物理理论实验中的科学美和科.及其在大学物理教学中的作用_王卫东.pdf

将物理学所蕴含的科学美和科学精神展现出来,并通过对物理理论和物理实验中的美的体验和科学精神来激发学生学习大学物理的兴趣、丰富大学生们的想象力、提升他们的审美情趣和创新能力,进而提高大学物理的教学成效。关键词:物理学;科学美;科学精神;大学物理;教学;课程思政中图分类号:G427文献标志码:A文章编号:1007-0834(2023)01-0055-040引言不少人对于科学的认识不够全面,认为科学的目的就是求真,就是认识外部现实世界的本质规律。其实科学不但求真而且求美,表面来看二者似有矛盾,因为真诉诸人的理性,美则诉诸人的感性1-2。实际上科学之美无处不在,比如物理概念的精准措辞大家应该深有感触,其中每个字都不可或缺;比如物理实验方法设计的精湛和实验本身的优美,让人不得不佩服科学家的伟大,进而推及物理学家追求科学美时勇于创新的科学精神。物理概念、模型、规律和理论的对称之美、简洁之美、和谐之美以及统一之美3-7,无不给人以美的享受这其中既有科学创造本身的美,又有科学理论和实验蕴涵的美,更有物理学家的科学精神,科学美及科学精神是不可分割的统一体。科学求真,科学求美,二者相辅相成,并无矛盾;科学的目的就是认识和改造世界,而客观世界本身就是美的。同时,科研活动本身凝聚着物理学家严谨、求实、持之以恒、勇于创新等科学精神,通过他人感到了自己的伟大,从而产生愉悦,获得享受,这也是美。物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学。它科学地揭示了自然规律,同时也展示了自然、人类与科学的艺术魅力1-2。物理学作为自然科学中一门成熟的科学,其中蕴藏着丰富的科学美。现代量子力学应用领域的杰出科学家潘建伟曾说过,物理学是美的,物理学的规律是美妙的,如果对美没有什么欣赏力的话,就没有办法提出好的理论5。可见,认识物理美、追求科学美的科学精神不只对物理学习大有裨益,更对大学生创新力的培养具有重要作用1-2,6。1科学美和科学精神在物理理论和实验中的体现1.1物理理论之美和科学精神1.1.1物理理论简洁美和统一美及其科学精神 复杂问题抓住主要问题简单化是物理学研究中常用的方法。物理学家把研究对象一一分割,抽象出最简单的物理模型6,诸如质点、理想弹簧振子、理想单摆、理想气体、点电荷、电力线等,以这些优美的理想模型概括出物质运动的基本规律,变复杂为简单,既简洁又合理。除了抽象的物理模型,很多物理问题可以用相同的数学方法和表达式解决。比如静电场、静磁场、引力场、温度场、密度场等,均满足拉普拉斯方程。从理论形式上看,最小作用量原理将物理定律总结为高度统56 河南教育学院学报(自然科学版)2023 年一的形式、牛顿方程、光学中的费马原理,电磁场的麦克斯韦方程组等均可以由它表示。最小作用量原理以高度统一的形式表达着自然界的规律,因此它被称为第一原理。再举个简单的例子,电阻、电容、弹簧的串并联的计算都可以用相同的数学表达式解决。采用类似数学工具,以极其简洁而严谨的函数关系或明快而直观的数学图线来描绘错综复杂的物理现象,在整个物理学的研究中比比皆是。简单就是美,道出了物理美的本质,也显示了科学的质朴美,简洁美是物理学家永恒的追求2-7。自然界的现象是复杂的,而其本身蕴含的客观规律却是简单的。物理学家总是试图用最简洁的语言,最少的符号,最简单的公式描述客观世界。开普勒三定律、牛顿第二定律、麦克斯韦方程组和爱因斯坦的质能方程都充分显示了这一点3-7。开普勒在寻求“开普勒第二定律”时,苦苦计算了 1 年,却仍得不到结果,他持之以恒才找到问题所在 火星运行速度是不匀的,终于突破仍需再经历精准刻苦计算才得之。他勇于创新,勇于质疑,推翻了神创论,弘扬了科学精神,并为牛顿万有引力提出提供了有力论据,直到现在这个定律还应用在天体探测、卫星发射等领域。还有麦克斯韦方程组,麦克斯韦把复杂的电磁规律建成一个简单对称的理论体系,被誉为自然界最优美的诗,所表现的简洁美令人叹为观止。只要在教学中有意识地加以挖掘、点拨,就会使学生具有科学美的愉悦体验,并在科学美追求中领略和学习物理学家的坚持不懈、克服困难的科学精神5,8。1.1.2物理理论和谐美和对称美及其科学精神 自然界本身是一个和谐的整体,人们在运动中认识世界,在变化中发现不变的东西,从而发现物质运动的内在规律,支持其运行的自然规律也应具有和谐性和统一性。和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理的和谐美一方面表现在其本身组成的结构美以及运动的形式之美。大到天体运动的和谐之美,小到分子原子结构之美,本身就是大自然和谐的交响曲,孜孜以求的物理学家就是美的发现者,去观察它们,诠释它们;物理和谐美的另一方面表现在物理理论的内容协调、自洽和形式匀称3-7,物理学家一直致力于追求这种统一与和谐,许多物理学家在缺乏实验条件和理论依据的情况下,凭着对科学美的鉴赏力,创建了许多全新的理论5。譬如,爱因斯坦依据美的统一原则,分析出广义相对论,但并没有解决引力场同电磁场统一的问题,即相对论不是绝对美的,于是开创了统一场论5。热力学与统计物理学的统一,电、磁规律的统一,时间与空间的统一,物质与能量的统一,实物粒子与场等大的综合与统一,逐步建立起和谐统一的物理大厦6。教学中将物理学统一、和谐美寓于其中,在整体上对物理学有一种认识,学生能触类旁通,相互联系。对称美是指整体各部分之间的相称或对应。科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美。对称美在物理学各种守恒方面表现得淋漓尽致7。能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒等,不仅在物理概念表现出对称性,在数学表达式上也表现出对称之美5,7。不仅如此,物理学家根据自然的对称美揭示很多新的现象,发现了很多新物质,指导了对大自然的探索。比如法拉第根据“电生磁”,坚信“磁生电”,发现了法拉第电磁感应定律;狄拉克预言正电子的存在,并最终被证实;德布罗意根据光的波粒二象性,推测所有实物粒子均具有波粒二象性并被证实,这些都是和谐对称美在指导物理学家孜孜以求地工作3-4。教师在教学中要引导学生从对称的观点认识世界,一方面可以在已有的知识中发现美,另一方面对未知的探究也是有意义的引领。教师更要引导学生体会物理学家不畏艰辛、拼搏奉献的科学精神,进而主动积极完成学习任务。1.2物理实验之美和科学精神 物理学的研究过程中,理论和实验一直都是相辅相成、相互印证的。很多物理学理论都是靠精妙的实验来验证的,因此物理实验之美也是科学美的重要组成部分。在大学物理教学中出现两种速度选择器:一种是带电粒子速度选择器,通过相互垂直的电磁场来筛选某一速度的带电粒子;另外一种分子速率分布实验装置的速度筛选,在真空室中共轴圆盘开两个角度很小的狭缝,通过调节圆盘旋转角速度,得到速度分布。两种方法适用对象不同,但实验设计都非常巧妙,而实验装置和实验规律本身更具简洁美和对称美,令人叹服不已。其中德国物理学家施特恩,用银蒸气分子束实验获得银分子有着确定的速度分布的信息,但未能给出麦克斯韦分子速率分布定律的定量验证结果,在以后的几年里许多物理学家作了技术上的改进,验证结果仍不尽如人意;我国物理学家葛正权经过艰苦跋涉,第一个获第 1 期王卫东,等:物理理论实验中的科学美和科学精神及其在大学物理教学中的作用57 得了此定律的精确验证成果:经过近一年的努力,结果与前人一样毫无进展,面对困难没有泄气,没日没夜地待在实验室里实验、观察、计算、失败、总结,在材料的选择、部件的修改和添加、实验控温及马达转速等方面都作了精心、细致和巧妙的安排。葛正权经过多次重复实验,终于到第 3 年(1933 年)在 Bi2 分解热测量方面,修正了前人的疏忽和错误,使用自己精心修改了的仪器和实验方法,取得了比前人精确得多的结果;由此他获得美国物理学会和数学学会奖给的金钥匙各一把。葛正权的物理实验成功和刻苦耐劳创新精神闻名欧美,改变了中国学者在外国人眼中“中国留学生只会读书不能动手”的印象,为祖国争了光,也为强国奉献了自己:他学成即回国,成为中国制氧工业先驱,为国内制氧工业奠定了基础;创建中国第一个雷达研究所,开拓了我国雷达的研究和应用;在物理学教学和应用方面培养了许多人才。赫兹是物理学发展中一个杰出的实验物理学家,麦克斯韦根据电磁理论预言电磁波的存在,电磁波的速度是光速。赫兹用莱顿瓶做振荡放电实验,证明了电磁波的存在,而且证明了光具有的特性电磁波也均具有。他坚信他实验中的电火花就如同黑夜里令人陶醉的星星,能够发出不同频率的电磁波。而且,他的导师亥姆霍兹的研究工作指导了他发现电磁波存在的实验研究。这一系列创造性的实验研究不仅直接证明了麦克斯韦电磁场理论,而且充分证明了电磁波和光的统一性4,并得到广泛的承认和接受。因此,物理学又一个统一美“电磁波具有光的所有特性”被赫兹揭示出来了。这样,赫兹不仅证明了电磁场理论的正确,而且导致无线电技术的产生,开辟了电子技术的新纪元。迈克尔逊干涉仪也是物理实验之美的典型代表。迈克尔逊实验的初衷是寻找以太,实验的零结果导致了狭义相对论的产生。最近迈克尔逊干涉仪又结硕果,激光干涉仪直接观测到了引力波的存在,证实了爱因斯坦的预言。这样两种彼此和谐共存的理论统一在一类实验中,足见物理实验的和谐统一之美。物理实验之美贯穿着物理学发展的历史。物理实验精湛的设计和实施,时刻体现着物理学家的高度审美力、丰富想象力、持续创新力和坚韧不拔的科学精神。2物理理论和实验中的科学美和科学精神在大学物理教学中的作用2.1激发学习兴趣、提高学习效率 很多理工科大学生认为物理难学,将物理视作难以逾越的高山。原因在于学生缺乏学习兴趣和努力,兴趣是最好的老师,努力是学习的前提。教学实践证明2,4,教学过程中渗透物理美教育能够激发学生的学习兴趣,学生能感受到物理现象、实验、理论之美,学习物理学家们勇于探索、克服困难,以及强国心和爱国志的科学精神8-9,进而转化为主动探究未知世界的动力,激励大学生有责任担当地努力完成学习任务的坚强决心和信心,提高学习效率。2.2促进知识的理解与掌握、促进创造性思维的培养 教师在教学过程中运用建构主义教育理论,引导学生对所学知识进行比较、分类组合、适当整合,建立自己的知识结构体系,从整体上把握知识,达到对知识的精化和深化4。科学美素质教育可以使学生头脑中原来那些孤立、零星的知识串通为相互作用的系统知识,达到和谐统一美,形成知识群纵横交错的完美的知识网络结构。一方面促进学生对知识的理解与掌握;另一方面启发学生解决问题时不满足已有的结论,体验简洁美,利用对称美,去探索更巧妙、更简单的方法。经过这些创造性的学习活动,就能促进大学生创造性思维的培养。2.3激发师生的教学情绪、提高教学效果 教学过程教师要善于发现物理之美,积极传播物理之美。教师有了对美发现、追求之科学精神,对教学工作产生极大的兴趣和热情,把全部精力投进去,深入钻研教材,研究教法,掌握教学规律,努力挖掘教材所包含的理性之美。精心设计教学过程,使学生也充分感受到美之所在。通过寓教于乐,师生互动就会将美育有机地融合在物理教学中,进而提高教学效果。总之,物理之美无处不在,教师要以身作则,善于发现美、总结美,进而在平时物理教学中让物理本身美和物理学家科学精神全面展现在学生面前,陶冶他们的情操,激发他们对物理的学习热情,促使他们学好物理,进而提高他们自主能力、分析问题解决问题能力、创新能力。参 考 文 献1施大宁.贯彻通识教育原则 拓展大学物理教学内涵J.中国大学教学,2010(11):35-3658 河南教育学院学报(自然科学版)2023 年2施大宁.科学与艺术 聚散两相依J.南京邮电学院学报(社会科学版),2004(2):1-53包景东.物含妙理M.北京:清华大学出版社,2018:53-584郭巧能,秦立,杨静,等.科学美感培养与信息技术运用融合下的混合式教学模式探究J.物理与工程,2021,31(6):183-1905郭巧能,朱文浩,胡良魁,等.论在力学教学中提高学生学习兴趣的方法J.新乡学院学报,2020,37(4):73-766杨仕娥,郭巧能,赵维娟,等.实施物理学美育,培养学生创新力J.河南教育学院学报(自然科学版),2013,22(2):57-607段秀芝,户立春,窦超,等.大学物理中的美育研究J.科技风,2022(20):7-98刘玉颖,刘巍,陈奎孚,等.大学物理课程融入思政教育的实践与探索J.物理与工程,2021,31(Z1):129-1349朱锦,郑渊方.物理实验的美丽 以卢瑟福原子结构实验为例J.物理通报,2021(12):4-6Scientific Aesthetic and Scientific Spirit in Physics TheoryExperiment and Its Role in College Physics TeachingWANG Weidong1,GUO Qiaoneng1,ZHU Xizhou2(1.School of Physics,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China;2.School of Marxism,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)Abstract:The scientific aesthetic and scientific spirit contained in physics are displayed,and the experience of beauty in physics theory and physics experiment is used to stimulate students interest in learning college physics,enrich the imagination of college students,enhance their aesthetic taste and innovation,and then improve the teaching effect of college physics.Key words:physics;scientific aesthetic;scientific spirit;college physics;teaching(上接第 39 页)参 考 文 献1威链优创.软件测试技术实战教程:敏捷、Selenium 与 JmeterM.北京:人民邮电出版社,2019:160-1792张辉.Web 系统的性能测试技术研究J.计算机时代,2021(10):28-313朱少民.软件测试M.2 版.北京:人民邮电出版社,2016:165-1714张华,韩小波,王成飞.综合电子信息系统软件性能测试监控数据分析J.电子质量,2021(7):73-765张晶,张小军,银朋.基于“课程+平台”的创新能力培养模式研究 以河南财政金融学院软件学院学生创新能力培养为例J.河南教育学院学报(自然科学版),2021,30(4):55-586刘长欣,郭改文.利用虚拟仿真技术提升实践教学的时效性J.河南教育学院学报(自然科学版),2019,28(4):64-677BINDU BHARGAVI S M,SUMA V.A survey of the software test methods and identification of critical success factors for automationJ.SN Com-puter Science,2022,3(6):1-9Analysis on Performance Test Results for ECShop SystemZHANG Jing,TIAN Di(College of Software,Henan Finance University,Zhengzhou 450046,China)Abstract:Performance test plays an important role in software quality assurance.Based on the performance test re-quirements,analyzed the performance test methods,performance test indicators,test environment configuration,recording scripts,script enhancement and other contents of ECShop system.And the performance test tool JMeter was used to conduct the performance test for ECShop system.The test results showed that the performance test is helpful to find the performance defects in the system and to provide a basis for optimizing the system.Key words:performance test;stress test;number of concurrent users;response time;ECShop system