試析大學(xué)物理量子部分的教學(xué)嵌入物理學(xué)史的重要性
丁艷麗 母繼榮
論文摘要:量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明,對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。很多大學(xué)生對(duì)量子物理非常感興趣,但對(duì)怎么學(xué)好這門課程卻很迷茫。如果在教學(xué)過程中適當(dāng)引入量子發(fā)展史有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理,不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué),還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀察能力、分析問題和解決問題能力、思維能力、求實(shí)精神、創(chuàng)新精神及辯證唯物主義世界觀。
論文關(guān)鍵詞:大學(xué)生;量子物理;物理學(xué)史
量子力學(xué)是反映微觀粒子(分子、原子、原子核、基本粒子等)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。它是20世紀(jì)初在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和舊量子論基礎(chǔ)上建立起來的,是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué),奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明,對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。通過量子物理的教學(xué),有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)觀。另外,量子物理是處于發(fā)展中的理論,怎樣將量子論和廣義相對(duì)論(引力作用)統(tǒng)一起來仍是困擾人們的問題。“弦理論”的提出使人們看到了希望,通過這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此,在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)增加量子物理的教學(xué)內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同,叫人無法理解,以致量子論的奠基人之一玻爾(Niels Bohr)都要說:“如果誰不為量子論而感到困惑,那他就是沒有理解量子論?!蹦敲丛鯓幼寣W(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢?在教學(xué)過程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心,既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又有利于實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué),而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個(gè)方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。
一、非物理專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要
即使是物理專業(yè)的學(xué)生,多數(shù)人在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)一直如在云里霧里,雖然知道微觀粒子的波粒二象性,也知道不確定原理,了解原子的軌道理論,但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面,學(xué)生沒有掌握量子物理的核心,沒有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對(duì)這部分的介紹也較少。如果在教學(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史,不僅能吸引學(xué)生的注意力,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想,使學(xué)生能夠身臨其境地感受到那場(chǎng)史詩般壯麗的革命,深刻體會(huì)量子論的偉大,有利于學(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學(xué)生與物理專業(yè)的學(xué)生相比,在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)難度更大。這是由于物理專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了許多物理專業(yè)課,如原子分子物理、物理學(xué)史等課程,為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專業(yè)的學(xué)生沒有前期的知識(shí)鋪墊,對(duì)知識(shí)的掌握難度增大。如果能適當(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹,不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度,還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用。 從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學(xué)生掌握量子物理的核心,從整體上把握量子物理的基石,即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理。[2]這三大核心原理中,前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論,互補(bǔ)原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實(shí)在性理論。一些實(shí)驗(yàn)和理論斗爭(zhēng)的介紹不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初,好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成,后輩的工作只是做些細(xì)枝末節(jié)的修補(bǔ)和完善。但當(dāng)時(shí)物理學(xué)天空漂浮著兩朵小烏云,一朵是“以太的絕對(duì)參考系”,另一朵是“黑體輻射的紫外線災(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對(duì)論的建立,后者導(dǎo)致了量子物理的建立。 對(duì)量子物理三大基石的掌握,即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補(bǔ)原理”是量子物理的三大支柱。大學(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個(gè)支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣,對(duì)于大學(xué)生而言不能去討論為什么,只能是是什么。
二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要
大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育,重在方法而非純理論教學(xué)。因此,大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對(duì)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和正確的理解,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更為重要的是,在大學(xué)物理課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中,都應(yīng)在傳授知識(shí)的同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力,注重培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。 1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng) 在大學(xué)物理的教學(xué)過程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭(zhēng)論持續(xù)了300年,光的波動(dòng)理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭(zhēng)了300年。量子論就是在這種斗爭(zhēng)中逐漸建立起來的。托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、菲涅爾的圓盤衍射等實(shí)驗(yàn)形象的描述可使學(xué)生體會(huì)到光的波動(dòng)性;而光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、康普頓的X射線散射實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)的介紹可使學(xué)生深刻體會(huì)光的粒子性;德布羅意電子波及實(shí)物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實(shí)驗(yàn),電子通過鎳塊時(shí)展現(xiàn)了X射線衍射圖案,證明了電子具有波動(dòng)性,由此人們認(rèn)識(shí)到了光及實(shí)物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)悟到看似毫不相干的量實(shí)際上存在著深刻的聯(lián)系,波動(dòng)性和粒子性原來是不可分割的一個(gè)整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面,雖然在每個(gè)確定的時(shí)刻只有一面能夠體現(xiàn)出來,但它們確實(shí)集中在一個(gè)人的身上。從中學(xué)生們可以深刻體會(huì)到任何事物都存在兩面性,人們要辯證地看待問題。這部分歷史的簡(jiǎn)單介紹還可以使學(xué)生深刻體會(huì)到人們對(duì)真理的認(rèn)識(shí)是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過程,也是一個(gè)艱苦長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)過程。對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀。
三、科學(xué)發(fā)展的需要
科學(xué)發(fā)展到今天,是建立在前人取得成就的基礎(chǔ)上的。牛頓都說:“我站在了巨人的肩上?!币允窞殍b,才能少走彎路。物理學(xué)發(fā)展到今天只剩下了最后一個(gè)分歧,但也很可能是最難以調(diào)和和統(tǒng)一的分歧,即量子物理和引力理論。只有了解和掌握了前輩所創(chuàng)造的財(cái)富,才能找到解決物理大統(tǒng)一的有效道路,才能實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的夢(mèng)想。這需要幾代人的共同努力,可能需要幾十年甚至幾百年才有可能實(shí)現(xiàn)。很多人正在為之不斷努力,這也是人們不斷追求的科學(xué)理想。 大學(xué)生量子物理的學(xué)習(xí)需要適當(dāng)引入物理學(xué)史,這既有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理,培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀、分析問題和解決解決問題的能力、求實(shí)精神、科學(xué)觀察和思維的能力、創(chuàng)新意識(shí)及科學(xué)探索精神,又有助于啟發(fā)式教學(xué)。