習、學會思考、學會獲取和處理信息，學會發(fā)現(xiàn)問題，提出、分析和解決問題。教學過程中教師要平等交流；教授知識，更是教授方法，培養(yǎng)學生的自學能力，培養(yǎng)學生能夠抽象出問題，進而能夠分析問題，找到解決問題的思路和方法；幫助同學們盡早完成從學生到學者的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

本文介紹了對“非物理專業(yè)學生”進行有效的物理教學相關(guān)問題的認識：學習物理要重視思維方式、研究方法的訓(xùn)練；“大學物理學”課程應(yīng)該與專業(yè)相結(jié)合，其內(nèi)容保持一個完整的知識體系；注重“非物理專業(yè)學生”學習物理的應(yīng)用性，用物理學的思維方式、研究方法和知識提高學生的科學素養(yǎng)和獲取知識的能力。不能用物理系的教學模式去教“非物理專業(yè)的學生”；注重物理教學的文化特色和哲學性；科研寓于教學工作，教研相長，培養(yǎng)學生的科學思維能力；幫助學生盡早完成從學生到學者的轉(zhuǎn)變。

真誠地歡迎您的批評，借用您的智慧，完善我們的思想。

[1] 穆勒．未來總統(tǒng)的物理課[M]．李泳，譯．長沙：湖南科學技術(shù)出版社，2009：2.

[2] Jossem E L，郭有江．愛因斯坦的教育觀[J]．物理與工程，2005，15(3)：1-11. Jossem E L, Guo Youjiang. Einstein’s ideas of education[J]. Physics and Engineering, 2005, 15(3)： 1-11. (in Chinese)

[3] 維爾切克．奇妙的現(xiàn)實[M]．丁亦兵等，譯．北京：科學出版社，2010: 序.

[4] 徐一鴻．愛因斯坦的玩具[M]．張禮，譯．北京：清華大學出版社，2013:17.

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THE REALIZATION OF COLLEGE PHYSICS TEACHING FOR “NON-PHYSICS MAJOR STUDENTS”

Jia Guiru Liu Yuying

(Department of Physics,College of Science, China Agricultural University, Beijing 100083)

Physics is an exciting, living, discipline that continually moves in new directions. College Physics is a very important course for scientists and engineers. According to the study of Physics teaching experience, authors assume that the goal of studying Physics for “non-physics major students” is the application of Physics. Using the thinking fashion, research method and knowledge of Physics enhances student’s science accomplishment, innovation ability, obtaining knowledge in other fields and scientific literacy. In Physics learning, students obtain the ability of raising the question, analyzing and solving the question, and therefore which has a significant the influence in their major or profession in future. Do not teach “non-Physics major students” with the pure professional teaching mode of Physics. Physics course should be combined with the specialty of students; also the contents of physics course should be kept in a basic system. The culture in physics, such as philosophy, is very important in the study of special knowledge of physics. Physics teachers pay attention to teaching and scientific research, and promote each other. Teacher should cultivate the ability of mental analysis and expression of students, and also make some scientific thought training to students.

college physics; non-physics major; physics teaching

2017-03-09

賈貴儒，男，教授，主要從事傳感器研究和大學物理教學研究，jiaguiru@cau.edu.cn。

賈貴儒，劉玉穎. 關(guān)于對“非物理專業(yè)學生”物理教學中相關(guān)問題的認識[J]. 物理與工程，2017，27(5)：10-14.