基础物理教学的

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1、基础物理教学的 四个理念,北京清华大学物理系 陈泽民,2009.9,2/71,一、基础物理教学的四个理念,四位物理学大师的四句话应当作为改进基础物理教学最基本、最重要的理念。,3/71,爱因斯坦： “兴趣是最好的老师。”,物理教学理念之一,4/71,兴趣是最好的老师激励 引导 教师的一个重要的任务：使学生能得到这个最好的老师激发和培养学生学习物理的兴趣。,物理教学理念之一,5/71,有了兴趣学生才能主动、刻苦地学习，学习才能深入。 要改变物理课枯燥、死板、严肃、难懂的面貌，使物理课变得亲切、有趣、有吸引力，使学生能主动地、生动活泼地学习。 至少可以从以下四个方面努力：,物理教学理念之一,6/7

2、1,1.从现象出发把五彩缤纷、美妙神奇的物理世界展现在学生面前， 激发学生的好奇心和求知欲,引导学生以探索、研究的心态进行学习。,美丽的北极光,“怒发冲冠”,7/71,激发学生的好奇心和求知欲,帆船逆风行驶,8/71,激发学生的好奇心和求知欲,峨眉山金顶佛光,9/71,激发学生的好奇心和求知欲,梳子吸引水流,铜镜“透光”,上海交大,10/71,激发学生的好奇心和求知欲,鱼洗喷水,上海交大,11/71,2，要实现基础与前沿、经典与现代、理论与应用的有机结合,既要强调物理教学的基础性，又要注意它的时代性和前沿性；既要深入揭示物理规律的内涵和意义，又要适当联系它在高新技术中的应用。,使学生觉得物理学

3、新颖、深刻、有用，从而提高学习物理的兴趣。,12/71,基础联系前沿：,逃逸速度 黑洞 动量守恒 中微子的发现 万有引力 脉冲双星、引力波 热二定律 时间箭头 Doppler效应 红移、大爆炸理论,理论联系应用：,13/71,光栅衍射相控阵雷达,设在澳大利亚Sydney大学 的一维射电望远镜阵列,设在美国鳕角（Cape cod） 的相控阵雷达照片,14/71,迈克耳逊干涉仪光学相干CT,具有微米量级的空间分辨率,16/71,特征X射线 越王勾践剑的分析,湖北江陵出土，在地下埋藏了大约2500年,17/71,洛仑兹力 磁 流 体 船,18/71,物理规律之美物理学的本质是真客观规律、真理物理学的

4、价值是善能够造福人类物理学的追求是美简洁明快，均衡对称， 和谐统一， 如：万有引力定律简洁明快之美,3，讲出物理规律之美，并联系历史， 联系人文，贴近生活,19/71,物理规律之美,麦克斯韦方程统一对称之美 相对论和谐自洽之美,20/71,物理规律之美,杨振宁对牛顿运动方程、麦克斯韦方程、相对论等的评价：“它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构，可以说它们是造物者的诗篇。”,要引导学生发现和欣赏物理规律之美， 把学习物理的兴趣提高到审美的层次上来。,21/71,联系历史,适当介绍重要的规律、理论发现和建立的过程。这不仅能使学生受到前辈科学家创新精神的感染和科学方法的熏陶，还能大大激发

5、学生学习物理的兴趣。 照相机的增透膜是怎样发明的？ 普朗克的量子论是怎样建立的？ 李政道、杨振宁是怎样提出宇称不守恒的？ 联系人文（文学，艺术，评论， ）：,22/71,波粒二象性 寓于一体又不同时出现,少女？,老妇？,两种图象不会 同时出现在你 的视觉中。,23/71,物理规律的对称性 一定变换下的不变性, 艺术中的对称性,24/71,物理规律的对称性 一定变换下的不变性, 文学中的对称性上海自来水来自海上南山长生松生长山南,客上天然居，居然天上客 (乾隆上联) 人过大佛寺，寺佛大过人 (纪晓岚下联),僧游云隐寺，寺隐云游僧（张璉下联）,25/71,评 论,杨振宁对Dirac方程的评论：,“

6、这个简单的方程是惊天动地的成就，是划时代的里程碑。” “反粒子理论又是物理学的另一个里程碑。” 称赞Dirac方程和反粒子理论是： “性灵出万象，风骨超常伦。” 高适:答候少府,26/71,玻尔对普朗克量子论的评价：,“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生如此非凡的结果上一代人能取得有关自然知识的如此的神奇进展，应归功于人们从传统的思想束缚下获得的这一解放。”,27/71,杨振宁对吴健雄的评论,28/71,爱因斯坦对迈克尔逊的评论,“我总认为迈克尔逊是科学中的艺术家，他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，他从来不认为自己在科学上是个严

7、格的专家，事实上的确不是，但始终是个艺术家。”,29/71,普朗克等人提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐书,几乎没有一个现代物理学的重要问题爱因斯坦没有做过巨大贡献。当然他有时在创新思维中也会有错，比如，他对光量子的假设。可是也不应该过分批评他，因为即使在最准确的科学里，要提出真正新的观点而不冒任何风险是不可能的。,30/71,贴近生活,激光使闪电改道,汽车-静电屏蔽,31/71,贴近生活,32/71,贴近生活,万有引力月球对地面上海水的引潮力,钱塘江大潮,33/71,贴近生活,34/71,贴近生活,35/71,贴近生活,弧线球（香蕉球）受力分析,36/71,4，把计算机引入物理课程的学习，

8、用计算机模拟、计算、显示、研究物理过程,把学生玩计算机的兴趣引导到学习物理上来。,37/71,杨振宁： “现象是物理学的根源。”,物理教学理念之二,38/71,杨振宁：“很多学生在学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分。物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的。现象是物理学的根源。”,物理教学理念之二,39/71,观察现象，研究现象，揭露现象背后的本质和规律，才发展了物理学。 基础物理的教学应当同观察和分析物理现象联系起来，否则就是无源之水、无本之木。 基础物理的大部分内容都应采用从现象本质，从感性理性的方法进行教学。要把观察

9、现象作为物理教学的重要环节。,物理教学理念之二,40/71,物理教学理念之二,图片，视频（录像），演示实验在教学中具有十分重要的作用。演示实验最重要：直观真实生动作用： 观察现象，启迪思维，显示原理，验证理论。是培养学生探索精神、创新精神的重要手段。,41/71,观察现象,磁 悬 浮,42/71,启迪思维,翻转陀螺,43/71,显示原理,势能转动能,44/71,验证理论,同济大学,45/71,验证理论,进 动,热辐射,46/71,物理教学理念之二,演示实验厅学生可以自己动手演示。演示实验要进课堂，使演示与讲课同步进行，实验与理论教学紧密配合。,47/71,物理教学理念之三,海森堡： “科学扎根

10、于讨论。”,48/71,物理教学理念之三,讨论是科学赖以生长、繁荣的土壤。讨论可以使学习深入，讨论能够激发创新的火花。 杨振宁的体会：“我一生中最重要的一年，不是在美国做研究，而是当时和黄昆同处一舍的日子。正是那些争论，使我找到科研的感觉。”,49/71,物理教学理念之三,要向学生反复强调讨论的重要性，鼓励并组织学生开展讨论，形成“勤于思考，乐于探讨”的学术氛围。 讨论有多种方式，不拘一格，讨论就好：大课提问讨论小班专题讨论网上随意讨论宿舍卧谈讨论. . .,50/71,小班讨论课是推动学生开展讨论的有效方式,清华大学，西安工业学院等校都有物理小班讨论课。 以清华大学为例：*作用：深入理解基本

11、概念、原理，掌握基本方法；开阔思路，鼓励创新，训练辩才。*做法： 15-20人一班，主讲教师指导，由教师和TA 分班主持，,51/71,小班讨论课的做法,主要题目课前到手，师生有备而来围绕教学重点和学生学习疑点、难点展开。 同时鼓励学生提问题，什么问题都可以讨论，包括教师可能回答不上来的，以及没有公认结论的问题。 讨论和演示实验相结合。,52/71,例1：在台面上合适地搓动乒乓球，乒乓球在桌面上前进一段距离后将会自动返回。,1）试对此现象作定性解释；2）设乒乓球可看成匀质刚性球壳，导出能产生上述现象，其初始条件应满足的关系。,53/71,例2. 细绳突然断开刚体如何转动？,分析得对吗？看看实验

12、。,54/71,物理教学理念之四,李政道： “物理学的精髓在于创新。”,55/71,物理教学理念之四,物理学中最重要的东西不是某个原理、某条定律，而是它所包含的创新精神。 物理学是在不断探索、不断发现、不断创新中发展起来的，没有创新就没有今天的物理学。 掌握物理学的精髓，最重要的就是学会创新。,56/71,物理教学理念之四,物理教学要把培养学生的创新精神放在第一位培养学生创新的意识和勇气，培养学生创新的想像力并掌握创新的方法。,57/71,1，培养学生创新的意识和勇气,喜欢标新立异，不墨守成规。总想探索新途径，提出新观念，尝试新方法，导出新结论。没有想到创新的人决不会有新创造。 不怕名人权威，

13、在新的事实面前敢于怀疑旧理论，提出新问题。“进步道路上的绊脚石是，也一向是，不容许怀疑的传统。” 吴健雄,58/71,培养学生创新的意识和勇气,“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的一个技能而已，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。” 爱因斯坦、英菲尔德,鼓励学生成为敢于怀疑、善于提问的、具有批判性和创造性的探索者。,59/71,培养学生创新的意识和勇气,少年儿童天生就富于想像，喜欢创造，无所顾忌，不怕权威。是我国教育制度和教育方法的弊端，扼杀了学生的创新精神。听话、守规矩、强求一律、崇拜

14、权威、应试教育，. . .到了大学才要重新“培养”。实质上是要去掉思想束缚，把创新精神重新激发出来。,60/71,培养学生创新的意识和勇气,教学中要：少一些限制，多一些自主；少一些批评，多一些鼓励。 强调： 科学技术在不断发展，永远都存在创新的空间； 大师、权威们的观点、结论也有时代的局限，也 有错误； 年轻 、知识少不是障碍。,61/71,科学技术在不断发展，现有结论不是不变的。,通常人们认为,实际测量结果,光子静止质量为零,电子是稳定不变的,质子是稳定不变的,中微子静止质量为零,现在知道，中微子静止质量不为零,62/71,科学技术在不断发展，现有结论不是不变的,要用发展的观点来讲解物理规律

15、。 讲解物理原理和定律时，不仅讲清它们能解决哪些问题，还讲清它们不能解决哪些问题，以及还有哪些问题需要研究和解决。 ,63/71,大师的观点、结论也有局限甚至错误,爱因斯坦：广义相对论方程宇宙项 泡利：“我不相信上帝会在弱作用中偏向左手，. . .” 费曼：“物理学圣经” 中的图,64/71,年轻、知识少不是障碍,在物理学发展中，做出重大创造性贡献的很多 是年轻人：牛顿（1642-1727）万有引力定律 24岁（1666）麦克斯威（1831-1879）电磁理论的第一篇论文 24岁（1855）,爱因斯坦（1879-1955）,光子理论，相对论 26岁（1905）,65/71,年轻、知识少不是障碍

16、,原子结构模型 28岁（1913）,海森堡（1901-1976）,创立矩阵力学 24岁（1925）,李政道（1926 ）,弱作用宇称不守恒 30岁（1956）,玻尔（l885-1962）,66/71,年轻、知识少不是障碍,杨振宁（1922 ）,杨米尔斯场 32岁（1954） 弱作用宇称不守恒 34岁（1956）,约瑟夫森（1940）,约瑟夫森效应的理论 22岁（1962）,德布罗意，穆斯保尔，约瑟夫森等人的博士论文研究工作就获得了诺贝尔物理学奖。,67/71,2，培养学生创新的想像力并掌握创新的方法,鼓励学生大胆想像想像是创新的源泉。爱因斯坦:“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素”,