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课堂教学联系什么还是不联系什么:前沿,潮水,后沿,回响 精选

已有 3697 次阅读 2020-7-4 19:16 |系统分类:教学心得

可能缺什么就想要什么,我作为一个地道的北方平地土拨鼠,总是向往海浪和海潮。一条白线涌起,随后变成惊天动地的巨潮,潮水滚滚向前,后面又是一个慢慢降落的后沿。浪潮过去,还会有连绵波动,回响良久。一门学科分支的发展,大体也如此。(有些还不够学科分支的单独方向构成不了浪潮,那是另外一种)

在课堂的基础教学要不要联系前沿?我想问题之一是为什么重视前沿。潮快于奔马,片刻之间就跑到地平线以外,作为基础教学,已经是在潮水过后千万步,要随时看到前沿,一则太过遥远,二则视线难免落在后沿上。教师能越过这两个问题已属不易,能让学生有天眼神通,更属于梦想。所以有人觉得与其联系前沿,不如多看历史,从照片和录像中欣赏。这当然也是一种不错的想法,但我总觉得未必能够实现。其实,课堂教学,尤其基础理论课的课堂教学,不如立足于展示后沿和联系回响。

麦克斯韦在电磁场方程中引入位移电流假设,导出电磁波,又因为电磁波理论速度等于光速,猜测光也是电磁波一种,这是前沿。把光学问题纳入电磁理论,引出特鲁顿实验和迈克尔逊莫雷实验问题,最后引发相对论,这是前沿化为巨潮。事过一百年,经典电磁波理论已经很少有什么前沿了它的深层问题已经归化为极端强度下量子电动力学的可靠性,或者基本力的起源问题,要在本科基础教学里面联系这种前沿,似乎难了一点,而且,又有多少意义呢?

电磁学浪潮的后沿似乎更贴近现实一点,知道了电磁波的存在,就有人去制造出来,然后要应用它。然后从研究的角度来说,电磁设备甚至一些光学设备的发展产生了一个有趣的需求:设计一个微波管,设计一个加速器,并不能简单的靠“天才的直觉”完成,相反它要正确的解出电磁场方程,不管严格的还是近似的。于是这种工作给了电磁学发展巨大的压力,电磁学不仅要能够解释各种实验,猜测实验现象(如同爱因斯坦的魔法),更要能解出问题的答案。于是电磁学从简单的现象-规律发展成一系列解决问题的技巧甚至设计方法,并且把各种所谓的“概念”化归为物理量的记号,“规律”归约成麦克斯韦方程组的近似解法。电压不再是个基本概念而变成了电场的线积分,基尔霍夫电压定律不再是实验归纳而是场方程线积分的近似。要点是,在原始时代的各种概念,现在被深层的解构和重建,前沿无数破碎浪花变成了后沿的平滑和清晰曲线。

后沿是容易观察和理解的,所以基础教学的内容常常是依赖于对后沿的总结。但确实很多教师没有达到理解后沿和重构的程度,于是本来清晰明了的后沿结构变成了抽象画(比如纠结于各种概念的原教旨定义,或者坚信观察-归纳的“传说物理方法”),以其昏昏使人昭昭。不过这不是基础教学本身的问题,显然也不能用“联系前沿”方法去解决。能不能用“联系学科历史”的方法解决?我不知道,姑且试试,不乐观。

那么“联系”方法是不是真的没什么意义?我倒是觉得也不一定。浪潮过去,还会不断回响。就算最平凡的经典电磁波理论,随着需要应用的场景越来越复杂,解析分析越来越困难,于是产生了半解析半数值的处理,各种简化数值处理,直到最直接的暴力求解。然后暴力求解麦克斯韦方程的做法,又提出了新的问题,比如色散的计算模型(频域色散如何转入时域),非线性的计算模型,电阻的实质是什么如何估计等等。这些不是前沿,也不是数学的前沿,但它们的解决,一方面是理论的进展,另一方面提供着对理论的完善。这些是可以引入教学的,这是基础理论的回响,也是应该联系的地方。实际上,很多应用基础分支就是从这些回响发展起来的。




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