工科大学物理中的趣味教学

琚伟伟 苏向英 李同伟

摘要：作为工科院校中的重要基础课，大学物理的教学历来是学校比较重视的部分，但教学效果的不尽如人意又往往是教师比较头疼的地方。本文中，作者结合多年的大学物理教学经验和实践，运用具体的实例，提出了如何在大学物理中引入趣味教学。

关键词：大学物理教学；趣味教学；教学效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0190-02

大学物理是理工科院校的一门重要基础课，历来是学校教学比较重视的部分，但现实的情况是教学效果往往不尽如人意。学生抱怨枯燥，不想学，以致于上课没兴趣学，课下不会做作业，考试不及格，重修后有的学生还不及格。这样的结果对教师的教学积极性影响很大，让教师有一种出力不得好的感觉。如何改变这种现状呢？作者根据多年的大学物理教学经验，尝试着在教学过程中引入趣味教学，结合具体生活中的实例，让学生带着疑问去听课，听课的过程中通过讲解的内容来解释学生的好奇心理，逐渐把学生的学习兴趣提高上来，取得了不错的效果。下面就从典型的近代物理部分说明这种方法的具体操作。

一、从神话故事“天上一天、地上一年”引出相对论部分的教学

大学物理教学中，大家都听说过爱因斯坦的相对论，但相对论究竟是怎么一回事，学生是比较陌生的。并且这一部分内容学习起来，对于工科院校的学生又是比较难的。每每讲到这个地方，笔者都在想如何让学生带着兴趣学习这部分内容呢？这个时候就可以这样处理，大家从小就喜欢看《西游记》，《西游记》里有一种思想就是“天上一天、地上一年”，那么这种说法对吗？如果不对，为什么古人会产生这种思想呢？如果对，那科学依据在哪里呢？让学生带着这种疑问来学习，学习氛围一下子就活跃起来了。下面我们就从爱因斯坦狭义相对论的时空观来解决这个问题：

爱因斯坦在1905年提出了两个基本假设：相对性原理和光速不变原理。并且利用这两个基本假设推出了狭义相对论的时空观[1]。

1.同时的相对性。如图1，火车相对于地面的速度为u。取地面为k系，火车为k′系。在车厢中间放一闪光灯M。假设某一时刻闪光灯突然闪了一下，在火车看来，由于MA=MB，且光线左右传播的速度都是c，所以光线到达A和B是同时的，即在火车看来，光线到达A和到达B这两件事是同时发生的。若在A、B两处放上已校对好的钟，则闪光到达A、B兩处时两钟的读数一样。

同样两件事，在地面看来怎么样呢？在地面看来，光在传播时，车也要运动。在光由M到达A、B的过程中，A要迎着光走一段距离，B要背离光走一段距离。而相对地面光向左、右的速度应是相等的，因此，光必定先到达A，后到达B。即在地面看来，光线到达A和到达B这两件事是不同时发生的。同样两件事，在一个惯性系内同时发生，而在另一个惯性系内却不同时发生，这就是同时的相对性。

同样的两件事，相对于不同的惯性系，它们的时间间隔是不同的。这就是时间量度的相对性。

这两件事在k′系看来是发生在同一地点（M点）的。我们就把发生在同一地点的两件事的时间间隔叫作固有时间，显然相对于观察者静止的钟显示的时间就是固有时间。在k系看来，这两件事发生在不同的地点（M点和M′），相应的时间间隔叫非固有时间。固有时间是最短的。即地面上静止的人看到车上的钟变慢了。这个现象叫作钟慢效应。钟慢效应被普遍的作为科幻或神话小说的题材。如“天上一天，地下一年”等。

讲到这里，就可以告诉学生，如果一个物体的运动速度达到光速时，理论上是可能出现“天上一天、地上一年”的现象的，但实际上是实现不了的，牵涉的复杂因素我们在后续的课堂上会详细讲解。

二、从“哥本哈根之谜”引出量子力学部分的教学

大学物理的教学中，近代物理中的量子力学部分一直是学生比较难学的地方，很多学生的反映都是抽象，难理解，以至于课堂上很快就不想听了。对这部分笔者是这样做的，首先给学生介绍一部在世界范围内都著名的话剧“哥本哈根”。话剧“哥本哈根”里的人物有三位，分别是海森堡、玻尔以及玻尔的妻子。对于海森堡和玻尔要对学生有个简短的介绍：

海森堡：德国物理学家，量子力学的奠基人。1932年获诺贝尔物理学奖。海森堡在学术上的成就是1925年创立了矩阵力学，后来证明和薛定谔波动力学的本质是一致的。海森堡提出了不确定原理，揭示了微观世界混沌的本性。海森堡还完成了核反应堆理论，二战期间主持希特勒的原子弹计划，但他并不认同希特勒。他甚至想由各国科学家之间达成默契以制止原子弹的生产。所以二战之后，海森堡宣称自己是一位英雄，是自己凭科学界的良知抵制并挫败了希特勒的原子弹计划。但科学家对海森堡有两种意见，一种是他不想造原子弹；一种是他没有能力造原子弹。

玻尔：丹麦的物理学家，哥本哈根学派的创始人，1922年获诺贝尔物理学奖，提出了玻尔模型，成功解释了氢原子光谱；利用互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学。后来致力于原子核的研究，提出核裂变并释放巨大能量的“核反应模型”。二战爆发不久，加入美国的“曼哈顿计划”，与费米、奥本海默等科学家一起投入原子弹的研究，并成功研制成世界上第一颗原子弹。二战后极力反对发展核武器。玻尔与海森堡的关系既是师生，又情同父子，由于二战期间分别身处两大敌对阵营，于1941年的“哥本哈根会谈”之后友谊逐渐冷淡。

而话剧“哥本哈根”描述的是1941年海森堡和玻尔之间的谈话，当时海森堡乘火车去哥本哈根找到了玻尔。两人在晚餐后为了避开窃听，选择了在室外谈话，当然谈话的内容至今是个谜。海森堡到底向玻尔谈了什么，有没有向玻尔透漏德国的原子弹计划，有没有向玻尔透漏自己核裂变的进展，有没有向玻尔打听盟军原子弹计划的进展等等。当然，今天这些都无从得知，但不可否认的是“哥本哈根之谜”不仅是科学史，也是“二战”史上的一个谜团，至今仍令科学家们扑朔迷离。

课堂上介绍到这里，学生已经有了足够的好奇心，这个时候再给学生强调，如果想看懂话剧“哥本哈根”，如果想了解这段历史，你就必须要懂普朗克的能量子假说、爱因斯坦的光的波粒二象性、玻尔的定态假设、德布罗意的物质波、薛定鄂的波动力学、玻恩的波函数的统计假设、海森堡的矩阵力学、狄拉克的相对论量子力学、泡利的不相容原理等等[2]。你还要理解量子力学中的基本概念，比如薛定谔方程、算符、波函数、展开假定及全同性原理等等。而所有的这些将在我们随后的课堂中学到。只有懂了这些，将来有机会你看话剧“哥本哈根”的时候，你才会发现那是一种享受，而不是一种煎熬。

通过这样的办法，让学生对要学的内容感兴趣，让学生带着好奇心去学习，往往能够起到事半功倍的效果。

三、结语

工科大学物理的教学，历来是比较难的地方，通过在课堂教学中引入具体的典故、事例，往往可以激发学生的学习兴趣，让学生带着疑问、带着好奇心去学习，逐步把学生的学习兴趣提高上来，经常可以起到事半功倍的效果。

参考文献：

[1]张庆国，尤景汉，陈庆东，等.物理学教程.下册[M].北京：机械工业出版社，2013：191.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，2001：306.