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对物理教材的几点思考 精选

已有 2523 次阅读 2021-4-7 19:06 |系统分类:科研笔记


教育是把双刃剑,既可以传授知识,又可以扼杀人的好奇心、想象力和独立思考能力。在教材和教学过程中应该尽可能的保护学生的好奇心、想象力和独立思考能力。缺少好奇心、想象力和独立思考能力的人很难创新。教育必须要有前瞻性,建议生命科学专业开设量子力学课程。


1. 教材可读性要强

提高学生自己获取知识的能力是本科教育阶段重要任务之一,带着问题“预习”是行之有效的方法。教材是为学生编写的,要让学生喜欢读,教材的可读性非常重要。我在教学中重视通过“预习”提高学生自己获取知识的能力,因此“预习”成绩和“作业”成绩等值。要求学生“预习”,必须给出问题,让学生带着问题去学,并回答给出的问题,否则会流于形式。要求学生“预习”的先决条件是教材的可读性强,有的物理教材语言晦涩难读懂,这种教材很难激发学生阅读的兴趣和欲望。


2. 教材要兼顾知识智慧

物理学是由知识智慧构成的。知识指概念、定理和公式;智慧指思维方式、研究方法、好奇心、想象力和顽强的探索精神等。为非物理专业的教材不能简单为物理系教材的减缩本,要联系实际,联系专业。教材的深度要适当、宽度要拓宽、高度要提升。物理系的学生学习物理学是为了研究,非物理专业的学生学习物理学是为了应用,用物理学的知识智慧去研究他们自己的专业。在非物理专业中,工科专业直接应用物理学知识机会比较多一些,农、林、医等专业机会稍微少一些,人文、经管专业更少一些。知识应用范围是有限的,而智慧应用范围是无限的,智慧是富于创造性的。知识是智慧载体,智慧是知识的升华。


3. 教材应该是一个比较完整的物理学体系

近些年来,出现了60学时,50学时,40学时,30学时的物理课,……。究其根源,是由于我们对物理学的认识过于浮浅表面,正如杨振宁先生批评的,不客气地说,中国过去几十年念物理养成了念死书的习惯。整个社会环境、家长的态度、报纸的宣传都一贯向这个方向引导。” 物理学的每一部分都有其独特的思维方式、研究方法。物理学是集知识、思维方式、研究方法、认知方法、探索精神于一体的智慧组合。物理学是一条闪光的思想的河流,有许多熠熠生辉之处。物理学的每一次重大进步都引起世界观的一次变革。物理学的知识与智慧可供各学科借鉴应用。物理学不是简单的基础课,是理学课,是科学课。

在部分教材中很容易找到这句话或与其内容相类似的话,“物理学是为后续课做准备的一门重要基础课。”这是对物理学定位的曲解。由于这种曲解,一些学校、一些专业不学“相对论”,理由是:我们专业研究的对象不会以光速运动,后续课用不着“相对论”的知识。

学习过物理学的人会用物理的知识与智慧去探索世界,并必有独到的成功。例如,美国物理学家塞萨尔伊达尔戈用物理学的知识与智慧去研究世界经济,著有《增长的本质:秩序的进化,从原子到经济》,被誉为“21世纪经济增长理论的重要里程碑”,被经济学家称为:“最重要的东西往往最简易,这本书给我们带来的启示是:如何像物理学家一样思考。

物理学课程对传授知识、启迪智慧、提高能力、培养科学素养,帮助学生树立科学的世界观至关重要。物理教材不能保持一个比较完整的物理学体系,实质上是限制了学生未来发展的空间。只教300年前的物理知识是培养不出21世纪的创新人才的。


4. 材不应该物理学呈现得好像“一切都研究清楚了”

由于物理教材倾向于把物理学阐述得好像“一切都研究清楚了”。当年轻的学生学过后,经常悔恨自己生得太晚了,能研究的问题都已经被研究完了,世界上已经没有留下什么可以让自己来研究的问题了。这种遗憾是教材留下的,这是不真实的。

    真实的情况是,至今宇宙约137亿年,太阳系约50亿年,人类有文字记载的历史约5000年,科学进入定量研究仅400年。为了更形象的理解这几个时间,我们用24小时来表示宇宙的137亿年,那么科学进入定量研究的400年则只相当于0.0025秒。科学,相当于我们要用0.0025秒时间搞清楚过去24小时所发生的所有事情,可以想象那是多么艰难。因此,我们对世界的现在的认识是肤浅的、幼稚的、不确切的、甚至是错误的,这是非常正常的。人们对科学的认识是一层层地深入,我们永远不必担心没有问题研究了,也永远不能说哪个问题研究透彻了。我们既不能刻求前人完美,又不能迷信权威永远是正确的。

真实的情况是,物理学中单摆是经过抽象和简化的理想模型。它必须满足8个理想化条件:① 摆角小于5°;② 摆线质量可忽略;③ 摆线柔软;④ 摆线不可伸长;⑤ 摆球质量固定不变;⑥ 摆球的直径要远小于摆线长度;⑦ 摆要处于无阻尼环境;⑧ 摆要处于惯性系中等。

如果不抽象简化,经过8个变量组合  C81+ C82+ C83+ C84+ C85+ C86+ C87+ C88=256  即有256个问题,单摆只是其中的一个问题。余下255个问题中,有的问题是可研究的,有些问题困难到当前还无法研究。物理学中的研究对象是经过抽象简化的理想模型,只要你深入一步,将理想化条件去掉,立即就有大量可研究的问题。这是国家名师南京大学卢德馨教授在清华大学上课时用过的一个例子,教学中我常借用。


5.  教材的内容要与时俱进

5.1 折射定律

直到1621年,荷兰数学家斯涅耳在分析了大量数据后终于找到了入射光线和折射光线两者之间的关系,并把它总结为光的折射定律:折射光线与入射光线和法线同处在一个平面上,入射光线和折射光线分居于法线两侧; 入射角与折射角的正弦之比是一个取决于两介质光学性质及光的波长的常量

目前的大、中学教材中基本在延用这种表述。这种表述在400年前无可非议,因为当时介质折射率都是正值。近些年发现了负折射率材料,即有些介质的折射率是负值。当介质的折射率是负值时,入射光线和折射光线则位于法线同一侧。原表述中的“入射光线和折射光线分居于法线两侧”部分显然成了错误的,因此建议删除原表述中的“入射光线和折射光线分居于法线两侧”部分。科学已经与时俱进,教材也必须与时俱进。

5.2电磁辐射

1) 物理材都在延用“电磁波谱”。既然我们已经承认了波粒二相性,那么,我们是称“电磁波谱”好呢?还是称“电磁辐射谱”好呢?

2) 长期以来,“电磁波谱”图一般画到10Hz,现在有些领域所用仪器的电磁信号已经到10-5Hz,建议拓宽,免得被误解。

5.3量子力学

高等农林院校的物理中量子力学的介绍,应该秉承高起点低难度的基本指导思想。量子力学是研究微观世界的一门科学理论,既神秘又深奥,它不但与现代信息技术有着千丝万缕的联系,与化学、生命科学等基础学科也密不可分,它的建立极大的颠覆了人们对世界的认识。神秘的量子现象无处不在,如果挖掘得足够深入,一切事物都是量子的。量子力学使得我们对生命世界的认识发生了革命性改变。没有量子力学,就无法解释生命。推荐学生阅读吉姆艾尔-哈利利与约翰乔麦克法登《神秘的量子生命》一书。书中用量子节拍解释了光合作用中能量从光子到反应中心的传递效率几乎是100%,几乎所有叶绿素分子吸收的能量都可以到达反应中心;量子力学中的非弹性电子隧穿是嗅觉产生的关键,用量子力学中的非弹性电子隧穿解释了小丑鱼“闻出”回家之路;北欧和北非之间迁徙的知更鸟,它们的地磁感受器是一种磁倾角罗盘,能通过化学反应感受微弱的地磁等。对所有的这些问题的解答,都离不开量子力学。

二十一世纪科学技术进步的主要动力及标志之一是,生命科学与人工智能和物理学广泛与深入的交叉融合。教育必须要有前瞻性,建议生命科学专业开设量子力学课程。生命科学专业开设量子力学课程要达到的目标是:使少数生命科学家能使用量子力学研究生命科学,让多数生命科学家能阅读使用量子力学研究生命科学的文献。

 

真诚的欢迎您的意见和批评,借用您的智慧完善我的思想。

 




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