張映輝

(大連海事大學(xué)理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

1 何處是學(xué)生難過的“坎兒”？

物理科學(xué)是自然科學(xué)之母，是現(xiàn)代技術(shù)的先驅(qū)。在其發(fā)展過程中，作出杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家們無(wú)疑都是這個(gè)星球上最聰明、最勤奮、最富靈感的人。而在當(dāng)今的大學(xué)(甚至中學(xué))里，物理學(xué)又是一門理工科必備的基礎(chǔ)課程。物理教師的任務(wù)，就是讓眾多年輕學(xué)生的大腦(心靈)與學(xué)界大師聯(lián)接起來，帶領(lǐng)他們與幾百年來的科學(xué)巨擎學(xué)習(xí)交流，建立物理概念，理解物理定律、原理、公式與算法，領(lǐng)悟物理思想，掌握物理方法。

物理難學(xué)、難教。從客觀上講，不僅在于其研究對(duì)象(領(lǐng)域)的廣泛性(微觀、宏觀、宇觀)、復(fù)雜性(機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、電與磁、核的裂變與聚變、宇宙形成與運(yùn)動(dòng))，研究?jī)?nèi)容的深入性(狀態(tài)與過程、定性與定量，定律及原理)，更在于其研究方法(觀察與歸納、類比與假說、分析與統(tǒng)計(jì))、表述方式(語(yǔ)言、代數(shù)、微分、算符)，以及其中所必須建立的物理概念(定義、物理量、專用符號(hào))的多樣性。

事情越艱難，思路和方法就越顯重要。通過對(duì)教材(內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及其所涉及的科學(xué)方法)和一般的教學(xué)過程進(jìn)行深入分析，筆者發(fā)現(xiàn)，教學(xué)(教材)中所采用表述(描述)方法的差異(包括研究方法的轉(zhuǎn)換和時(shí)空觀的改變等，下同)往往是某些學(xué)生不適應(yīng)、掉隊(duì)的重要原因。這些差異，有的是物理學(xué)不同分支、不同淵源所“先天固有”的，有的則是編寫教材和教學(xué)層次設(shè)計(jì)者人為的(如力學(xué)的3個(gè)層次：中學(xué)力學(xué)，普物力學(xué)和理論力學(xué))。

所謂的銜接(比如最近經(jīng)常講的大中銜接)，絕不僅僅是淺與深、易與難的問題，而是要從分析教材與學(xué)生原有知識(shí)入手，從不同教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)階段在研究問題、解決問題的角度、思路與方法的差異上找原因，解扣子，幫助學(xué)生適應(yīng)表述方式的“切換”、研究方法的“轉(zhuǎn)換”，特別是時(shí)空觀的“變換”，弄懂物理原理，掌握科學(xué)規(guī)律，領(lǐng)會(huì)物理方法及其意義，順利過“坎兒”。

2 較為典型的方法“切換”與教學(xué)策略

2.1 “寫意”與“工筆”——大學(xué)物理與中學(xué)物理如何銜接

從中學(xué)物理到大學(xué)物理(以力學(xué)為例)，有沒有銜接問題，當(dāng)然有。是不是難易問題，當(dāng)然是。但是，易在哪兒，難在哪兒，又怎樣實(shí)現(xiàn)銜接呢？

筆者認(rèn)為，主要是由于教學(xué)目標(biāo)不同而在教材結(jié)構(gòu)上選擇了不同的描述(敘事)方式。中等教育更多的帶有普及科學(xué)知識(shí)和“通識(shí)教育”的成份。而大學(xué)物理課的教學(xué)目標(biāo)[1]是培養(yǎng)研究人員、教學(xué)人員和工程技術(shù)人員。所以，中學(xué)物理的描述是理想的、粗放的、籠統(tǒng)的，更像中國(guó)的寫意畫，只需傳遞一種觀念(如能量守恒)，神似即可，提出的問題和解決問題的方法都是越簡(jiǎn)略越好。而大學(xué)物理(以力學(xué)為例)，則直接引入了微積分的方法來描述運(yùn)動(dòng)過程，這種描述無(wú)疑更接近于工程(自然)實(shí)際，更為精確，好像工筆畫。但是，由于教材中的多數(shù)習(xí)題是理想(狀態(tài))的，往往有些“好學(xué)生”運(yùn)用中學(xué)的方法就能解開習(xí)題，得出同樣的答案。這就使得他們忽略了大學(xué)普通物理階段的某些必備訓(xùn)練。等到進(jìn)入更高階段(如理論力學(xué))必須用微積分時(shí)，那部分從前的“好學(xué)生”基礎(chǔ)反而不夠用了。當(dāng)時(shí)(大學(xué)物理)的簡(jiǎn)單通過，變成了真正沒有過去的“坎兒”。

所以，教師在教學(xué)中，必須對(duì)這種“寫意”與“工筆”的切換了然于心，引導(dǎo)(甚至逼迫)學(xué)生放棄早在中學(xué)時(shí)就已“爛熟”的方法，學(xué)會(huì)運(yùn)用更為精確的微積分思維和方法。

2.2 “唯象”與“解析”——應(yīng)著力傳授熱學(xué)研究的兩種方法

與其他分支學(xué)科比較，熱學(xué)的內(nèi)容并不深?yuàn)W，熱力學(xué)定律簡(jiǎn)單明了，結(jié)論清晰，接近常識(shí)，大多容易理解和記憶，并且沒有更多復(fù)雜的公式和運(yùn)算。但是，學(xué)生卻普遍感到內(nèi)容零碎，沒有系統(tǒng)性，不像一門完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，學(xué)完了感覺印象不深，進(jìn)步不大，抓不住重點(diǎn)。許多青年教師也覺得知識(shí)點(diǎn)散亂，(研究)方法跳來跳去，找不到層層深入、一貫到底的感覺。

其實(shí)，熱學(xué)不僅其規(guī)律應(yīng)用廣泛，貼近生活，而且，就是知識(shí)體系本身來講，更具啟發(fā)和借鑒意義。因?yàn)樗謩e從宏觀和微觀兩個(gè)角度研究物質(zhì)的熱現(xiàn)象，為我們展現(xiàn)了兩種研究、探索和認(rèn)識(shí)世界的科學(xué)方法——“唯象”與“解析”。所謂“唯象”是指：從宏觀實(shí)驗(yàn)得出熱力學(xué)第一定律、第二定律。所謂“解析”是指通過微觀模型加統(tǒng)計(jì)分析得出熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量——壓強(qiáng)公式、溫度公式以及能量按自由度均分原理。

不可否認(rèn)，多數(shù)教師都能夠在教學(xué)中對(duì)這兩種方法進(jìn)行比較，耐心細(xì)致地?cái)⑹龊椭v解。但一些學(xué)生為什么還是感覺熱學(xué)知識(shí)比較散、不系統(tǒng)呢？

筆者認(rèn)為，學(xué)生感到知識(shí)點(diǎn)散、亂、不系統(tǒng)、進(jìn)步不明顯的原因就在于部分教師對(duì)于傳授知識(shí)與教授方法的主次關(guān)系認(rèn)識(shí)不到位，只是按部就班、照本宣科地介紹知識(shí)的內(nèi)容，缺乏對(duì)兩種方法、兩套體系本質(zhì)特征的深入認(rèn)識(shí)和分析。

筆者建議，在熱學(xué)的教學(xué)中，要把“唯象”的宏觀實(shí)驗(yàn)歸納與微觀模型統(tǒng)計(jì)“解析”兩種“科學(xué)方法”作為教學(xué)的重點(diǎn)。也就是說，適當(dāng)改變熱力學(xué)定律證明(發(fā)現(xiàn)、演繹)過程與結(jié)論(熱力學(xué)定律)內(nèi)容在教學(xué)中的主次關(guān)系，變一般的重結(jié)論輕過程為更加注重過程，即更加注重?zé)崃W(xué)研究方法的傳授。通過這樣的教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)到的就不只是幾個(gè)干巴巴的定律和原理，而是兩套較為完整的科學(xué)研究的思路和方法。方法既知，原理內(nèi)涵及運(yùn)用自然不成問題。

2.3 “絕對(duì)”與“相對(duì)”——從經(jīng)典時(shí)空向相對(duì)論時(shí)空的超越與突破

俗話說，“歲月如流”。在常人的觀念中，時(shí)間是均勻前行，不受空間、物件影響的。牛頓將這種觀念上升為理性認(rèn)識(shí)，提出了絕對(duì)時(shí)空觀，并在此基礎(chǔ)上建立了經(jīng)典物理學(xué)大廈。

牛頓絕對(duì)時(shí)空觀[2]包含“絕對(duì)空間”和“絕對(duì)時(shí)間”兩方面內(nèi)容：“絕對(duì)的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無(wú)關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的”?！敖^對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流逝著，也可以把它稱為‘連續(xù)性’”。

愛因斯坦鑒于伽利略變換的不變性在電磁學(xué)領(lǐng)域失效，以及實(shí)驗(yàn)證明“以太”不存在等事實(shí)，對(duì)物理定律(原理、公式)的普適性及其理論基礎(chǔ)(時(shí)空觀)進(jìn)行了縝密思考和系統(tǒng)審視，提出拋棄絕對(duì)時(shí)空假設(shè)，將物理學(xué)建立在兩個(gè)新的假設(shè)之上：一是“對(duì)力學(xué)方程能夠成立的所有參考系，同樣的電動(dòng)力學(xué)和光學(xué)的定律也成立”；[3]二是“在所有慣性系中，真空中的光速具有相同的量值c”[4]，從而建立了新的時(shí)空觀——相對(duì)論時(shí)空觀。

目前，狹義相對(duì)論基礎(chǔ)教材的結(jié)構(gòu)大體相同，一般都包括以下內(nèi)容：牛頓相對(duì)性原理和伽利略變換，愛因斯坦相對(duì)性原理和光速不變，同時(shí)性的相對(duì)性和時(shí)間延緩，長(zhǎng)度收縮，洛倫茲坐標(biāo)變換，相對(duì)論速度變換，相對(duì)論質(zhì)量、相對(duì)論動(dòng)能、相對(duì)論能量，動(dòng)量和能量的關(guān)系等。但是，多數(shù)教材和教師的教學(xué)對(duì)時(shí)空觀的重要性和兩種時(shí)空觀的區(qū)別一帶而過，沒有將其作為重點(diǎn)闡述清楚，導(dǎo)致很多學(xué)生只是機(jī)械地記住了相對(duì)論的一些物理結(jié)論(如：時(shí)間延緩、長(zhǎng)度收縮等)，而對(duì)相對(duì)論時(shí)空觀的具體內(nèi)容、相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典時(shí)空觀的本質(zhì)區(qū)別、提出相對(duì)論時(shí)空觀的思想方法，以及愛因斯坦對(duì)物理規(guī)律普適性的重大貢獻(xiàn)等并沒有真正搞清楚、弄明白。

筆者認(rèn)為，時(shí)空觀是現(xiàn)代物理與經(jīng)典物理的分水嶺，在研究問題的思想方法，知識(shí)架構(gòu)以及物理規(guī)律的統(tǒng)一性、適用的廣泛性等方面都有本質(zhì)上的區(qū)別，必須把兩種時(shí)空觀的區(qū)別作為教學(xué)的重點(diǎn)，向?qū)W生交代清楚。即必須著力加強(qiáng)4個(gè)方面講解：

(1) 要講清愛因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論的背景。

(2) 要講清相對(duì)論的兩條基本假設(shè)，尤其要反復(fù)強(qiáng)調(diào)光速不變是假設(shè)，是相對(duì)論的基礎(chǔ)(前提)，而不是結(jié)論。不是推導(dǎo)出來的，而是愛因斯坦為了使物理定律適用于所有慣性系(如：電動(dòng)力學(xué)和光學(xué)定律適用于“任何力學(xué)方程能夠成立的參考系”)，結(jié)合某些實(shí)驗(yàn)(邁克耳孫—莫雷)結(jié)果思辨(創(chuàng)造)出來的。

(3) 要講清同時(shí)性的相對(duì)性。這是理解相對(duì)論的最大難點(diǎn)，也是超越絕對(duì)時(shí)空觀，建立相對(duì)論時(shí)空觀的關(guān)鍵所在。

(4) 要講清用洛倫茲變換取代伽利略變換的原因及結(jié)果。因?yàn)椴蝗〈だ宰儞Q，就無(wú)法跳出絕對(duì)時(shí)空觀的藩籬；不運(yùn)用洛倫茲變換就領(lǐng)略不到相對(duì)論時(shí)空觀的真諦。

3 傳授知識(shí)的“理”在于架通教材與學(xué)生的“橋”

教材是科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法的說明書和聯(lián)絡(luò)圖，系統(tǒng)性和簡(jiǎn)約性通常是必要的。教師的任務(wù)不是讀說明書，也不是復(fù)述聯(lián)絡(luò)圖。根據(jù)學(xué)科體系的固有結(jié)構(gòu)，結(jié)合學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)和思維特點(diǎn)，找到學(xué)習(xí)者難以跨越的“坎兒”，進(jìn)而確定教學(xué)的重點(diǎn)和策略，為他們提供讀懂說明書、解開聯(lián)絡(luò)圖的密碼和鑰匙，是教學(xué)的真正意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過力學(xué)、熱學(xué)、相對(duì)論時(shí)空觀等幾部分課程教學(xué)方法的探索，提出一些引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)表述方式“切換”、科學(xué)方法“變換”，以及幫助學(xué)生確立愛因斯坦時(shí)空觀等方面的教學(xué)要點(diǎn)和意見，希望得到拋磚引玉的反響和回報(bào)。