人文物理教学与卓越型人才培养探索

于肇贤 刘凤敏 胡纪平

摘要：本文介绍了在大学物理中渗入人文物理教学的一些探讨，论述了人文大学物理教学在培养卓越型人才方面的重要意义。

关键词：人文物理；卓越型人才；学生

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）08-0034-03

一、引言

21世纪的今天，“人文教育”已成为教育界关注和讨论的焦点。目前国内不少高校为文科大学生开设了人文物理。众所周知，大学物理是大学教育中唯一一门科学课程。人文物理涉及原理、公式和推导不多，更多的是要传播物理思想和物理文化。对理工科学生而言，在大学物理教学中渗入一些人文物理的内容，对培养卓越型人才有着积极的意义，这一点已经在国内物理教育界形成了共识。教学离不开艺术，只有讲究艺术的教学，才能取得最佳的教学效果。在大学物理教学中探索人文物理教学的艺术是至关重要的。

二、人文物理的教学艺术探讨

（一）挖掘物理学科中的科学美

自然界存在着规律，如何借助科学研究去发现这些规律，需要一些行之有效的方法。这些方法包括把大量看似没有联系、孤立、零乱的观察资料和实验事实，运用逻辑思维和艺术思维规律进行加工组合，使之成为彼此有機联系的和谐整体，这就是物理学理论产生的原始根源。物理学理论反映了自然界物质运动图景，描述了自然界客观属性和物质运动规律的本质。这些来自大自然的客观物质及其运动规律，本身就包含着美的因素，也遵从美学的基本原则。

1.和谐之美。“祸兮福之所倚，福兮祸之所伏”。中国古代道家的思维传统，不追求绝对的一致，讲究的是事物之间具有的统一性和关联性，能够在事物的两极保持一种协调或互补的关系。

1950年，著名物理学家Frohlich指出，在常温下导电性很好的碱金属在低温下没有一个是超导的。相反，那些在常温下导电性相对较差的元素却有较高的转变温度。根据Frohlich本人的回忆，他受中国道家学说的影响“神奇变朽腐，朽腐变神奇。祸兮福所依，福兮祸所伏。”中国古代伟大的哲学思想，不但得到了国际科学家的尊重，而且也能从中受益。

高温超导体的发展史应该是从巴德雷诺兹和穆勒的论文《镧、钡、铜、氧体系中可能的高临界温度超导性》开始的。氧化物超导体是在1964年首次被人们发现，即锶钛氧化物，但Tc只有0.3K。此后在1975年有科学家发现了Tc为14K的钡铅铋氧化物超导体，虽然吸引了一些科学家的注意，但还没有更惊人的进展。瑞士科学家穆勒（A.Müler）最初是一个名不见经传的超导领域的普通研究者，他在1978年的一次偶然的机会第一次接触到超导问题，此后对氧化物超导体的研究产生了浓厚的兴趣。1983年，穆勒说服了一起工作的同事巴德雷诺兹（J.G.Bednorz）共同研究超导体。年轻的巴德雷诺兹在完成其他主要工作之外，利用业余时间与穆勒进行这项研究。1986年1月，他们在自己制备的镧钡铜氧样品中，利用电阻测量观察到了30K左右的起始转变温度。这是一个难以置信的振奋人心的消息。但由于巴德雷诺兹和穆勒在超导物理界成绩并不突出，大部分的超导物理学家或没有注意到他们的工作，或者对他们的研究存在疑问，他们的论文也没有发表在超导研究最权威的杂志上，所以当时并没有造成巨大反响。然而，在中国、日本和美国，巴德雷诺兹和穆勒的论文却受到了一些科学家的高度肯定和重视，正是因为他们的进一步证实和深入研究，使超导体的发展速度远远超出了巴德雷诺兹和穆勒最初的预料。

爱因斯坦坚信相对性原理是自然界普遍规律的表现，揭示了同时性具有相对性。正如马克思所说：“在科学的入口处，正像在地狱的入口处一样，必须提出这样的要求：这里必须根绝一切犹豫；这里任何怯懦都无济于事！”狭义相对论的建立正是根绝犹豫、大胆创新的科学典范。爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论，成为对牛顿力学的推广或者说牛顿力学是狭义相对论的特例。必须强调的是，科学理论的发展，不是拆了旧房盖新房，它像登山一样，创立一个新的理论就像登上了一座高峰。视野扩大了，原来隐藏着的东西被发现了。原来的理论仍然历历在目，只是显得小了，成了广阔视界中的一小部分。

我们也可以从一些诗词中发现一些共性的思想，比如，苏轼的《题西林壁》：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。”再如，杜甫的《望岳》：“岱宗夫如何？齐鲁青未了。造化钟神秀，阴阳割昏晓。荡胸生层云，决眦入归鸟。会当凌绝顶，一览众山小。”

2.对称之美。对称是指物体或系统各部分之间比例的平衡与协调。对称美是人们认识自然的一种概念。物理学中的对称美，一方面表现为条件的对等，另一方面表现为结构上的对称。例如：动量守恒是坐标平移下的对称属于空间对称性；而能量守恒则是时间移动下的对称属于时间对称性。再如，原子结构、晶体结构、宇宙结构等都具有对称美。

从物理现象上看，对称美的表现也不胜枚举。如电场与磁场的相互转化，变化的电场可以产生磁场，变化的磁场也可以产生电场。这种电场与磁场的变化现象，直接导致了麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在。他还利用对称性的原则大胆引进位移电流的概念，从而得到了麦克斯韦方程组第四个方程，对电磁场理论进行了完善。再如，丹麦物理学家奥斯忒发现了电流的磁效应；法拉第经过近11年的努力，实现了磁变电，也就是电磁感应定律；狄拉克追求负电子的对称性而发现了正电子，磁单极子也是他追求对称性的意外收获。所以说，对称性对于促进人类对自然界的认识，从而建立科学的理论起到了重要的能动作用，诸多科学理论都是在追求对称美的过程中发现并逐步研究形成的。在授课过程中，我们特别强调了杨振宁、米尔斯理论是麦克斯韦电磁理论的推广者。换言之，麦克斯韦电磁理论并非终极真理，让学生知晓真理的相对性，活学、活用哲学原理。

3.简洁之美。任何好的物理规律的表述和公式都应该是简洁和优美的。牛顿的万有引力定律，只用几个字母就概括了一切物体间的相互作用，揭示了天体运动的原因，并能够计算出未知行星的位置，体现了宏观低速情况下，牛顿定理可以推知过去、预言未来的威力，使万有引力定律呈现出无与伦比的简洁美。电荷之间的库仑力与之相似。所以，生命不能承受低维之简，同样生命也不能承受高维之变。再如，爱因斯坦的广义相对论成功预言了以下结论：加速度与引力场等价、强引力场或加速度使时间变慢、宇宙中可能存在虫洞（引力场强度是零的地方）、宇宙中可能存在奇点（引力场无限大的地方）、红移（光的波长变长）、空间弯曲、成功解释了水星近日点的进动等。

简洁美还表现在物理学研究方法和思维方法上。例如，为了研究复杂的物理问题，需要突出或者体现事物的主要矛盾，忽略其次要矛盾，这就要求提出合适的理想模型。比如变复杂为简单的质点、刚体、理想气体、点电荷、光线、薄透镜等的理想模型，能够概括出物质运动的基本规律，引导人们提示科学规律的同时，也带来了物质世界美的享受。

（二）灌输物理知识中的文学美

物理学是以科学实验为基础的一门自然科学。物理教学必须求实严谨、精确无误、合乎逻辑。文学语言是将美视作灵魂，为了完美地表达某种感情，需要摆脱模式化的逻辑顺序，运用丰富的联想进入情感空间，有时甚至不惜虚构一些优美的情节。从表面上看，文学语言与物理教学似乎是格格不入的。其实不然，文学语言具有那种很强的感染力，对于任何学科都是很好的借鉴。如果在物理教学中能够适时地运用文学语言，将抽象的理论用比喻的手法描述的形象生动、妙趣横生，一定会达到事半功倍的效果。为了说明江河瀑布所蕴藏的巨大的动能和势能，我们借用了李白的诗句：“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”以及杜甫的诗句：“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来”。为了说明描述运动的相对性和参照物的必要性，我们引用了诗句和歌词：“两岸青山相对出，孤帆一片日边来”、“小小竹排江中游，巍巍青山两岸走。”为了揭示物体的颜色与光的密切关系，我们介绍了“夕阳返照桃花渡，柳絮飞来片片红”。而李白的诗句“日照香炉生紫烟，遙看瀑布挂前川”更是生动地说明了光的散射原理。

为了提高学生的文学修养和物理知识的结合，我们在上课过程中引用了宋代诗人陈与义的《襄邑道中》：“飞花两岸照晚虹，百里榆堤半日风，卧看满天云不动，不知云与我俱东。”启发学生可用相对运动、参考系的知识来解释，提高了学生的兴趣。我们总结出了相对论中的快板书：“说稀奇，道稀奇，爱因斯坦更神奇，抓住了‘以太这个鬼东西，光速不变一语惊天地。相对论，开新局，时空成一体。尺缩、钟慢惊天地，质能得统一。几何学、论引力，光线弯曲有证据，由狭义，到广义，相对论的历史丰碑永铭记。”

（三）渗透物理学史中的社会美

为了培养学生执着、无畏，为追求真理而不懈探索的科学态度和科学精神，我们在课堂上介绍了一些科学家的事迹。比如，牛顿、居里夫人、玻尔、爱因斯坦等的事迹。特别是爱因斯坦所言：“人只有献身于社会，才能找出那短暂而有风险的生命的意义。”邓稼先、钱学森、赵忠尧、郭永怀、周培源、严济慈、钱三强、钱伟长、华罗庚等人的爱国壮举，都是很好的素材。

（四）在美的诱导中传授学科知识

兴趣是最好的老师，人一旦对某一事物产生了浓厚的兴趣，就会主动去实践探索，也能够自主地克服在实践中产生的不良情绪，甚至困难和问题，所以古今中外的教育家都非常重视学生兴趣的培养。2001年颁布的基础教育物理课程标准指出“要让学生领略自然界的美妙与和谐，培养学生终身的探索兴趣。”在大学物理学科教学中，我们要善于借助物理知识中的理性美、艺术美、自然美以及社会美，规范学生的日常行为，锻炼完美的心理品质，陶冶道德情操，同时引导学生的求知欲，激发学习的兴趣，提高修养和悟性，使学生在美的引导和启迪中学习物理知识，使学生逐步获得终身学习的能力，为社会进步做出贡献。

三、人文物理的精神力量培养

（一）培养团队合作精神

在物理学史上，绝大多数发明创造成就的取得都离不开团队协作。瑞士科学家科拉顿（J.D.Colladon）1825年做电磁感应实验时，把磁铁、闭合线圈和电流计分别放在两个房间，来回奔跑观测，失去观测瞬时变化的良机。丹麦天文学家第谷独自研究行星，花费了30多年的时间观察行星的位置，积累了大量精确、可靠的资料，但却始终没有得到重大的科学突破。他去世后，他的助手开普勒按照他的资料编制星表，经过深入的研究推论终于发现了行星运动的三大定律，也揭开了天体运动的奥秘。

1966年12月24日，《人民日报》头版头条报道了《我国在世界上第一次人工合成结晶胰岛素》，这是团队合作的典型例子。2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者屠呦呦，在发表获奖感言时称，青蒿素获奖是中国科学家集体的荣誉，任何一项科研创造都离不开团队精神。

（二）培养爱国主义情怀

1930年王淦昌考取了德国柏林大学，继续研究生学习，师从著名核物理学家莱斯·梅特纳，他是这位女科学家唯一的中国学生。1934年春，在苦学4年取得博士学位后，他毅然决定回国。有的教授挽留他：“中国那么落后，你回去是没有前途的……要知道科学是没有国界的。”他坚定地说：“科学虽然没有国界，但科学家是有祖国的！我出来留学的目的就是为了更好地报效我的祖国，中国目前是落后的，但她会强盛起来的。”

1955年，赵忠尧用带回的器材和零件，主持建成了中国第一台质子静电加速器，并进行了原子核反应的研究。9年之后，中国第一团“蘑菇云”在祖国大西北升空，他是第一个看到“蘑菇云”的中国科学家。

邓稼先在美国普度大学获得博士学位9天后，决心回国报效祖国。

1950年9月中旬，钱学森辞去了加利福尼亚工学院超音速实验室主任和“古根罕喷气推进研究中心”负责人的职务，办理了回国手续。直到1955年，中国政府通过外交斗争，迫使美国政府同意钱学森返回中国。钱学森终于回到了朝思暮想的故土。钱学森激动地说：“我相信我一定能回到祖国。现在，我终于回来了！”

（三）培养科学精神

曾任教于美国华盛顿大学与西北大学，2007年回国后任教于北京大学的饶毅教授曾说过：“缺乏科学精神是我们文化的重大缺陷。当前，更为紧迫和重要的任务是科学精神要在文化上深入人心。”

伽利略关于两个铁球是否同时着地的问题进行了长时间的思考。因为亚里斯多德的这个观念统治了人们思想近1900年，正是有了科学精神，伽利略大胆做了比撒斜塔实验，否定了人人信奉的哲学家亚里士多德的“真理”，也极大地推动了经典物理学的发展。

电磁感应现象的发现者法拉第，依靠刻苦自学，长期实验，大胆探索，严谨治学，从一个连小学都没念过的图书装订工跨入了世界第一流科学家的行列。而麦克斯韦在对法拉第的理论提出怀疑之后，决心用一种更精密的形式去重建它、完善它，最后提出了电磁场理论，这是严谨求实科学精神的充分体现。

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