培养创造性是物理教学的灵魂

刘全慧

摘要：把物理学知识教活、教深、教实，把物理的本质展示给学生的过程，也就是通过物理知识的传授培养学生的创造力的过程。本文从研究物理学的灵魂和本质出发，通过介绍、引申和发展一些物理大师在物理内容、教学方法和课堂安排等方面培养学生创造力的经验，认为培养创造性是物理教学的灵魂。

关键词：物理学的本质；物理教学；培养创造性

物理学教学内容上如何深广兼顾?如何把物理学知识教活、教深、教实?是两个弥久恒新的研究课题。这些问题本质上要和学生创造力的培养联系起来。

一、什么是物理学的灵魂和本质

物理的灵魂指最具活力最现神采从而能表现物理特征的部分，物理的本质指具体物理问题的根本原因。通过了解一个个具体问题的物理本质才能深切感受什么是物理的灵魂。

形象地说，“顶天立地”是物理的灵魂!何谓“顶天”?就是物理学不断深化和演化中的概念体系，常常是一系列高于经验知识的假设和逻辑判断。何谓“立地”?立地就是要联系实际。单纯的立地可能最多不过是经验理论，触及不到深刻的本质；而单纯的“顶天”可能不过是形而上学，无法和实际相联系。物理的“顶天立地”是有机的一体：“顶天”须“立地”，“立地”必“顶天”。提出自旋概念(顶天)是要解释碱金属原子的光谱的双线结构(立地)；爱因斯坦将玻耳兹曼的理论发展到理想晶体(项天)，目的在于给出固体的热容量(立地)；Pauli从“地面”上氢原子能谱中，看见的是“天上”氢原子体系的动力学对称性等等。物理常是从高于经验知识的假设和逻辑判断出发给出鲜活实际应用，其勃发的生命力其实是对人类理性的礼赞。

逐本求源是抓住一个具体问题的物理本质的关键。Dirac说过，原来他认为正则对易关系是量子力学的精神，当他到达人书俱老的人生境界时，领悟到概率波才是量子力学最本质的概念。教科书中常用分别测量点粒子位置和速度(或波动的波长和频率)的精确度来讨论量子力学中的不确定关系，尽管最终公式正确，却缺失了不确定关系是波分辨率的粒子表述这一物理本质。

教科书中很多具有“平凡的正确性”做法和问题，可能回避了物理的本质。如教科书上常有一个问题：地球引力场有同一垂直线上不同高度的两个球同时下落，求上面那个球在碰撞一次后反弹所达到的最大高度。利用能量、动量守恒不难解答这道题目。不必详细讲解混沌，但是要告诉学生这个体系的物理本质是混沌。

二、物理课程要教出物理的本质

一个好的物理教师就要不停地思考各种问题、关注物理研究的进展并融于教学中。物理之树常青而教科书上总会有点历史的灰尘。不过，如果教材写得不清楚甚至错误，而老师也就讲不清楚甚至跟着讲错，错不在书本，而在任课老师。

2004年下半年杨振宁先生给清华大学物理系和基科班的学生讲授“大学物理”课程，使用的教材是Halliday和Resnick的Fundamentals of Physics。这是一套很有名的教材，在美国被广泛使用。现在已经出了第八版。也是高教出版社向我国高校推荐的优秀《大学物理》课程原版教材之一。杨先生在2004年底提到，该教材至少有两处丢掉了物理的灵魂。特别是没有把绝对温度和熵同时定义，杨先生认为是个“很大的错误”，而且他要“告诉学生，书上这几章的讲法把物理学的精神抹煞掉了”。

Feynman曾在巴西一所大学里教大一的物理。他认为巴西大学的物理教材很不好，学生能学的，不过是生吞活剥的背诵而已。对于摩擦发光，教科书上写道“当晶体被撞击时所发的光……”。这种名词解释焉有物理?Feynman教学生的是：“当你在黑暗里拿把钳子打在一块糖上，你会看到一丝蓝色的光。其他晶体也有如此效应……。这个现象被称为摩擦发光。”

1954年Born获得诺贝尔物理学奖的缘由是“……especialb for his statistical interpretation of thewavefunction。”今天看来，这里的statistical(统计)一词历史色彩太浓!确切的词是probabilistic(概率)。统计和概率差别在于：统计往往意味着对一个对象统计而概率完全可以是内在而本质的。如果是对一个对象统计，物理必须要问这个对象对应什么物理实在?近二十余年来量子力学的进展基本否定了这些实在存在的可能。

电子是点粒子是原理性假设，在真实测量中只能给出半径上限，但是不能把现今技术给出的上限半径设定为电子半径。类似地，孤立系统的能量精确不变是原理性假设，由于真实系统无法完全孤立所以能量测量必不为常数，也不能因此认定孤立系统能量不能取定值。把原理性假设及其逻辑判断和实际测量结果相混淆的情况不仅是一些科学爱好者的通病，在教科书中也不乏例子。

三、物理教学要“活、深、实”

物理教学要“活、深、实”，避免“呆、浅、虚”。所谓“活”，不仅是要多利用鲜活的素材讲叙物理的基本概念，还要善用“思想试验”、“黑板试验”、多媒体等手段辅助教学。例如可用教室中的空气均匀分布这一事实来阐释等概率原理。所谓“深”，就是即使一些熟悉的现象，也有深刻的物理在发挥作用。例如由一定形状粒子构成的单元系或两种不同粒子构成的二元系的封闭系统，熵增加不见得导致宏观的混乱，而很可能导致有序，而生命现象很可能和此有关。所谓“实”，就是物理教学的内容要有物理图像。例如上文提到的费曼经历的问题就是一个物理学内容要实在的例子。

“活、深、实”是辨证联系的整体，其中“活”是关键。旧说认为“要教学生一碗水，老师要有一桶水”。这只强调了量的不同，是不够的。个别老师的教案十余年不换，水已经开始变质而不觉，就算有“一缸水”又有何益?教学要做到“活、深、实”，教师的知识里要有“活水”至为紧要。至少，教师要知道“活水”的存在。反过来，如果讲经说法变成束手束脚地照本(屏)宣科，课堂所言不出前人甚至以讹传讹，少许发挥则谬不可及，建议放手让学生自学。

四、物理与学生创造力的培养

课堂是教师和学生之间砥砺思想或日大脑风暴(brainstorming)的场所。应当把学生能不能提出教师很难回答甚至根本不能回答的问题当成一门课程成功与否的标志之一。课堂讲授不仅要给学生讲授最基本的知识，而且要在讲课的时候营造创造性环境，“点燃”学生的大脑，在“激发态”上共同探索物质世界。

下列问题应该赢得每位物理教师的激赏。有超导体的霍尔效应那么有没有超流体的霍尔效应?能不能把隧道效应和光电效应结合起来?为什么经典电子的模型不考虑电子的磁能?电子本质上有质量、电荷、自旋和磁矩这“四根毛”还是只有质量、电荷、自旋(或磁矩)这“三根毛”?到底是空间弯曲了还是暗物质的折射率导致了光线偏折?量子纠缠对能量有没有影响?理想气体到底是经典气体还是量子气体?既然电磁统一那么为什么要引入磁场?等等。能提出这些粗糙的想法非常可贵，他们“怪诞”只是“不经”、“离经”而非“叛道”。教学不仅要教学生品味、应用已经确立的成果，教师更要精心呵护这些创新思想的萌芽。

能量守恒最初出现需要子虚乌有的热质，热力学第二定律的建立包含了试图造出第二类永动机的失败，有了Dirac相对论性方程之后才发现Klein-Gordon方程其实不能描述电子等等。任何一个创新思想最开始的时候一定是以半对半错、似是似非的面目出现的。甚至教科书中也可以出现一点部分正确部分错误的问题，留一点空间给学生并无不好。Feymnan就是受Dirac一个不成熟评述的启发最终发展出了量子力学的路径积分表述。学生能主动思考最可贵。主动思考之后才能有兴奋点，有了兴奋点才能逐渐培养出品味、探索科学问题的能力。

有一次彭桓武先生参加了一个学生博士论文答辩，多数评委认为某一项计算不够完善，结果意义不大，在评语中就不必提及了，不想彭先生不同意。他说：“这个计算虽然不够完善，但方法是他想出来的，别人还从来没有这样做过”。不能总是用“完美”的问题和结果来培养学生。彭桓武先生在很多场合提到，薛定谔的教学就太“完美”，所以薛定谔没有好的学生。

本研究受到如下课题支持：教育部教育改革与实践项目“理工类(信息类)交叉学科人才培养改革创新与实践”，湖南省重点教改课题“基于综合教改实验班的拔尖创新人才培养理论与实践研究”和教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-04-0762)。特此致谢!

责任编辑：文和平