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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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