基础物理教学的四个理念课件

基础物理教学的

四个理念清华大学物理系陈泽民2006.71基础物理教学的

四个理念清华大学物理系1物理教学的四个理念物理教学的改革和课程建设要有正确的理念做指导，有的理念在教学改革的一定阶段很重要，有的理念则应贯穿于物理教学的始终，并长期起作用。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。2物理教学的四个理念物理教学的改革和课程建设要有正确的理念做指物理教学理念之一爱因斯坦：“兴趣是最好的老师。”3物理教学理念之一爱因斯坦：3物理教学理念之一请注意：兴趣是最好的老师，我们都不是。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。

4物理教学理念之一请注意：4物理教学理念之一有了兴趣学生才能主动而非被动地学习，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：5物理教学理念之一有了兴趣学生才能主动而非被动地学习，学习才能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”61，从现象出发把五彩缤纷、美妙神奇的物

理世界展现激发学生的好奇心和求知欲帆船逆风行驶7激发学生的好奇心和求知欲帆船逆风行驶7激发学生的好奇心和求知欲峨眉山金顶佛光8激发学生的好奇心和求知欲峨眉山金顶佛光8激发学生的好奇心和求知欲梳子吸引水流上海交大9激发学生的好奇心和求知欲梳子吸引水流上海交大92，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。使学生觉得物理学新颖、深刻、有用，从而提高学习物理的兴趣。102，要实现基础与前沿、经典与现

代、理论与应基础联系前沿：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：11基础联系前沿：逃逸速度—黑洞理论联系应用：11

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（Capecod）的相控阵雷达照片12

光栅衍射相控阵雷达设在澳大利亚Sydney大学设在

迈克耳逊干涉仪光学相干CT光源电子学系统计算机探测器光纤耦合器样品光纤聚焦器反射镜具有微米量级的空间分辨率13迈克耳逊干涉仪光学相干CT光源电子学系统计算机探测器光兔子眼球前部的OCT图像大葱表皮的OCT图像晶状体上皮睫状体角膜后表面角膜前表面兔子眼球前部的OCT图像14兔子眼球前部的OCT图像大葱表皮的OCT图像晶状体特征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年含铁量比铜矿少，硫化处理—防锈Cu-Sn-Pb合金—锋利用质子激发X射线分析各部分成份15特征X射线越王勾践剑的分析湖北江陵出土，在地下埋藏了大洛仑兹力磁流体船B电流BF海水进水出水发动机接发电机IF电极16洛仑兹力磁流体船B电流BF海水进水出水发动机物理规律之美

物理学的本质是真－客观规律、真理

物理学的价值是善－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17物理规律之美3，讲出物理规律之美，并联系历史，

物理规律之美麦克斯韦方程－统一对称之美相对论－和谐自洽之美自由空间的电磁波方程：X,y,z,ict的整齐平衡和4维空间的对称之美18物理规律之美麦克斯韦方程－统一对称之美自由空间的电磁波方程：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。19物理规律之美杨振宁对牛顿运动方程、麦克斯韦方程、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，•••

）：20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

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。21

波－粒二象性—

寓于一体又不物理规律的对称性—

一定变换下的不变性艺术中的对称性22物理规律的对称性—

一定变换下的不变物理规律的对称性—

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(张琏下联)23物理规律的对称性—

一定变换下的不变性评论杨振宁对Dirac方程的评论：“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》24评论杨振宁对Dirac方程的评论：“这个简单的方程是惊天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。”

25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爱因斯坦在1918年4月普朗克六十岁生日庆祝会上的一段讲话：他成了一个以伟大的创造性观念造福于世界

：有人爱科学是为了满足智力上的快感；“在科学的殿堂里有各种各样的人：有的人是为了纯粹功利的目的。而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律，……的人。”26爱因斯坦在1918年4月普朗克六十岁生日庆祝会上的一段讲话：杨振宁对吴健雄的评论27杨振宁对吴健雄的评论27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格的‘专家’，事实上的确不是，但始终是个艺术家。”28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。29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贴近生活激光使闪电改道汽车--静电屏蔽30贴近生活激光使闪电改道汽车--静电屏蔽30贴近生活蝙蝠超声波定位(10万赫兹)人体心脏附近的等势线31贴近生活蝙蝠超声波定位人体心脏附近的等势线31贴近生活引潮力常触发地震1976.阴7.2，唐山1993.阴8.15，印度1995.阴12.17，神户2001.阴2.1，四川雅江2001.阴2.2，印尼万有引力－月球对地面上海水的引潮力钱塘江大潮32贴近生活引潮力常触发地震1976.阴7.2，唐山199贴近生活▲强热带风暴漩涡的形成。北半球的科氏力▲落体偏东。与科里奥利力有关的问题▲赤道附近的信风（北半球东北，南半球东南）。33贴近生活▲强热带风暴漩涡的形成。北半球的科氏力▲落贴近生活熵与生命---耗散过程热平衡----死亡薛定谔：生命是什么?“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到‘负熵’”“有机体是依赖负熵为生的”----生命的热力学基础高熵---混乱34贴近生活熵与生命---耗散过程热平衡----死亡薛贴近生活弧线球（香蕉球）受力分析35贴近生活弧线球（香蕉球）受力分析354，把计算机引入物理课程的学习，

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。364，把计算机引入物理课程的学习，

用计算机模拟、物理教学理念之二杨振宁：“现象是物理学的根源。”37物理教学理念之二杨振宁：37物理教学理念之二杨振宁：“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。”38物理教学理念之二杨振宁：38物理教学理念之二观察现象，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。要把观察现象作为物理教学的重要环节。39物理教学理念之二观察现象，研究现象，揭露现象背后的本质和规律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。40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观察现象磁悬浮41观察现象磁悬浮41观察现象42观察现象42观察现象共振43观察现象共振43观察现象全息图像44观察现象全息图像44启迪思维45启迪思维45启迪思维磁悬浮与磁悬挂46启迪思维磁悬浮与磁悬挂46启迪思维钢管向中心移动47启迪思维钢管向中心移动47启迪思维翻转陀螺48启迪思维翻转陀螺48显示原理角动量守恒49显示原理角动量守恒49显示原理势能—转动能50显示原理势能—转动能50验证理论同济大学51验证理论同济大学51验证理论“拍”的产生52验证理论“拍”的产生52验证理论进动热辐射53验证理论进动热辐射53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。54物理教学理念之二演示实验厅54物理教学理念之三海森堡：“科学扎根于讨论。”55物理教学理念之三海森堡：55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。”56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...57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，58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。59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。60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例2.细绳突然断开刚体如何转动？细绳mmAB质心C分析得对吗？看看实验。61例2.细绳突然断开刚体如何转动？细绳mmAB质心C分析得通过讨论课，激发学生研究更深层次问题？？？?？？讨论课通过讨论课，学生在杂志上发表了论文。如“关于乒乓球滚动问题的讨论”，“物理与工程”顾黎（电子系），指导教师：马万云62通过讨论课，激发学生研究更深层次问题？？？?？？讨论课通过讨物理教学理念之四李政道：“物理学的精髓在于创新。”63物理教学理念之四李政道：63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。物理学研究的是最基本的自然规律，规律的发现、理论的提出，只有第一，没有第二。掌握物理学的精髓，最重要的就是学会创新。64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，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。65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651，要有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，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

661，要有创新的意识和勇气喜欢标新立异，不墨守成规。66要有创新的意识和勇气“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。67要有创新的意识和勇气“提出一个问题往往比解决一个问题更培养学生的创新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。68培养学生的创新意识和勇气少年儿童天生就富于想像，喜欢创造，无培养学生的创新意识和勇气3000年前的一个哲人曾经说过：学生的头脑不是一个待被填满的容器，而是一个需要被点燃的火种”。什么火种？求知的火种，创造的火种。我们的任务是点燃这些火种。求知的火种可以用兴趣和责任感去点燃，创造的火种用什么去点燃？解放思想！69培养学生的创新意识和勇气3000年前的一个哲人曾经说过：学生培养学生的创新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。70培养学生的创新意识和勇气教学中要：少一些限制，多一些自主；7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。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。72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73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＋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）74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年轻、知识少不是障碍玻尔（l885-1962）

原子结构模型

28岁（1913）海森堡