对物理学和物理教学的几点认识（下）

杜祥琬

（中国工程院 北京 100088）

物理学既然如此重要，因此，搞好并提高物理教学是各级教育管理部门与学校的一项重要任务.下面谈谈对物理教学的四点认识.

2 对物理教学的四点认识

2.1 物理教学重在打好基础

（1）知识的基础.知识的基础首先是概念，要有清晰的物理概念.一个人做什么事情，如果概念清楚就能做好.概念模糊的人做不成好的事情.第二是对物理规律的理解.要把规律认识清楚，包括因果关系、逻辑关系.还有知识的系统性也很有意义.这是知识的基础.

（2）能力的培养.我想在物理教学里面对学生培养能力非常重要，有几个方面：一是数理方法的训练.学物理，要把数学物理方法训练好.比如解方程，你可以用数值模拟得到精确的解，也可以得到近似解，甚至于发展粗略的模拟，就是不用计算机算半天，而是抓住主要因素进行粗略的估计.模拟计算的能力在现在计算机发展很好的情况下，学生都应该具备.二是实验动手能力，要能够动手去做实验.三是阅读、分析、总结、写文章的能力.每一篇文章的Introduction里面往往要介绍已经有的工作，那就要善于阅读、分析总结，让学生学会写Introduction和后面的Conclusion，这都是他们非常重要的能力.

（3）思维能力.思维能力包括物理学和哲学两个方面的思维.比如说物理学中的举一反三的能力、联想的能力、逆向思维的能力.俄罗斯人提出了一个TRIZ理论，就是创新方法，逆向思维就是其中一个.还有批判精神，怀疑的思维，这样才有一些创新的想法.

（4）提出问题能力.我想特别要跟大家强调，就是提出问题的能力.学问学问，不仅要学，还要能够提出问题.我们参加学术会，发现外国人提问题很热烈、很积极.中国有些学校还好，但有些学生很羞于提问题，不大想当众提问.善于提问题是非常重要的.1948年，Mayer做了一个报告，是关于原子内电子的轨道.费米就想出一个问题来问他，说有没有什么现象显示出轨道和自旋有相互作用存在.他当时没有回答，是想到过这个问题.结果这一问就导致了Mayer接下来的研究，产生了另一个新的成果，并在1963年得到诺贝尔物理学奖.善于提出一个问题，能给出一个研究方向.

要培养学生的这几种能力，而不是死记一些知识.下面我给大家讲几个物理学家这方面的故事.

彭桓武先生是理论物理学家，我在他的手下工作若干年，对他非常尊重和敬佩.有一年我们搞状态方程，用的不完全是流体，也不完全是固体.朗道有九本一套的《理论物理学》，第九本就是《弹塑性》，当时是文化革命期间，彭先生就问我最近在干什么？我就说在啃《弹塑性》，他说我去给你们讲讲如何？当时既没有PPT，又没有投影，就一个黑板，不拿稿子，一板一板的拿着粉笔推弹塑性方程，给我印象非常深.写了擦掉，擦掉再写一板，就是基础的训练非常强.彭先生还有个粗估的能力，就是说一个物理问题，往往有好几个因素影响它，考虑太多你就解不出.你得把主要因素抓住.他说3∶1可以看作是无限大，那个1可以省掉，这个3你一定要抓住；就是把主要的抓住.所以这些提法，给我的印象非常深刻.

王淦昌先生在1964年，说激光有这么好的方向性，这么好的聚焦，用几束激光打核聚变的小球，用激光引发核聚变，就能产生能源呢！1964年他就提出这个思想，这个思想他先提出来，当然同一年前苏联的巴索夫等也提出类似的思想.王先生一生有很多成果，最欣赏的是这个.还有一个很有意思的也是个概念问题.当朝鲜战争爆发以后，志愿军有一次挨了美国的一颗很强烈的炸弹攻击，威力比一般的炸弹强得多.于是前线就传来一个信息，怀疑美国人用了原子弹.中央马上说要组织一个专家组到朝鲜去考察一下，是不是美国用了原子弹.王淦昌先生是实验物理学家，自己动手做了一个探测器，带了两个助手去了.他回来当然说不是原子弹.他后来开始搞原子弹研究.说真是没有概念，原子弹达到的温度是如此之高，根本不可能有碎片存在，都气化了.他说要有一点原子弹的概念，就用不着去朝鲜，可以告诉前线如果有弹片的话就不会是原子弹，就是这样的概念.

钱学森先生回国后，中央问他，先搞航空还是先搞航天？他毫不犹豫地说先搞航天.一般人都是认为航空低，好像航天高；航空容易，航天难.其实航空更难.航空要在空气、大气介质里面运行还不说，还要来回往返多次，还要十分的安全.而航天呢只要达到第一宇宙速度，就可围绕着地球转.搞卫星还是搞导弹？他说搞导弹.因为卫星要第一宇宙速度，搞导弹不要达到第一宇宙速度.后来搞卫星的时候又有一件事.在地面做卫星实验的时候，发现振动很厉害，向他汇报.大家说这个不能发射，钱学森坚定地说发射，没有问题，发射.因为上去以后，没有地球引力就没有这个振动了.就是这样一种概念的判断.

周光召先生，在我们搞原子弹的时候，苏联人提供了一个模型，其中有一个数据，有人怀疑数据的正确性.周光召先生的功底非常好，他用最大功原理做了一个粗估，给出了这个数据的数量级，一下就把这个争论解决了.

于敏先生对氢弹做出了重大贡献.我们跟他一起在上海当时用计算机算突破氢弹的过程当中，曾经出现一些不好解释的现象.当时还不像现在的计算机，都用打印纸带.大家看到，纸带一排一排的数据，就是温度、压力等，每一个物理量随着时间的变化，它应该是一个有规律的发展.于敏先生就看看哪一个物理量到什么地方有一些反常，这个数是怎么算出来的？然后就去追这个程序，软件的计算程序对不对？一看这个计算机程序编得没有错误.那么在计算机上如何实现这个程序呢？就是计算机那些加减法.计算机里面乘法和除法都是用加法和减法实现的.最后追到一个加法器，就是它坏了.能够从物理计算规律里面判断一个计算机细微的毛病，我觉得这些方面都是给人留下了非常深刻的印象.

我们在工作里面曾经用到玻尔兹曼粒子输运方程，经常用的是中子输运方程，这是一个线性方程对吧！因为中子在介质里面运动，原子核的密度是很高的，中子是很少的，线性方程没有问题.但是在计算聚变的时候发现，也是从纸带看出来，这个中子密度有些时候能高到可与原子核密度相比较.这种情况下就不能用线性方程描述.于是，我们提出了非线性中子输运方程概念.有了这个概念把它写出来，怎么去解这个方程，这又出来了一个新的解法.这是第一点，物理教学重在打好基础.

2.2 要培养学生创新素养

使学生理解物理学的意义、物理学的作用、物理学的趣味及物理学引人入胜的魅力，以培养创新的素质.认识物理学在历史上的作用到现实作用，以及对未来的作用，为十年、几十年之后培养人才，培养物理学家.让他们理解物理学不仅在历史上，而且在未来它的重要作用.物理学任重而道远.

物理学引人入胜之处，比如未知物理学.把一些不知道的物理学问题办一个讲座，讲一些物理学的未知.未知怎么能讲，就是提出问题来，物理学还有多少不认识的问题.这个论坛，可以叫未知物理学.能够把未知的问题提清楚就很不错了.这样使人类能够展开想象力的翅膀来欣赏大自然的美妙和神奇，来提供智慧和思辨的享受.

法国作家福楼拜说：“科学和艺术在山脚下分手，在山顶上汇合.”在山脚下什么意思？科学是研究自然的规律，而艺术是研究精神世界的一些享受的艺术性.在山顶上汇合，因为它们都是人类最高的创造，所以艺术和科学的联系也就在这个地方.其实很多文学家对于科学的发展一直非常关注.例如镭的放射性出来以后，1930年鲁迅先生就在文章中写道：“不可思议之原质，辉新世纪的曙光，破旧学者的迷梦”，对这个科学发展非常敏感.

爱因斯坦对玻尔提出的原子模型，说这是思想领域中最高的音乐神韵.马克吐温，对于发现太阳系的结构以后说：“科学真是迷人”.物理学家维尔曾经说过，“我的工作就是尽力把真和美统一起来”.要让学生产生理解物理学的兴趣.

2.3 教书首先要育人

（1）品格成就人才.爱因斯坦曾经说过：“大部分人都以为是才智成就了科学家.他们错了，是品格.”这是爱因斯坦的感受.首先一个科学家、物理学家的品格，就是奉献精神.要有为科学、为国家、为人类奉献这种精神.这里面有很多科学家的故事可说.

为了研究火山的规律，一个人忘我、不怕牺牲地去靠近火山，甚至被火山给烧伤.为了研究台风的规律，去追台风，这是很危险的，因为台风不稳定.郭永怀和钱学森是一起回国的两位大家.钱学森是搞航天的，郭永怀是搞核武器的，核武器早期的力学规律是他负责的.1968年郭先生从基地飞回北京，在西郊机场降落时，因飞机失事，全机人员遇难了.处理现场时发现郭永怀先生和他的警卫员两人的尸体都被烧焦，但两个人紧紧抱在一起，两人腹部中间夹的公文包里面保密资料完好无损.这就是一个科学家，他最后离开世界的时候是这样做的.这是一种精神.

王淦昌是世界知名的科学家.国家要他去搞原子弹，他就说了一句话“我愿以身许国”.王淦昌从此就埋名搞了17年的核武器，有奉献精神这是一个很基本的品格.所以这些人能成就大事业.

（2）唯真求实.物理学本身是个求实求是的科学，得有负责的精神.王淦昌在发现反西格玛负超子的同时，他们在探测当中发现了另外一个径迹，是人们不大了解的一个，好像是一个新的粒子.当时苏联有的科学家就急于说，我们又发现一个新粒子，想给它起名叫第一粒子.王淦昌说我们没有认识这是个什么东西，还不能急着做这个结论.当时周光召和丁大钊他们都在，经过一段分析，发现这是一个K0介子的电荷交换反应的径迹.好了，这就解释清楚了.王淦昌说谢天谢地，我没有吹牛，我没有急着宣布这个第一粒子.他这是严谨性，不急功近利.

（3）倡导非功利的追求.要鼓励学生以什么作为自己人生动力呢？我想物理学家应该是双轮驱动.一个轮子是对科学的爱好、兴趣、好奇心.另外一个轮子就是社会的需求.爱因斯坦是这样，居里夫人他们都是这样的.

要让学生懂得传承是一种价值观.我有一次跟学生讲老一辈物理学家不仅创造了历史业绩，也创造了崇高的价值观.有个学生给我提的问题对我很有启发，他说：“讲这个崇高的价值离我们太远了.因为我们这些人很普通，离崇高太远了.”所以我想就跟他们讲四个字“品行端正”，离我们比较贴近；从小养成品行端正应该是不难的，然后再从这个地方上去，提倡可能的崇高.

物理学发展，不仅需要物质基础，需要经费、仪器，也需要有灵魂.我国的科技发展，科学的繁荣，需要灵魂的支撑.价值观是一个人生的基础课，让学生从物理学的历史、物理学家的历史，物理的发展来领略一种物理的价值观.把这个价值观打好是人生的基础课，也是科技工作者的一个基础课.上面讲的这些故事，是20世纪50年代、60年代的，而现在21世纪价值观多元化了.但是，我说：“不管在任何时代、任何国家，总会有不同的人来选择不同的价值观.”这句话对不对？大家说对.永远都是这样的.很多人浮躁也好、急功近利也好、造假也好，但是总会有一些人踏踏实实做事.要不然怎么会出现实际的科研成果呢？所以我想要让学生们懂得中国需要有一批人潜心研究，这样才有可能谈得上创新型国家，才有可能有自己的核心竞争力，中国才有希望.

2.4 对物理学教师素质的要求

我体会有这样几点要求：第一是科学的素质、科学的水平，物理学要有深广的基础；第二，物理学教师要有哲学的素养，要有一点人文的素养，要懂哲学、要懂历史.要理解物理学的价值和它的思想方法以及它的人文精神.这几点都是很重要的.

再一个是教学的能力，要培养学生的几种能力，首先教师要有这几种能力.再就是，教师要有研究教学的能力.教学也有很多技巧，要有研究的能力和实践的能力.

最后，教师毕竟是灵魂的工程师.物理学教师要深刻理解物理学的社会责任和历史使命.中国要出一批原创性的成果，中国要变成创新型的国家.完成这个历史使命，使国家、社会可持续发展.中国现在的发展道路，是13亿人口的事.我们走不通美国那个模式，它的人均能源消耗使我们无法承受.任何国家都创造不了中国可持续发展的经验；中国要创新自己的发展道路.为此，物理学的社会责任和历史使命都是非常重大的.让我们一起来续写更丰满、更厚重、更生动的物理学的历史篇章，让我们为历史性的发展和创造社会美好的未来，培养高素质的人才共同努力.