阮 東 王 青 徐 湛

(清華大學(xué)物理系，北京 100084)

《費(fèi)曼物理學(xué)》自 2008年首次開課以來已經(jīng)過了10年，而它的第一批學(xué)生(來自 2008年秋天進(jìn)入清華大學(xué)物理系學(xué)習(xí)的新生)中的大部分人，后來都成為清華學(xué)堂物理班的第一批入選者。因此可以說，開設(shè)《費(fèi)曼物理學(xué)》是清華大學(xué)物理系通過學(xué)堂物理班的形式培養(yǎng)基礎(chǔ)物理研究拔尖人才的配套舉措之一。的確，與清華學(xué)堂物理班一同成長，《費(fèi)曼物理學(xué)》的教學(xué)堅持下來了，并且不斷完善，取得的成績也是可圈可點，這是肯定的。因此，趁此機(jī)會對《費(fèi)曼物理學(xué)》的教學(xué)做一下小結(jié)，是一件有益的事情。

事實上，在這方面阮東老師和王青老師已經(jīng)做了先行工作，那就是阮東老師的文章《費(fèi)恩曼物理學(xué)課程教學(xué)10年初探》[1]和王青老師的文章《小班教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂：〈費(fèi)曼物理學(xué)Ⅱ〉的10年教學(xué)實踐——紀(jì)念費(fèi)曼先生百年誕辰》[2]。在這兩篇文章中，他們已經(jīng)對開設(shè)《費(fèi)曼物理學(xué)》課的動機(jī)、目標(biāo)、意義，十年來該課程教學(xué)的發(fā)展和演變，取得的效果等等，做了很好的闡述。由于兩篇文章原文比較長，因此，這里就從兩文中摘錄有關(guān)的論述，再結(jié)合徐湛的體會，作為本小結(jié)的內(nèi)容(下文中不再一一標(biāo)注出處)。

1 《費(fèi)曼物理學(xué)》課的緣起

基于創(chuàng)辦基礎(chǔ)科學(xué)班的人才培養(yǎng)模式的成功經(jīng)驗，2005年清華大學(xué)將基礎(chǔ)科學(xué)班推廣為大類模式。秉承基礎(chǔ)科學(xué)班“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實踐”的辦學(xué)指導(dǎo)方針，時任物理系系主任、理學(xué)院院長朱邦芬院士提出構(gòu)建新型課程體系，注重課程內(nèi)涵建設(shè)，改進(jìn)教學(xué)方式，提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)理念，并提出了開設(shè)《費(fèi)曼物理學(xué)》課程的設(shè)想，這在國內(nèi)堪稱一項創(chuàng)舉。

《費(fèi)曼物理學(xué)》課選用三卷本的《費(fèi)曼物理學(xué)講義》 (The Feynman Lectures on Physics)作為教材。眾所周知，這個講義是物理學(xué)界公認(rèn)難度最大、水平最高的普通物理教材。費(fèi)恩曼本人也認(rèn)為它不適合大學(xué)新生，更適合有一定物理知識積累和經(jīng)驗的人，比如研究生和青年教師。當(dāng)初，清華物理系里也有一些老師并不認(rèn)同開設(shè)這門課程。但是為了解決拔尖人才培養(yǎng)中一些學(xué)生覺得原先的普通物理“吃不飽”的問題，尤其是清華大學(xué)物理系的新生中有一批在中學(xué)期間參加過全國中學(xué)生物理競賽、學(xué)習(xí)過普通物理的拔尖學(xué)生，是對物理學(xué)“有興趣、有基礎(chǔ)、有抱負(fù)”的青年學(xué)子，我們應(yīng)該充分利用這些可造之才，所以還是下決心做一次大膽的嘗試。

2 《費(fèi)曼物理學(xué)》課的教學(xué)形式

如何教好這門課并沒有前人的經(jīng)驗可循?！顿M(fèi)曼物理學(xué)講義》獨具特色的費(fèi)曼風(fēng)格是該課教學(xué)的最大難點。書的內(nèi)容選取和安排與傳統(tǒng)的教材大不相同，對不少概念和知識的講法獨樹一幟。如何把控好教學(xué)的各個環(huán)節(jié)是對任課老師的一個巨大挑戰(zhàn)。為此，物理系為這門課配備了富有教學(xué)和科研經(jīng)驗的教授。先后承擔(dān)過《費(fèi)曼物理學(xué)》授課任務(wù)的老師有：韋丹(領(lǐng)域為材料物理)、阮東 (領(lǐng)域為核物理和數(shù)學(xué)物理)、胡劍(領(lǐng)域為天體物理)、王青(領(lǐng)域為理論物理)、安宇 (領(lǐng)域為核物理和聲學(xué))、徐湛(領(lǐng)域為理論物理)、王向斌(領(lǐng)域為量子信息)、陳曦(領(lǐng)域為凝聚態(tài)物理)，通常是分別做三個學(xué)期的《費(fèi)曼物理學(xué)》講課的A、B角。

關(guān)于具體的教學(xué)方式，物理系教學(xué)委員會與任課老師在以下各點取得了共識：(1)采用小班授課，每屆選課人數(shù)控制在 30人左右，若報名人數(shù)太多，就通過考試篩選，以確保選課的學(xué)生有一定的普通物理基礎(chǔ)。另外，小班授課也適合進(jìn)行討論式教學(xué)。(2)開課初期應(yīng)保持“原汁原味”，讓學(xué)生切身體會到大師的思想和特色，以后任課老師可以根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。這就要求老師本人必須首先吃透《講義》，理解作者的核心思想及其實踐經(jīng)驗，貫穿于該課的教學(xué)之中。

3 《費(fèi)曼物理學(xué)》課的教學(xué)實踐

這門課設(shè)置為3個學(xué)期，課程名稱分別是《費(fèi)曼物理學(xué) (Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)》，對應(yīng)于《講義》的三卷，周學(xué)時數(shù) (即學(xué)分?jǐn)?shù))分別為 5、5、4。各學(xué)期的主要講授內(nèi)容是：(Ⅰ)力學(xué)、相對論、熱學(xué)、光學(xué)；(Ⅱ)電磁學(xué)；(Ⅲ)量子物理；但也有少量交叉。另外，這本《講義》的內(nèi)容通常多于國內(nèi)傳統(tǒng)教材，這就需要授課教師在保證原汁原味的基礎(chǔ)上，對書中內(nèi)容進(jìn)行取舍、調(diào)整和補(bǔ)充。在實際教學(xué)過程中，任課教師們始終堅持了費(fèi)曼的教學(xué)風(fēng)格和特點。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 強(qiáng)調(diào)物理概念、物理圖像和思維方法

大學(xué)新生學(xué)習(xí)物理大多停留在中學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣上，就是花在做題方面的精力比較多。而我們開設(shè)這門課的目的之一就是讓同學(xué)們在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)物理的過程中能夠了解、體會和掌握物理學(xué)大師的思維方式，認(rèn)識到物理圖像和直覺同樣是威力強(qiáng)大的。應(yīng)該說，對這一點怎么強(qiáng)調(diào)也不過分。為了體現(xiàn)這一點，《講義》的講法別具一格：費(fèi)曼非常善于在建立了一個簡單的物理模型以后，利用并不復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式很快地抓住問題的本質(zhì)，給人以恍然大悟之感。費(fèi)曼對物理的思維和方法是如此地駕輕就熟，非常自然地把它們?nèi)谶M(jìn)了物理知識的講授中。這種講法在《講義》中比比皆是，使人賞心悅目！由于這樣的例子非常多，在這里就不再一一列舉了。所以，我們講費(fèi)曼《講義》的時候要體現(xiàn)出這樣的特點：費(fèi)曼講授的內(nèi)容，并不僅僅是對物理的詮釋和研究，而且讓聽眾享受到了解物理的樂趣。興趣和求知是研究自然界的最大動力。我們的學(xué)生在中學(xué)學(xué)習(xí)期間所缺少的，正是物理思維的培養(yǎng)，如果在大學(xué)階段不能在這方面給予加強(qiáng)，他們就很容易降低乃至喪失對物理的興趣。所以，費(fèi)曼這樣的講法對于促使學(xué)生們以后堅持基礎(chǔ)物理的研究工作，或者把物理學(xué)應(yīng)用于其它領(lǐng)域，都是不可缺少的。

當(dāng)然，這種“物理圖像推動”的教學(xué)方法和學(xué)生們習(xí)慣了的“演繹推動”的教學(xué)方法是不同的，他們有時會覺得費(fèi)曼的推理不嚴(yán)格，結(jié)果太粗糙。這時老師就要給同學(xué)們解釋清楚：費(fèi)曼在《講義》里給出的物理模型和它的結(jié)果，其實都有嚴(yán)格的理論作為背后的支撐，有些結(jié)果確實是近似的，然而卻抓住了最主要的物理特征。毫無疑問，真實的物理世界是復(fù)雜的，但是把一個復(fù)雜的問題用簡明的語言講清楚，卻非得有扎實和深厚的功底才能做到。費(fèi)曼就是這樣的大師。費(fèi)曼給踏入物理學(xué)這個奇妙領(lǐng)域的年輕人留下了這本《講義》，應(yīng)該說是我們的幸運(yùn)。

這里還要說一下考試題的問題 (主要指《費(fèi)曼物理學(xué)(Ⅰ)、(Ⅲ)》，關(guān)于(Ⅱ)將在下面特別介紹)。為了保持與課堂教學(xué)風(fēng)格的一致，這門課的考試題經(jīng)常會用比較大的篇幅描寫一個實際的物理現(xiàn)象(有時是老師在課堂上沒有講過的現(xiàn)象)，然后再提出問題，而且分析、判斷、論述類型的題目與計算類型的題目之間比較平衡，用學(xué)生的話來說就是“美國風(fēng)格”的題。這對于學(xué)生把注意力首先放在物理上而不是計算上也是有益的。

2) 鼓勵和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動思考

要問大學(xué)的教學(xué)和中學(xué)的教學(xué)應(yīng)該在哪些方面有所區(qū)別，那么最大的區(qū)別就是大學(xué)的教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)，主動思考，而不是簡單的我“教”你“學(xué)”。正是基于這樣的考慮，王青老師在《費(fèi)曼物理學(xué)(Ⅱ)》的教學(xué)中大膽進(jìn)行了一項改革——翻轉(zhuǎn)課堂。應(yīng)該承認(rèn)：不同于《費(fèi)曼物理學(xué)講義》的Ⅰ卷和 Ⅲ卷，它的Ⅱ卷里沒有出現(xiàn)對傳統(tǒng)講法具有顛覆性的新講法。因此，盡管老師在課堂上一再強(qiáng)調(diào)：學(xué)生自己感覺的對經(jīng)典電磁學(xué)的了解其實離真實差得很遠(yuǎn)，這些言辭還是很難打動學(xué)生。所以，王青老師從最初的拿出部分內(nèi)容讓學(xué)生自己來講，直到最后對全部內(nèi)容都開展討論 (但是把錄制好的微課視頻在課前事先放到網(wǎng)上供學(xué)生預(yù)習(xí))，可以說做到了“徹底翻轉(zhuǎn)”。這包括以下幾個方面。一是學(xué)生由聽講變?yōu)橹髦v，但限制在 10分鐘之內(nèi)把原《講義》中一章的內(nèi)容介紹完，這給學(xué)生的壓力極大，他自己必須真把問題搞清楚并進(jìn)行提煉才能做到；二是學(xué)生在講完以后還主持對這一章內(nèi)容的討論，包括提出合適的討論問題，控制討論局面以保證討論有效地進(jìn)行，總結(jié)和整理討論的答案，等等；三是把原本要教師在課堂做的演示實驗改為學(xué)生在助教的帶領(lǐng)下預(yù)習(xí)，然后在課堂上進(jìn)行演示，同時向大家解釋實驗原理；四是讓學(xué)生參與整個教學(xué)過程的評價，包括對學(xué)生在參與討論、講課(或?qū)嶒炑菔?、主持討論中的表現(xiàn)都賦予了一定的分?jǐn)?shù)，而且讓全班學(xué)生參與評定。

對于這樣做的效果，王青老師也向?qū)W生們做了調(diào)研，提了 20個問題請同學(xué)們給出自己的看法。總的來說，同學(xué)們回答這個調(diào)查問卷的積極性還是很高的，對這個改革的反應(yīng)也都是非?？隙ǖ?，認(rèn)為在對物理深入理解、提高興趣、增強(qiáng)信心方面，對自己幫助很大，其中不乏“謝謝一個學(xué)期的物理盛宴”這樣的評語。當(dāng)然，這是一個新生事物，還存在不少難點和挑戰(zhàn)，但值得在不斷的探索中繼續(xù)前進(jìn)。

3) 處理好基礎(chǔ)與高級、歷史與當(dāng)代的關(guān)系

《講義》是費(fèi)曼于 1961年至 1963年期間在美國加州理工學(xué)院講課的實時記錄，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了 50多年，而在這半個多世紀(jì)的時間里，現(xiàn)代物理學(xué)又取得了長足的進(jìn)步，有許多新的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，新的概念被提出，新的理論被發(fā)展。如何在課程中融入現(xiàn)代和前沿的內(nèi)容? 這個問題對《講義》第Ⅲ卷 (量子物理)尤為突出。當(dāng)然，費(fèi)曼的主要著眼點是物理問題的基本概念和方法，是向聽眾展現(xiàn)基本物理定律在解決各種實際問題時的強(qiáng)大威力，但是也常常不失時機(jī)地介紹有關(guān)的現(xiàn)代發(fā)展。考慮到我們的授課對象是將來可能步入物理科學(xué)最前沿領(lǐng)域的年輕人，如何在保持與費(fèi)曼的講課風(fēng)格一致的前提下，向他們介紹當(dāng)代物理科學(xué)的最新成果和熱點問題，使他們能夠盡早地認(rèn)識到物理科學(xué)多姿多彩的各個側(cè)面和發(fā)展的誘人前景，樹立向現(xiàn)代物理學(xué)高峰攀登的志向，也是這門課的目標(biāo)之一。在這方面，任課老師們也是做了不少努力的，在講課中適當(dāng)插入了當(dāng)代物理學(xué)前沿的內(nèi)容，例如混沌和分叉、高能物理和粒子物理、廣義相對論和宇宙學(xué)、引力波、量子糾纏、量子信息等等，受到學(xué)生的歡迎。

4) 處理好繼承與創(chuàng)新的關(guān)系

費(fèi)曼在他的著名演講《科學(xué)的價值》 (The Value of Science)中說：在科學(xué)的眾多價值中，最大的價值就是懷疑的自由(Of all its many values, the greatest must be the freedom to doubt)。對于大學(xué)老師而言，其實可以無需避諱地告訴學(xué)生：我在課堂上給你們講的，盡管是基于許多前人已經(jīng)做過的研究，仍然不能稱為最后的真理，你們盡可懷疑。即使對于《費(fèi)曼物理學(xué)》這樣的經(jīng)典教材，這種態(tài)度一樣適用。擔(dān)心鼓勵學(xué)生懷疑會使他們迷失方向是不必要的。學(xué)生的某些懷疑促使他們更深入地追究目前的科學(xué)理論的背景或基礎(chǔ)，有時候會走到老師的講授走不到的地方。在這方面，幾位老師都有這樣的經(jīng)驗：學(xué)生提出了問題，老師覺得大方向不錯，鼓勵他繼續(xù)探索，最后的發(fā)現(xiàn)連老師都沒有料到。

總之，教學(xué)改革是一件關(guān)系到我國的青年一代如何成長的大事，需要與時俱進(jìn)。我們在《費(fèi)曼物理學(xué)》教學(xué)改革方面的嘗試，也還只是初步的，今后仍需繼續(xù)努力。