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1、深刻理解基本概念是青年教师必备基本功 摘 要：当前，一些高校青年老师的学术素养和授课水平尚存在诸多不尽如人意之处，特殊是在基本概念的理解和把握方面仍有很大的改进空间。本文认为，正确、严谨地驾驭基本概念是青年老师提升自身水平、保证教学质量的基本前提。 关键词：青年老师；基础物理教学；基本概念 为了激励青年老师投身基础物理教学、沟通教学阅历、提升教学质量，2022年教化部高等学校高校物理课程教学指导委员会和高等学校物理类专业教学指导委员会联合中国物理学会物理教学委员会举办了首届全国高等学校物理基础课程青年老师讲课竞赛。笔者观看了上海赛区初赛的全程录像，对目前高校青年老师基础物理教学的现状有很多感想
2、和体会。现在整理成文，以期与物理教学界同行沟通探讨。 一、正确性是第一要务 课堂教学是学问传授的重要过程，学问的正确性是最为基本的要求。就物理课程而言，老师本人对基本物理概念、物理图像和物理规律的正确驾驭是第一要务。然而，恰恰在这一基本要求方面，相当多的老师存在肯定的甚至是较大的差距。例如，一位参赛老师在讲解“麦克斯韦速率分布”时，所用的PPT上显示“速率分布函数f 表示分子速率分布在某区间 内的概率”，“f的含义是分子具有速率区间值的概率；或具有区间值的分子数占总分子数的一百零一分比”。这就反映出这位老师连分布函数f的量纲都未弄清晰，不知道fdv 才是分子处于 区间内的概率，而f 是分子速率
3、在v旁边单位速率间隔的概率。这位老师的讲解并描述只能使学生形成错误的概念。 就基础物理教学而言，熵是一个老师难教、学生难学的学问点，往往会挑战任课老师的真知实学和讲授技能，特殊是对相关基本概念的理解和驾驭，稍有不慎就会出错。就这个学问点而言，清晰相识过程量和状态量是首要的前提。这次一位以此为题参赛的老师果真就出了问题。这位参赛者由卡诺定理动身，试图通过克劳修斯不等式引进熵的概念。这当然可行，事实上许多教材都是这么做的。问题是这位老师将卡诺机与高温热源及低温热源交换热量的热温比Q1/T1及Q2/T2分别当作体系初态及终态的热温比，这就将热量这个过程量当成了状态量，就从根本上弄错了。事实上，这里的
4、Q1/T1是卡诺机与温度为T1的高温热源相接触做等温膨胀汲取热量Q1这一过程中的热温比，而Q2/T2是卡诺机与温度为T2的低温热源相接触做等温压缩释放热量Q2这一过程中的热温比，都不是状态的性质。热量Q是过程量，不是状态量。对热力学系统的状态而言，Q并无任何意义。不仅如此，这位老师又从这个错误的相识动身将热温比当成初始和终了状态的熵，并由克劳修斯不等式得到Q2/T2 Q1/T1，从而论证熵增加原理。这种说法不符合熵的基本概念以及与熵相关的基本物理原理。熵是状态函数，这里热温比不是状态函数，因而不是熵，但可反映过程中熵的改变。通常对可逆过程用微热温比在初、终态之间的积分表示终态对初态熵的增量，这
5、与简洁地将热温比叫熵完全是两回事。至于熵增加原理，通常的表述是，孤立体系的熵不削减。而在卡诺热机情形下，热机运行要与热源交换热量，当然不是孤立体系。这位老师出错，是由于对基本概念的驾驭方面尚有欠缺。 除此之外，竞赛中还出现闪电前必闻雷声、振子在水平面上可不计摩擦之类的说法，若非临时语误的确难以理解，值得重视。 二、严谨、精确不行或缺 科学类课程课堂讲授的另一要点是严谨、精确，避开任何模糊、混淆。这对作为基础科学的物理学尤为重要。否则，会严峻影响教学效果，达不到课程应有的要求。在这一方面，青年老师依旧任重道远。 有位参赛者在讲解并描述角动量时从回顾线动量入手，大致说应用线动量描写质点平动或直线运
6、动比较便利，而在作曲线运动时用动量虽然也可以，但不恰当，此时应采纳角动量云云。这段开场白有几点值得商榷。首先，平动这一概念只适用于刚体，质点无所谓平动。其次，刚体作曲线运动仍可以是平动而不肯定只是转动。这表明这位老师对质点和刚体运动的联系和区分并不非常清楚。更为重要的是，即使对质点而言，当做直线运动时仍有角动量；而作曲线运动时依旧有线动量。线动量与角动量两者并无定义域方面相互排斥之处。举一个例子。设想一质点在平面上运动，沿X方向为匀速直线运动，而在Y方向作简谐运动，其轨迹为正弦曲线，当然为曲线运动。无疑，对此质点用线动量描述其运动状态不仅“可以”，而且“恰当”。从概念上讲，动量与角动量本质上是
7、相互独立的不同的物理量；相应的守恒律也源自物理体系不同的空间对称性。动量守恒源自空间的匀称性，而角动量守恒则源自空间的各向同性。不过，两者对不同的详细问题的应用有不同的优势。例如，在爆炸、碰撞等问题中用动量的概念比较简单；而对圆周运动之类的问题，包括微观和宇观领域，角动量则发挥着独特的作用。因此，在基础物理教学范围似没有必要将两者对比，更没有必要以对线动量的“批判”作为引入角动量的前提。详细引入角动量其实可以匀速圆周运动为例，说明引进角动量可使要探讨的问题图像简洁、明白，易于解决。对于同一问题，采纳不同的物理量处理的难易程度不同。例如，只涉及初、末态而其间过程的动力学过于困难的问题宜用机械能守
8、恒而不用牛顿其次定律。 另一个例子是关于热力学其次定律的统计意义。通常，授课老师都举四个全同分子作体积加倍的真空膨胀的例子。有两位参赛选手也都以此为例，并且以匀称分布宏观态的概率6/16大于4个分子都回到原来半边空间的概率1/16而认定自发过程向概率大的方向进行。事实上，4个分子都又回到原来半边的初始状态的概率1/16并不很小；只要时间长一些，是可以见到这个系统又回到原来状态的。但是，假如分子越来越多，那么全部分子重又回到原来状态的机会就越来越小。四个分子例子的关键意义在于表明，体系回到原来状态的可能性随着分子数的增加急剧减小。对于包含分子数极其巨大的体系，这种自发膨胀的过程就变成不行逆的了。
9、但这两位选手都没有指出这个例子的实质在于反映热力学体系的特点：体系包含千万亿亿量级的分子，因此，逆向过程的概率实际为零。 再如一位讲解并描述 “光学仪器的辨别本事”的参赛者首先定性介绍了夫琅禾费圆孔衍射，但除去PPT上出现夫琅禾费字样外，没有说明什么是夫琅禾费衍射，没有强调夫琅禾费衍射的平行光的条件和试验装置中透镜的作用是将无穷远的衍射图样转移到透镜的焦平面上来视察；也没有指出反射式光学望远镜的反射镜起的也是和透镜一样的作用，而望远镜的透镜和反射镜的边缘起了衍射圆孔的作用。在讲完艾里斑和瑞利判据后，这位参赛者又举了几个旨在提高辨别率的例子，但所举的几个例子都值得质疑。第一个例子是依据艾里斑和瑞
10、利判据说明提高显微镜的辨别率的一个途径是运用短波长光源。但是，显微镜的物不在无穷远处，这里如何能运用夫琅禾费衍射得出的公式必需加一些必要的说明。参赛者又说，光学显微镜波长是0.2m。估计这是指波长的下限，但这也不恰当。姑且不论运用紫外光的显微镜的实际困难，0.2m已远超出常用的近紫外区的360380nm范围而处于真空紫外区的边缘。可能是这位参赛者将光学显微镜采纳可见光的最小辨别距离当成了最短波长。无论如何，都反映相关概念的模糊不清。这样就会误导学生，更会影响到学生严格科学看法的养成。 由于课时等缘由，在实际教学活动中不行能每个问题都在课堂上具体讲解，但只要老师提及，都必需作合适的交代，或要求学
11、生课外自行阅读相关的参考书籍或资料。在讲清晰基本概念的基础上，留下一些问题，也可能对学生有所启发。 三、博览群书，多做探讨 可以看出，一些青年老师物理基础尚不扎实，特殊是对基本概念理解不深甚至存在错误。究其缘由，或可追溯到他们本科阶段的学习，甚至还可以追溯到中小学阶段的学习过程，以及他们的老师的教学水平和教学思想。现在，不少学校教学注意死记硬背，采纳题海战术；读书不求甚解，甚至不求理解，只要能练就一手机械的照葫芦画瓢的做题本事就成。所谓培育学生创新实力完全是一句空话，骗人骗己而已。 基本概念是做学问、做老师的基础。纵观全国高等学校物理基础课程青年老师讲课竞赛，我们剧烈感到，青年老师必需虚心学习
12、，努力提高自己的学术水平，真正理解物理学的基本概念，真正驾驭所讲授的物理内容。另外，青年老师还要开阔自己的学术视野。由于各种主客观因素的限制，青年老师未必能做到博览群书，甚至教学参考资料往往仅局限于一本教材，而教材又未必尽如人意，甚至存在不妥之处。倘如老师深信不疑，就会以讹传讹，不能很好地保证教学质量。一个典型的例子就是，相当多从事高校基础物理教学的老师都把电力线的数目和电通量混为一谈，就是因为有的书上就是这么写的，没有区分一个纯数和一个有量纲的物理量。 应当提倡多读书，不仅要读与教材属同一类 型的书，也要读更高一级的书。书读多了，遇到问题就能自己通过思索找出正确的答案。所谓读书破万卷，下笔如
13、有神就是这个道理。费恩曼物理学讲义、伯克利物理教程等都是世界闻名的基础物理教材，从初版至今都已有50 年左右的历史了。现在，这些教材还在不断修订重版，值得青年老师重视、参考。与此同时，高校领导也要为以从事基础课教学为主要任务的青年老师创建条件，让他们尽可能参与一些学术性探讨。有关方面还可以常常组织一些科学报告会，请各方面的专家学者为青年老师做一些物理学最新发展的报告。这样有助于青年老师站得高、看得远，从而扩大青年老师的视野，也能加深对物理学的相识和理解。还可以定期组织教学研讨会，由青年老师自己报告、沟通、探讨教学内容和教学方法，提高教学和科学水平。 在条件好的学校，多数担当基础课教学工作的青年
14、老师都有科研项目。他们中很多人在国外获得博士学位，对于当前物理学前沿探讨有比较多的了解，回国以后能在国外探讨的基础上接着探讨，与国际接轨。但是，多数人终归缺乏基础课教学阅历，而且也不是每个人的物理基础都很扎实，基本概念都很清晰，应当虚心学习，主动钻研基础课教学。要成为优秀老师和物理学家，绝不能对基本物理概念一知半解。对物理学基本概念全面深刻的理解，也有助于开阔创建性思路，使科学探讨更上一层楼。 上好基础课，提高基础课的教学质量涉及很多方面。除任课老师本人外，相关主管部门和服务部门乃至学生都要发挥主动作用，事实上是一项系统工程。即使课堂教学本身，也非短短一篇文章所能概括。这里笔者只能挂一漏万，仅就旁观讲课竞赛的感想略述一二。虽然讲课竞赛反映出目前高校教学中存在的一些问题，但同时也呈现出更多的主动因素，例如青年老师普遍有提高教学质量的剧烈愿望和热忱。我们希望这类竞赛能够持续办下去。 责任编辑：夏鲁惠 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页