《物理學史》課程教學改革的思考

《物理學史》課程教學改革的思考

物理是研究最常見的物質(zhì)運動形式和基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)的科學。1重視課程和專業(yè)實踐理論和經(jīng)驗之間的聯(lián)系1.1從“電動力學”到“電磁學”本課程所采用的教材很多章節(jié)中展示了當年科學家理論推演的部分原始過程(與專業(yè)課書本上所講內(nèi)容道理雖同,所采用的方法卻復雜很多)。比如在第六章第三節(jié)《狹義相對論體系的建立》當中多處使用愛因斯坦《論動體的電動力學》原文中的表述(如球面方程愛因斯坦本人在提出狹義相對論時是從電磁學入手的。學生剛剛在大學一年級學習過《電磁學》專業(yè)課,并不陌生。為了深化這一點認識,筆者舉出了如下例子,引導學生掌握:一個點電荷所帶電荷量為q,靜止放置在如圖1所示的位置,問學生在圖中的靜止的A點處,有無電場和磁場?學生通過電磁學課上所學的“靜止電荷只能產(chǎn)生電場”和“運動電荷既產(chǎn)生電場又產(chǎn)生磁場”的知識很容易判斷A點有電場無磁場。筆者隨即將題設(shè)改為,點電荷q依然靜止不動,A點以速率v向右運動(如圖2),再問同樣的問題,組織學生討論、探究,在筆者的啟發(fā)下學生終于認識到若以點電荷q為參考系,A點依然是有電場無磁場,但若以A點自身為參考系,由于電荷q相對于A點向左運動,那就變成了運動的電荷,所以A點既有電場,又有磁場。通過這樣一個簡單的例子使學生感知到專業(yè)必修課《電磁學》上所學的經(jīng)典理論對于不同的參考系竟然得出不同的結(jié)果,在此基礎(chǔ)上直接給學生展示相對論電動力學的結(jié)果。這樣學生的認知水平便進入了懷特海所說的教育三階段中的綜合應(yīng)用階段筆者在講授第七章第六節(jié)《α散射和盧瑟福有核原子模型》一節(jié)內(nèi)容時將課本上學生很難理解的大段繁瑣的原始推導內(nèi)容刪去,引導學生探究如下問題:為什么盧瑟福的散射實驗結(jié)果(散射粒子大角度偏轉(zhuǎn))證明湯姆遜模型(認為正電荷在原子中均勻分布)是不對的?提出此問題后組織學生們進行討論,引導他們進行探究,最后得出結(jié)果:假如電荷均勻分布在圖3(a)所示的球形區(qū)域內(nèi),由高斯定理大學二年級學生在上學期學習過《電磁學》專業(yè)課,對于問題背景很熟悉,而《原子物理》課將在大二下學期開設(shè)(尚未學過)。以上兩門專業(yè)課均為大部分高校研究生招生考試科目《普通物理》當中的重要考查內(nèi)容。通過這樣的教學模式,將三門課程(《電磁學》、《物理學史》和《原子物理學》)融會貫通,使大學二年級的學生在專業(yè)知識背景不足的情況下領(lǐng)悟到其中的核心思想所在,并將其滲透到情感、態(tài)度和價值觀當中,使學生從思想上認清專業(yè)課學習的重要性,鞏固了以前學習過的專業(yè)課重要知識點(如《電磁學》課中的高斯定理),同時激發(fā)了學生學習本學期以后相關(guān)專業(yè)課(如《電動力學》和《原子物理學》等)的興趣,對學生專業(yè)課學習起到承前啟后的作用。1.2u3000關(guān)于廣義相對論的討論本課程所采用的教材中詳細描述了許多當年的科學家所做的實驗。學院開設(shè)的普通物理實驗課程中的大部分內(nèi)容正是對這些實驗的重現(xiàn)。筆者結(jié)合相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和實驗課的內(nèi)容,發(fā)掘出《物理學史》課程中與普通物理實驗相關(guān)的問題(特別側(cè)重于科學方法的滲透),既能激發(fā)學生探究問題的熱情,促使其反思實驗課當中處理問題所采用各種方法的深刻含義,又能加強師生互動,提高課堂效率和學生分析問題、解決問題的能力。例如筆者在講授第五章《實驗新發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代物理學革命》第四節(jié)《熱輻射的研究》中科學家維恩提出的能量分布定律u=bλ讓學生們思考、討論、回答,結(jié)果兩種答案都有。后來經(jīng)過筆者的引導、答疑,學生終于意識到前者函數(shù)形式簡單、后者復雜,毫無疑問是第一種方法更好。這個問題雖然簡單,方法卻很深刻。無論學生將來是考研深造還是從事教學工作,都深有益處。另外在第六章第六節(jié)《廣義相對論的建立》中“引力質(zhì)量”和“慣性質(zhì)量”等價是廣義相對論的出發(fā)點之一。這兩個概念在《力學》理論課中雖然講過,但并非教學重點內(nèi)容。而本科生在大學一年級《大學物理實驗》課程力學實驗部分有一個名為《慣性秤》的實驗課,實際上是學生首次通過實驗操作稱量慣性質(zhì)量。這也是當年科學家通過實驗驗證引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量等價的重要手段之一。但由于學生在當時并無廣義相對論知識背景,所以很多學生在做此實驗時只關(guān)注實驗操作和數(shù)據(jù)處理的細節(jié),卻對本實驗的重要意義(驗證引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的等價性)了解不深。在講授本節(jié)課時,筆者通過PPT引導大家復習回憶力學實驗“慣性秤”部分,已導入廣義相對論為契機,使學生理解引力質(zhì)量(即在初中所學的由天平稱出的質(zhì)量)和慣性質(zhì)量(即牛頓第二定律F=ma中的質(zhì)量m)的概念上的不同和數(shù)值上的等價。通過本課程對知識的升華,彌補了力學理論課和實驗課的空缺,引導學生將實驗課和理論課所學的知識融會貫通,做到理論和實踐的結(jié)合。2《光學》課程內(nèi)容的拓展本課程教學所采用的教材是郭奕玲、沈慧君編著的由清華大學出版社出版的《物理學史》第二版。此教材體系完整,見解獨到,科學家實驗情景描寫細致入微。但僅限于每周兩課時的情況,教師講解不可能面面俱到。為此筆者根據(jù)學生專業(yè)發(fā)展需要,對教材內(nèi)容進行整合、提煉,不合理的地方加以剔除,必要的知識點加以拓展,以更好地服務(wù)教學。本門課程的教學重點內(nèi)容是前九章,后面幾章屬于介紹、略講范疇。筆者在教學過程中將第十一章《現(xiàn)代光學興起》內(nèi)容與第三章《經(jīng)典光學的發(fā)展》部分整合,題名《光學的發(fā)展》,將第十二章《天體物理學的發(fā)展》與第六章最后一節(jié)《廣義相對論的建立》內(nèi)容整合,使學生將前后知識融為一體。例如現(xiàn)階段就學生考研而言,光學專業(yè)無論從就業(yè)、考研兩個方面來說均屬于相對熱門專業(yè)。如此教學法有利于學生深刻認識到光學學科的重要性,不僅促進了《光學》專業(yè)課教學,對學生將來的綜合發(fā)展也有益處。筆者在攻讀碩士學位時所學專業(yè)是理論物理,具體方向是量子信息和量子光學,畢業(yè)以來一直從事這個研究方向。第八章第九節(jié)《關(guān)于量子力學完備性的爭論》和第十節(jié)《量子電動力學》等內(nèi)容正好與筆者的科研方向相關(guān)。故而筆者在講到這里時利用自己的專業(yè)優(yōu)勢補充了大量的前沿知識如“薛定諤貓態(tài)”、“壓縮相干光場”、“量子計算”、“量子糾纏”、“EPR佯繆”等等,充實了課堂內(nèi)容,使學生的視野從課本轉(zhuǎn)向前沿,做到“搞好科研促教學”。其中“量子糾纏”是筆者研究的主要課題,它在量子計算、量子博弈、隱形傳態(tài)中具有重要意義由于物理系屬于師范專業(yè),絕大多數(shù)學生無論考研與否終將登臨三尺講臺。中學物理教學中若以物理學故事的形式引入,可以使教學過程更加生動活潑,激發(fā)學生的學習興趣。物理學史課堂正好提供了這種資源。另外,物理學史集中體現(xiàn)了人類探索和逐步認識物理世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律和本質(zhì)的歷程,豐富的物理學史素