大學(xué)物理到底該怎么學(xué)？聊聊工科教育背后的那些事兒

大家好，我是李永樂。

最近有很多同學(xué)在后臺(tái)給我留言，說大學(xué)物理太難學(xué)了。公式看不懂，推導(dǎo)跟不上，考試更是像在“渡劫”。尤其是工科院校的同學(xué)們，大家往往覺得物理只是一門必須要過的“基礎(chǔ)課”，跟自己的專業(yè)——比如計(jì)算機(jī)、土木或者機(jī)械——好像并沒有太大的關(guān)系。

今天，我就結(jié)合目前工科院校大學(xué)物理的教學(xué)現(xiàn)狀，和大家好好聊聊這個(gè)話題。我們來看看為什么物理這么難，又該如何通過教學(xué)和學(xué)習(xí)方法的改革，讓這門課真正變得有用起來。

工科物理的“尷尬”處境

我們先來分析一下現(xiàn)狀。在很多應(yīng)用型本科院校，大學(xué)物理這門課其實(shí)挺“委屈”的。

一方面，物理學(xué)的理論體系非常龐大。從經(jīng)典力學(xué)的牛頓三定律，到電磁學(xué)的麥克斯韋方程組，再到近代物理的量子力學(xué)和相對(duì)論，每一個(gè)部分都充滿了深邃的智慧。比如描述電磁場(chǎng)變化的麥克斯韋方程組：

\[ \nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0} \]

\[ \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \]

\[ \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \]

\[ \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0\mathbf{J} + \mu_0\varepsilon_0\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \]

這些方程組不僅優(yōu)美，更是現(xiàn)代通信、電子技術(shù)的基石。但是，在很多工科院校的實(shí)際教學(xué)中，大家往往把重點(diǎn)放在了經(jīng)典物理上，對(duì)于這些更加貼近現(xiàn)代科技的近代物理內(nèi)容，反而涉及較少。

這就導(dǎo)致了第一個(gè)問題：教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)需求聯(lián)系不緊密。

很多同學(xué)學(xué)了半天，只會(huì)算滑輪怎么轉(zhuǎn)、小球怎么滾，一旦涉及到自己專業(yè)里的實(shí)際問題，比如芯片內(nèi)部的電子輸運(yùn)，或者橋梁共振的復(fù)雜模型，就不知道該怎么用物理知識(shí)去解決了。大家會(huì)產(chǎn)生一種“學(xué)無所用”的想法，厭學(xué)情緒自然就滋生出來了。

這就好比給了你一把屠龍刀，卻只讓你去切菜，久而久之，你自然會(huì)懷疑這把刀的價(jià)值。

另一方面，隨著社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才需求的增加，高校普遍加大了專業(yè)課和技能課的比重。這本來是好事，但帶來的副作用是大學(xué)物理的課時(shí)被大大壓縮。

以前可能要講兩學(xué)期的內(nèi)容，現(xiàn)在往往一學(xué)期就要講完。老師為了趕進(jìn)度，只能快速過一遍公式；學(xué)生為了應(yīng)付考試，只能死記硬背。物理這門課，本應(yīng)是用來培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)和邏輯思維的，最后卻變成了單純的“背誦課”。這實(shí)在是很可惜。

此外，師資力量的配置也存在一些不盡如人意的地方。部分新建本科院校物理教師資源比較緊缺，有時(shí)候會(huì)聘請(qǐng)外聘教師或者兼職老師來上課。外聘老師可能對(duì)學(xué)校的學(xué)生情況不夠了解，兼職老師又可能因?yàn)榫�力有限，很難在課后給同學(xué)們提供充分的輔導(dǎo)。這些因素疊加在一起，使得物理課的教學(xué)效果大打折扣。

還有一點(diǎn)，就是教學(xué)方式和考核手段比較單一。很多老師還是習(xí)慣于“滿堂灌”，PPT一頁頁翻，黑板上的公式一行行寫，缺乏互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)課程安排得也比較少，或者設(shè)備陳舊，大家只是按部就班地照著實(shí)驗(yàn)冊(cè)上的步驟操作一遍，記錄個(gè)數(shù)據(jù)就結(jié)束了。這種單一的考核方式，很難激發(fā)出大家的探索欲，也培養(yǎng)不了真正的動(dòng)手能力。

我們需要什么樣的老師？

要改變這種現(xiàn)狀，首先要解決人的問題。

應(yīng)用型本科院校的目標(biāo)，是培養(yǎng)能夠直接從事某種職業(yè)或生產(chǎn)勞動(dòng)的技能型人才，而不是純理論的研究者。這就要求我們的物理老師，既要有扎實(shí)的理論功底，又要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

試想一下，如果講流體力學(xué)的老師，曾經(jīng)真的參與過汽車外形設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)模擬；講熱力學(xué)的老師，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱系統(tǒng)有著深入的了解。那么在課堂上，他們就能信手拈來生動(dòng)的案例，告訴大家這些公式在工程實(shí)際中是怎么用的。

這就是我們常說的“雙師型”教師。他們能把理論和實(shí)際緊密聯(lián)系起來，引導(dǎo)大家用物理學(xué)的眼光去觀察工程問題。

比如，在講角動(dòng)量守恒的時(shí)候，老師可以結(jié)合直升機(jī)的尾槳結(jié)構(gòu)來講解：

\[ \mathbf{L} = \mathbf{I} \cdot \boldsymbol{\omega} \]

主旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生巨大的角動(dòng)量，根據(jù)守恒定律，機(jī)身的反方向必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。為了抵消這個(gè)扭矩，必須設(shè)計(jì)一個(gè)尾槳。這不僅僅是物理原理，更是實(shí)實(shí)在在的工程設(shè)計(jì)。

只有這樣的老師，才能帶動(dòng)同學(xué)們?nèi)ニ伎迹�去把書本上的知識(shí)變成解決實(shí)際問題的能力。

分層教學(xué)：因材施教的新嘗試

除了師資力量的優(yōu)化，教學(xué)模式的改革也勢(shì)在必行。目前很多高校都在嘗試“分層分專業(yè)教學(xué)”。

大學(xué)物理是初高中物理的升級(jí)版。以前我們用代數(shù)算物理，現(xiàn)在我們用微積分算物理。比如速度的定義，從 \( v = \frac{s}{t} \) 變成了 \( v = \frac{dx}{dt} \)。這種工具的升級(jí)，是為了描述更加復(fù)雜的物理本質(zhì)。

\[ \mathbf{F} = \frac{d\mathbf{p}}{dt} = m\frac{d\mathbf{v}}{dt} + \mathbf{v}\frac{dm}{dt} \]

然而，不同專業(yè)的同學(xué)，對(duì)物理基礎(chǔ)的需求是不一樣的。

對(duì)于機(jī)械、土木專業(yè)的同學(xué)，力學(xué)部分可能是重中之重；對(duì)于電子信息、通信工程的同學(xué)，電磁學(xué)和光學(xué)則是核心；而對(duì)于材料科學(xué)專業(yè)的同學(xué)，熱學(xué)和量子物理可能更加關(guān)鍵。

如果所有專業(yè)都學(xué)一模一樣的課本，考一模一樣的卷子，顯然是不科學(xué)的。

這就要求學(xué)校制定符合本校實(shí)際的教學(xué)大綱。針對(duì)不同專業(yè)，設(shè)定不同的教學(xué)模塊。比如對(duì)文科背景或者對(duì)物理要求較低的專業(yè)，可以側(cè)重于物理思想的普及和科學(xué)史的教育；對(duì)工科背景較深的專業(yè)，則需要加強(qiáng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和定量計(jì)算的訓(xùn)練。

分層教學(xué)的本質(zhì)，是尊重差異。它承認(rèn)了不同學(xué)科、不同學(xué)生之間存在的客觀區(qū)別，通過定制化的課程體系，最大限度地提高每個(gè)同學(xué)的綜合素質(zhì)。

讓物理“動(dòng)”起來：多媒體與DIY實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)在的學(xué)生，是互聯(lián)網(wǎng)原住民。傳統(tǒng)的板書教學(xué)雖然經(jīng)典，但在展示復(fù)雜的物理過程時(shí)，確實(shí)存在局限性。

這時(shí)候，現(xiàn)代化教學(xué)手段就派上用場(chǎng)了。

比如講波動(dòng)光學(xué)中的干涉衍射，光波的疊加是非常抽象的。如果我們利用Flash或Authorware等軟件制作一個(gè)動(dòng)態(tài)課件，在屏幕上實(shí)時(shí)演示兩列波如何疊加形成明暗相間的條紋，大家理解起來就會(huì)容易得多。

再比如講狹義相對(duì)論的“尺縮效應(yīng)”和“鐘慢效應(yīng)”，光靠語言描述很難想象。如果用動(dòng)畫展示高速運(yùn)動(dòng)的飛船在地面的觀察者眼中是如何變形的，那種視覺沖擊力能把抽象的概念瞬間印在腦海里。

\[ L = L_0 \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} \]

\[ \Delta t' = \frac{\Delta t}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} \]

除了看動(dòng)畫，更重要的是動(dòng)手做。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是提高實(shí)踐能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)在有一些很棒的創(chuàng)新做法，比如引入DIY思想。

以前的實(shí)驗(yàn)課，老師把儀器調(diào)好，學(xué)生來測(cè)個(gè)數(shù)據(jù)，這叫“驗(yàn)證”。現(xiàn)在，我們提倡“設(shè)計(jì)”。老師給出一個(gè)任務(wù)，比如“測(cè)量一根金屬絲的楊氏模量”，至于用什么方法、搭什么裝置，讓學(xué)生自己去查資料、自己設(shè)計(jì)方案、自己動(dòng)手搭建。

在這個(gè)過程中，學(xué)生會(huì)遇到各種意想不到的問題。傳感器可能不靈敏，支架可能不穩(wěn)，數(shù)據(jù)可能偏差很大。正是這些“失敗”的經(jīng)歷，最能鍛煉大家分析問題和解決問題的能力。

當(dāng)你親手把一個(gè)個(gè)雜亂的元器件搭成一個(gè)能工作的電路，或者親眼觀測(cè)到了電子的雙縫干涉圖樣時(shí)，那種成就感是刷十道題都換不來的。

通過實(shí)驗(yàn)，大家能把書本上那些冰冷的符號(hào)，變成指尖真實(shí)的觸感。這不僅加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，也為以后從事工程研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

物理是思維的磨刀石

大學(xué)物理不僅僅是一門課程，它更是一種思維方式訓(xùn)練。

它教會(huì)我們?nèi)绾螐募姺睆?fù)雜的現(xiàn)象中抽象出簡(jiǎn)潔的模型，如何用嚴(yán)密的邏輯去推導(dǎo)未知的結(jié)果，如何用實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證理論的真?zhèn)巍�無論你未來是做工程師、程序員，還是投身金融、管理，這種理性的思維方式都是你職業(yè)生涯中最寶貴的財(cái)富。

目前，很多高校已經(jīng)意識(shí)到了物理教學(xué)改革的重要性，也在積極探索新的路徑。對(duì)于我們同學(xué)來說，也要調(diào)整好自己的心態(tài)。

不要把物理僅僅看作是必須要拿學(xué)分的“攔路虎”。試著去理解公式背后的美感，去動(dòng)手做一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，去思考物理原理在你專業(yè)里的應(yīng)用。

教育的本質(zhì)，是一棵樹搖動(dòng)另一棵樹，一朵云推動(dòng)另一朵云。希望我們的物理課堂，能變得更加生動(dòng)、更加務(wù)實(shí)，真正成為大家探索科學(xué)世界的起點(diǎn)。

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