物理课的目的和任务是什么?特别是非物理专业的学生为什么要学物理?在我国现行的教育体制中占支配地位的看法是,为专业课服务。于是,专业课需要的内容就讲,不需要的内容就不讲或少讲。专业课排下来剩的时间多就多讲,剩的少就少讲。著名理论物理学家、诺贝尔奖金获得者理查得·费曼说:“科学是一种方法,它教导人们:一些事物是怎样被了解的,什么事情是已知的,现在了解到什么程度(因为没有事情是绝对已知的),如何对待疑问和不确定性,证据服从什么法则,如何去思考事物,做出判断,如何区别真伪和表面现象。”所以,大学里的物理课绝不仅仅是物理知识的教育,更不是主要为专业课服务的。我们认为,物理学是整个自然科学的基础。对于任何专业,大学基础物理课的目的,都是使学生对物理学的内容和方法,工作语言、概念和物理图象,其历史、现状和前沿等方面,从整体上有个全面的了解。这是一门培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。下面分几个方面对此作些分析。
1 什么是物理学?
古希腊人把所有对自然界的观察和思考,笼统地包含在一门学问里,那就是自然哲学。科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等,只是最近几百年的事。在牛顿的时代里,科学和哲学还没有完全分家。牛顿划时代的著作名为《自然哲学的数学原理》,就是一个明证。物理学最直接地关心自然界最基本规律,所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学。
17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上,建立了完整的经典力学理论,这是现代意义下的物理学的开端。从18世纪到19世纪,在大量实验的基础上,卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论;克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论;库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论。至此,经典物理学理论体系的大厦巍然耸立。然而,正当大功甫成之际,一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现,人们发现大厦的基础动摇了。在这些新实验事实的基础上,20世纪初,爱因斯坦独自创立了相对论,先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下,创立了量子论和量子力学,奠定了近代物理学的理论基础。本世纪随着科学的发展,从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支,以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的,诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科。
什么是物理学?试用一句话来概括,可以说:物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵,不过有一点是肯定的,即与其它科学相比,物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求。
物理学和天文学由来已久的血缘关系,是有目共睹的。当今物理学的研究领域里有两个尖端,一个是高能或粒子物理,另一个是天体物理。前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构,后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源。可是近几十年的进展表明,这两个极端竟奇妙地衔接在一起,成为一对密不可分的姊妹学科。物理学和化学从来就是并肩前进的。如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合,则量子化学已深人到化学现象的微观机理。物理学和生物学的关系怎么样?对于如何解释生命现象的问题,历史有过两种极端相反的看法:一是“生机沦(vitalism)”,认为生命现象是由某种“活力”主宰着,永远不能在物理和化学的基础上得到解释;另一是“还原论(reductionism)”,认为一切生命现象都可归结(或者说,还原)为物理和化学过程。1824年沃勒(F. Wohler)成功地在实验室内用无机物合成了尿素之后,生机论动摇了。但是,能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢?回答这个问题为时尚早。不过,生命科学有自己独特的思维方式和研究手段,积累了大量知识,确立了许多定律,说把生物学“还原”为物理学和化学,是没有意义的。可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律,这些规律对有机界和无机界同样适用。物理学构成所有自然科学的理论基础,其中包括生物学在内。物理学和生物学相互渗透,前途是不可估量的。.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就,如DNA双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等,充分证明了这一点。现在人们常说,21世纪是生命科学的世纪,这话有一定道理。不过,生命科学的长足发展,必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的。
2 物理学与技术
社会上习惯于把科学和技术联在一起,统称“科技”,实际上二者既有密切联系,又有重要区别。科学解决理论问题,技术解决实际问题。科学要解决的问题,是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系,并建立理论把这些事实和关系联系起来;技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去。科学主要是和未知的领域打交道,其进展,尤其是重大的突破,是难以预料的;技术是在相对成熟的领域内工作,可以作比较准确的规划。
历史上,物理学和技术的关系有两种模式。回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命,热机的发明和使用提供了第一种模式。17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵;18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等,完善了蒸汽机,使之真正成为动力。其后,蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车;那时的热机效率只有5~8%。1824年工程师卡诺提出他的著名定理,为提高热机效率提供了理论依据。到20世纪蒸汽机效率达到15%,内燃机效率达到40%,燃气涡轮机效率达到50%。19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律,物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律。这种模式是技术向物理提出了问题,促使物理发展了理论,反过来提高了技术,即技术→物理→技术。电气化的进程提供了第二种模式。从1785年建立库仑定律,中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力,直到1831年法拉第发现电磁感应定律,基本上是物理上的探索,没有应用的研究。此后半个多世纪,各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生,蓬勃地发展起来。有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验,才导致了马可尼和波波夫无线电的发明。当然,电气化反过来大大促进了物理学的发展。这种模式是物理→技术→物理。
本世纪以来,在物理和技术的关系中,上述两种模式并存,相互交叉。但几乎所有重大的新技术领域(如电子学、原子能、激光和信息技术)的创立,事前都在物理学中经过了长期的酝酿,在理论和实验上积累了大量知识,才突然迸发出来的。没有1909年卢瑟福的α粒子散射实验,就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论,才可能有1960年第一台激光器的诞生。当今对科学、技术,乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术,莫过于电子计算机,由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命。整个信息技术的发生、发展,其硬件部分都是以物理学的成果为基础的。大学都知道,1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管,标志着信息时代的开始,1962年发明了集成电路。70年代后期出现了大规模集成电路。殊不知,在此之前至少还有20年的“史前期”,在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验上的准备:1925~1926年建立了量子力学;1926年建立了费米-狄拉克统计法,得知固体中电子服从泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理论,得知在理想晶格中电子不发生散射;1928年索末菲提出能带的猜想;1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念,解释了正霍耳系数的存在;同年贝特提出了费米面的概念,直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面,尔后剑桥学派编制了费米面一览表。总之,当前的第二次工业革命主要是按物理→技术→物理的模式进行的。
3 物理学的方法和科学态度
现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学。物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法,其要点可概括为:
1) 提出命题
命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的,也可能是从已有原理中推演出来的。
2) 推测答案
答案可以有不同的层次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推测对现象作定性的解释;根据现有理论进行逻辑推理和数学演算,以便对现象作出定量的解释;当新事实与旧理论不符时,提出新的假说和原理去说明它,等等。
3) 理论预言
作为一个科学的论断,新的理论必须提出能够为实验所证伪(falsify)的预言。这是真、伪科学的分野。为什么说“证伪”而不说“证实”?因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例,但一个反例就足以否定它,所以理论是不能完全被证实的。为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵。你怎么驳倒他?对这种论断,你既不能说它正确,又不能说它错误。我们只能说,因为它不能用实验来证伪,所以不是科学的论断。
4) 实验检验
物理学是实验的科学,一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则。理论不是唯一的,一个理论包含的假设愈少、愈简洁,同时与之符合的事实愈多、愈普遍,它就愈是一个好的理论。
5) 修改理论
当一个理论与新的实验事实不符合,或不完全符合时,它就面临着修改或被推翻。不过,那些经过大量事实检验的理论是不大会被推翻的,只是部分地被修改,或确定其成立范围。
以上步骤循环往复,构成物理学发展模式化的进程。但是物理学中的许多重大突破和发现,并不都是按照这个模式进行的,预感、直觉和顿悟往往起很大作用。此外,且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合,也导致了不少的发现。顿悟是经验和思考的升华,而机遇偏爱有心人,平时思想上有准备,就比较容易抓住稍纵即逝的机遇。所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸。
科学实验的结果,远非尽如人愿。不管你喜欢不喜欢,实事求是的作风、老老实实的科学态度是绝对必要的。在科学研究中,一相情愿的如意算盘是行不通的,弄虚作假迟早会暴露。失误任何人都难以避免,一旦发现,最聪明的办法是勇于承认。1922年年轻的苏联数学家弗里德曼发表了动态宇宙模型的论文,遭到爱因斯坦的批评。次年,爱因斯坦在读了弗里德曼诚恳的申辩信之后,公开声明自己被说服了。据伽莫夫回忆,爱因斯坦说,这是他一生中最大的疏忽。伟大科学家这种坦荡的襟怀,是所有人的楷模。
基础科学研究的信息资源是共享的,这里没有秘不可及的玄机和诀要。根据公开发表的文献,人人可以自己判断,独立思考。所以,在科学的王国里,真理面前人人平等。这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从。“实践是检验真理的唯一标准”这一信条,在自然科学的领域里贯彻得最坚决。实践不是个别的实验结果,因为那会有假象,重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认。
自然科学的主要任务是探索未知的领域,很多事情是难以预料的。实验的结果验证了理论,固然可喜;与理论不符合可能预示着重大的突破,更加令人兴奋,世界上建造了许多加速器,每个加速器都是针对某类现象而设计的。40多年的历史表明,除了反核子和中间玻色子外,粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由。高能物理学界把这看作正常现象。1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后,曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果。人们反而说:现在最令人惊讶的,是没有出现令人惊讶的事。这便是物理学界极富进取精神的得失观。
因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律,物理学家对事物是最好穷本极源的。他们在研究的过程中不断地思考着,凡事总喜欢问个“为什么”。理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演,应该询问其物理实质,从中构想出鲜明的物理图象来;实验物理学家不应满足于现象和数据的记录,或某种先进的指标,而要追究其中的物理机理。
因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律,物理学家不应总把自己的目光和兴趣局限于狭窄的本门学科,而要放眼于更广阔的天地。人们公认,当今最有生命力的是不同学科间杂交的领域,有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的。
4 怎样教导学生学好物理学?
著名理论物理学家和物理教育家韦斯科夫(V. F. Weisskopf)说:“科学不是死记硬背的知识、公式、名词。科学是好奇,是不断发现事物和不断询问‘为什么,为什么它是这样的?’科学的目的是发问,问如何和问为什么。它主要是询问的过程,而不是知识的获得(很可惜多数人认为是后者,而且是这样教的)。”国际物理教育委员会上两届主席焦塞姆(L. E. Jossem)说:“最好的老师,是让学生知道他们自已是自己最好的老师。”
教好物理学,关键是教思路,教方法,启发学生勤于思考,悟物穷理,自觉地努力锻炼自己自学的能力。
鼓励勤于思考,就要让学生对新的概念、定义、公式中的符号和公式本身的含义,用自己的语言陈述出来。对于定理的证明、公式的推导,最好在了解了基本思路之后,让学生自己背着书本演算出来。这样学生才能对它们成立的条件、关键的步骤、推演的技巧等有深刻的理解。
倡导悟物穷理,就要启发学生多向自己提问:哪些是事实?哪些是推论?推论是怎样得来的?我为什么相信它?……问题可以正面提,也可以反向提。过去我们在教学中经常有个口号,即“培养学生分析问题、解析问题的能力”,这固然是很重要的,但少了更重要的一条,即“提出问题的能力”。伟大的科学家之所以伟大,往往就在这一条上。有一次记者问玻尔:“您可是那位知道科学中大部分问题答案的人?”玻尔回答说:“啊,不,不过也许我比别人多知道一点问题。”
勤于思考,悟物穷理,就要让学生建立自己的物理图象。我们反对“题海战术”,反对针对某类考试或题库的应试教育。但是做题毕竟是学生学习过程中比较主动的环节,学习物理,不做习题是不行的。但做习题不在于多,而在于精。教师要引导学生,习题做完了不要对一下答案或交给老师批改就了事。自己从物理上应该想一想,答案的数量级是否对头?所反映的物理过程是否合理?能否从别的角度判断自己的答案是否正确?要求学生力争能够作到,习题要么做不出来,做出来就有充分的理由相信它是对的,即使它和书上给的答案不一样。老师要鼓励学生在未被说服之前敢于和自己争辩,直到学生真正明白错误之所在。万一最后证明是老师自己错了(这是教学过程中常有的事,至少我个人如此),不仅要坦率承认,而且应对该生加以赞扬。好的老师最欣赏的是能指出自己错误的学生。
我讲了这么多,也许说得比较空洞,该结束了。下面请几位老师结合自己的教学实践介绍他们的体会和宝贵经验。
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