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对“大学物理”的几点思考 精选

已有 9722 次阅读 2023-3-4 08:42 |系统分类:科研笔记

 

1. “大学物理”课程的目的

“大学物理”是给非物理专业的学生开设的一门物理课。非物理专业的学生学习“大学物理”课程的目的是:用物理学的知识、思维方式、研究方法去思考、探索与研究他们自己专业的问题。因此,“大学物理”课程不仅要学习物理学的概念、定律、公式及解题,而且更重要是要学习物理学的思维方式和研究方法。学习完“大学物理”课程后不会思考、探索与研究,不能说这门课程的学习是合格的。

经常能看到教师很投入,在讲台上讲了一头汗,讲台下的学生一片茫然,因为他们中的相当一部分人在想:你讲的内容与我有什么关系?我为什么要学它?

如何让学生上课时不再思考“你讲的内容与我有什么关系,我为什么要学它”这类问题。孙子兵法中讲,知己知彼,百战不殆。教育学中讲,备课要备对象。因此,物理教师要为学生在物理学与专业间搭建一座桥梁,要讲物理学与专业的关系,要教学生会用物理学的知识、思维方式、研究方法去思考、探索与研究他们专业的问题。这是“大学物理”课程教学成功的关键。

2. “大学物理”教学内容重结论轻过

“大学物理”教学内容重结论轻过程,教材内容主要是概念、定律、公式,学生学习后解一些题,加深对概念、定律、公式的理解和简单的应用,这不利于培养学生的思考、探索与研究能力。

我曾经用过一个比喻:天天吃馒头的人不一定会做馒头。做馒头是个过程,馒头仅仅是这个过程的结论。只讲结论不了解过程,是难以培养、训练学生的思维、探索与研究能力的。

重要论点的产生,应该给出关键的判断依据,这样才能方便学生思维,进而培养探索与研究能力。例如,亚历山大里亚时期的天文学家阿里斯塔克(310~230) 哥白尼(1473~1543)提出的日心说要早约1700年。阿里斯塔克用几何方法推算出:“地球到太阳的距离大于地球到月球距离的18倍,但小于其20倍。”“太阳与地球的体积之比大于6859比27,但小于79507比216。”他提出日心说的理由朴素、简单:只可能是小的围绕着大的转,不可能是大的围绕着小的转。既然太阳是宇宙中最大的一个天体,那么宇宙的中心就只能是太阳。阿里斯塔克的基本观点无疑是正确的,但是他的学说超出了当时多数人的认知能力,因此未被当时的人普遍接受。

3. 经典物理学的负面作用

经典物理学的主要研究方法是“抽象与简化”。即,将复杂的、不方便研究的实际问题通过适当的抽象与简化,变成不失本质、便于研究的简单问题。

经典物理学的最主要代表是牛顿。经典力学以清楚的、显著的方式表达了静止的自然观。在这里,时间显然被约化为一个参数,未来和过去是等价的。经典物理学把世界过分地简单化了。它不考虑演化和自然界的多样性,把一切自然之物归入少数几个‘永恒’定律。

爱因斯坦和他那一代的许多物理学家一样,受到一个很深的信念的引导,即相信自然中有一个基本的、简单的层次。相对论未能超越经典物理学的范畴,仍因袭了牛顿物理学的思想:一个静止的宇宙,即一个存在着的、没有演化的宇宙。经典物理学(含相对论)是一种机械论。

我们所处的世界之中,可逆性和决定论只适用于有限的简单情况,而不可逆性和随机性却占统治地位。即,如有人所说:平衡态是万一,非平衡态是一万。“大学物理”课程中讲的大多是平衡态,是经典物理。它们潜移默化地使人的大脑僵化,思维简单化。致使人们很难接受复杂的系统知识。中外都有量子力学的大师提议:将量子力学课程放到中学去。因为到了大学,学生的大脑已经被经典物理学固化,思维简单化。

 4耗散结构

普里高津(1917~2003)提出了耗散结构理论。耗散结构理论说明了远离平衡态是如何产生有序的,指出非平衡态可以成为无序之源。所以耗散结构理论又被称为非平衡态的自组织理论。自组织过程就是系统自己趋向有序结构的过程。

耗散结构理论指出,当系统处于远离平衡态的非线性区时,如果系统某个参量的变化达到一定的阈值,通过涨落以及和外界环境的物质、能量的交换,系统就有可能发生突变,形成能产生有序结构的新状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,需要不断与外界交换物质或能量才能维持,故称“耗散结构”。

耗散结构理论主要研究一个系统从混乱转向有序的机理和条件。只要无机物出现了自组织过程,简单性就会转化为复杂性。例如,一滴水珠是比较简单的,当它变成一朵雪花时,复杂性便展现在我们面前。简单与复杂、无序和有序之间的距离远比人们通常想象的狭得多。在所有层次上,耗散结构是有序的源泉。复杂性不再仅仅属于生物学了,它已经进入物理学领域。

丰富多彩的生命是耗散结构;千变万化的大自然是耗散结构。耗散结构如此的重要,但是物理学家们说起20世纪的重大科学成果时,只讲相对论和量子力学,很少有人讲耗散结构。过去的科学以描述简单性为主,未来科学应以探索复杂性为主。“大学物理”课程应该给耗散结构适当的位置。

 

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