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摘 要：在新工科背景下，为了发挥我校工科优势的主体作用，从典型的物理学思想和方法举例出发，论述其在大学物理教学中的重要性，希望为新工科的建设培养出具有物理学的认识观、思想观和科学的方法论的当代大学生。
关键词：新工科；物理学思想和方法；大学物理
本文引用格式：眭晓红，等 . 新工科背景下物理学思想和方法在大学物理教学中重要性的研究 [J]. 教育现代化 ,2020,7(34):141-144.
Study on the Importance of Physics Thoughts and Methods in College Physics Teaching under the Background of New Engineering
SUI Xiao-hong, JIN Jing-jing，XU Li-ping
(School of Science of North University of China, Taiyuan Shanxi)
Abstract：In the background of new engineering, in order to give full play to the dominant role of engineering in our university, from typical examples of physics thought and method, the importance of which in the university physics teaching is discussed. We hope to cultivate the contemporary college students with the view of knowledge, thought and scientific methodology of physics for the construction of new engineering.
Key words：New engineering; Physics thoughts and methods; College physics
一引言
为响应国家新工科建设，教育部提出助力高等教育强国建设，结合我校属于工科占优势的大学， 要对工程科技和产业创新发挥重要作用 [1,2]。在这样的新工科大环境下，大学物理作为所有理工科学生需要学习的一门必不可少的公共基础课，一般分为两个学期讲授。由于物理的发展源远流长，按照时间分为经典物理和近代物理两大块，知识点繁多， 但学时数有限，很容易导致大学物理教学中，教师只注重物理知识体系的完备性，而忽略了工科学生真正需要什么，缺少什么。物理知识对于工科来说， 用处是有限的，随着时间的推移会慢慢地被遗忘， 而最后剩下的是物理学思想和处理问题的方法论，这才是工科学生所需要和缺少的，可以拿来用到后续专业课的学习上、生活的实践中和将来科研中去的。接下来我们首先从典型的三个物理学思想和方法论的举例出发，强调其在物理学发展史上的重要性； 然后论述物理学思想和方法在大学物理工科教学中的重要性；最后让本科生既学到物理知识，又具有运用物理学思想去处理未知事物的能力 [3]。
二 物理学思想和方法的举例 [4,5]
（一） 理想模型的建立 [6]
大自然中所有物理现象和过程总是错综复杂的， 各种各样的因素影响着它们，如若考虑所有可能的因素，且不分主要和次要，处理起来的难度极大。在物理学思想产生和发展的过程总是先从复杂的现实中抽象出理想模型，再用简单模型去分析复杂的事物。这里涉及到的理想模型就是在不考虑次要因素和抓住其中的主要因素下而建立的。下面我们举例说明理想模型的建立。
1.质点
质点模型是相对实际物体而言的，忽略了物体形状、大小等次要因素，抓住物体在运动过程中起关键作用的两个主要特征量：质量和空间位置。大学物理的开篇第一章质点力学就是围绕质点这个理论模型展开的。虽然现实生活中不可能有一个物体与质点完全一致，但是只要当物体在空间运动的范围远远大于物体自身的大小、且物体自身的转动和内部的振动可以忽略不计时，都可以用质点模型来研究。比如在考虑地球绕太阳公转的运动时，地球半径相比地球与太阳之间的距离小很多，就可以把地球看成质点来处理。
2.刚体
跟质点截然不同，刚体的线度不能忽略，在物体上任取两点（i，j），它们之间的距离保持不变，数学表述为
刚体作为大学物理中连续体力学中的研究对象之一，在大量实际问题中需要用到，比如当我们在推门、关门的过程中，就可以把门看成刚体，研究门上各点绕轴的转动，这时我们忽略了门的形状、大小的变化。
3.点电荷
点电荷也是一种理想模型，跟质点类似，它忽略了带电体的线度 D，只考虑它所带的电量。那什么样的带电体可以看做点电荷呢？当带电体离观察点的长度 r >> D 时，可把它作为点电荷来处理。
（二） 整体方法和个体方法
在物理学研究的过程中，经常会遇到由 N 个物体构成的，且之间有相互作用的系统，在研究该类问题中，经常会用到隔离体法，即确定一个物体作为研究对象，然后把其他物体当做周围环境来处理隔离，建立物理模型研究它的物理规律。还有数学中的微元法在物理学中的应用，例如求连续带电体在周围所激发的电场，我们首先将其微元化，任取其中一个电荷元都能看做一个点电荷，然后根据点电荷在周围所激发的电场写出电荷元的电场分布， 然后求积分得到整个连续带电体的电场分布，这就是典型的以个体出发的研究方法。
但“个体方法”容易让人们只关心事物的局部特征，缺乏整体上的认识，就像被一片叶子挡住了整个森林一样，需要我们从整体出发去研究和分析整个系统，这就是与“个体方法”相辅相成的“整体方法”。比如第二章的质点系统的守恒定律就是采用了“整体方法”，到第三章的流体力学，避免了采用隔离体法研究每个流体中的质点，而采用欧拉方法从整体出发，研究流体力学，从中引入了场的概念。
总的来说，“个体方法”的中心思想是“分”，而“整体方法”的中心思想是“合”。
（三） 类比的方法
大自然中的事物由于多样性而显得多姿多彩， 但是我们对每个事物的认识总想着有没有相似性， 人类就创造了类比的推理方法。类比方法是我们由已知事物开启认知未知事物大门的一把钥匙，是开展物理研究的有效方法之一。下面举例说明类比方法的运用。
1.“角量”与“线量”的类比
在研究刚体的定轴转动时，我们类比描述质点力学需要的的四个“线量”，相应地引入四个“角量”。
通过采用类比的方法，从已知事物质点的一维运动认知到了新事物刚体的定轴转动。
2.掺杂半导体中杂质能级的计算
我们用电子型半导体来叙述，杂质原子发生了电离，变成了正离子实和电子，采用类似于氢原子的模型给出杂质能级。施主型杂质原子电离成正离子实跟电子，氢原子电离成氢离子与电子。不同的地方有： 1）各自离子实不同；2）杂质原子处于纯净半导体介质中，而氢原子处于真空中，各自的介电常数不同； 3）氢原子中的电子仅仅考虑原子核对它的静电吸引， 而掺杂半导体中的电子除了受到杂质正离子的静电吸引，还处在纯净半导体基体所形成的周期势场中。考虑所有不同的地方，计算杂质能级的公式如下。
其中 En 为氢原子的能级，有效质量 m* 是将周期势场的影响考虑了进去， 为纯净半导体的相对介电常数。最后我们通过类比的方法，由已知氢原子的能级分布开启了掺杂半导体杂质能级的大门。
3.点电荷的 分布与电流元的 分布的类比一个静止的点电荷的 分布公式为
B-S-L 定律告诉我们，电流元
所激发的
的计算公式为
两个式子相同的因子是
，介电常数
与磁导率
相对应，点电荷带电量 q 与电流元
相对应，电场的方向为点电荷指向场点
，对应磁场的方向为
。我们由电荷是电场的源类比得到电流是磁场的源。
（四） 假说的提出
伟大的哲学家恩格斯说过：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”假说在物理的发展道路上起到了关键的作用，特别是在近代物理的发展中，每个重大假设的提出使得物理科学相应的研究都向前迈了一大步。下面举例说明假设的重要性。
1. 涡旋电场与位移电流的假说
在经典物理的场物理学中，有两大假说。其一为涡旋电场：法拉第告诉我们，当导体和导体线圈相对于参考系不动，而磁场发生改变时，导体和导体线圈中会产生一种电动势。针对这一实验现象，1861 年麦克斯韦大胆地提出了一个假设：变化的磁场会激发涡旋电场
，对应的分布电源电动势为
这也是电磁波理论中的“磁能生电”。
考虑到物理中的对称性，“电能生磁”吗？这就是著名的麦克斯韦第二假设：位移电流。当我们从稳恒磁场的安培环路定理这一特殊情况出发，推广到非稳恒电流（例如电容板的充放电过程）时，遇到了不唯一的情况。在推导非稳恒电流的过程中发现，除了传导电流还存在一种特殊的电流，即位移电流，两者之和是全电流
其中
是位移电流密度矢量，很明显能看出这是由变化的电场所产生的，它跟传导电流的共同点是可以产生磁场，这就是电磁波理论中的“电能生磁”。
两大假设的提出，修正了电磁场的环路定理， 并假设它的高斯定理不变，得到了著名的麦克斯韦方程组：
它不仅涵盖了电磁场存在的形式和条件，且给出了两者之间的相互转换，是电磁波应用的理论依据。
2. 普朗克能量子假说
20 世纪初大家都以为物理科学已经极其成熟，以后从事物理研究的科学家们只剩下在已经建成的物理科学大楼中添一块砖补一块瓦这样一些零零散散的工作了，但是还有两个问题有待解决，像是在万里无云的蓝中有两朵不合时宜的乌云。其中一朵就是黑体辐射实验会遇到紫外灾难，不能被已有的理论解释，这标志着新理论的诞生。同年量子力学的创始人普朗克根据黑体辐射实验数据采用拟合的数学方法推出了黑体辐射公式，跟实验数据拟合的很好。普朗克指出问题的关键在于不能以传统的能量连续辐射的观念来对待，就有了能量子假说：物质辐射电磁波的能量不再连续，
其中
是最小能量子。普朗克假说预示着量子概念的产生，后来才有了创世纪的量子力学理论。
3. 德布罗意物质波假说
人们认识光是从它的波动性开始的，比如经典的杨氏双缝干涉实验、规则孔径的衍射实验以及光是横波才具有的偏振现象等等；到 20 世纪初， 人们开始研究光的粒子性，比如光电现象和康普顿偏移等等；慢慢接受了光的两面性这个事实。采用类比的方法，人们就在思考实物粒子呢？是不是也具有波动性呢？紧接着著名的波动学家德布罗意提出： 实物粒子也有波动的一面，它的德布罗意波长计算公式为
动量是其粒子性的表现，波长是波动面的表现。后来大量的实验证实了：所有的微观粒子都具有波动性的一面，且满足上述关系，这也体现了假设对实验的指导性。
三 物理学思想和方法在大学物理工科教学中的重要性 [7，8]
大学物理课程分为两个学期，学时总数为 128 个，大学物理内容繁多，学时数有限，逐章逐节的传统讲课模式面临着巨大的挑战，需要我们做出调整。在大学物理教学的过程中，大多数学生仅仅关注知识本身，很少学生注意到知识背后的指导思想和和它所用的方法论。随着时间的推移，大部分知识会被遗忘，大学物理对工科学生几乎没留下任何有用的东西，到后续专业课老师讲授新内容要用到大学物理背景时，不能很好地起到衔接的作用，可能会导致专业课也不能及时跟上，再到将来研究生阶段从事科研的时候，不能很快地从参考文献中获取研究课题中有用的研究方法、实验方法以及可能用到的物理学思想和方法，迟迟进入不了研究生的角色等等一系列可能的连锁反应。
上述这一系列的问题出在了大学教育阶段里教师每门课程的讲授和学生相对应的学习中，针对大学物理来说，首先教师在课堂中要强调物理学思想和方法的重要性，让学生意识到知识只是思想和方法的载体，思想和方法才是知识的灵魂； 然后期中小论文可以围绕本学期所学过的物理学思想和方法论的题目展开，让学生从中巩固知识， 升华物理学思想和方法；最后期末考试试题可以有一些加分题是关于运用已学方法解决超出讲课内容的题目，锻炼学生运用物理思维和方法处理实际问题的能力。在有限的学时数里以知识为载体，各种途径掌握最有用的物理学思想和方法， 这也是发展新工科、培养当代大学生能力和素质的关键所在。
参考文献
[1]“新工科”建设复旦共识 [J]. 高等工程教育研究，2017（01）： 10-11.
[2]于慧，张永梅，许丽萍 . 工程认证和新工科背景下大学物理课程品质提升模式探索 [J]. 物理通报，2019（9）：14-17.
[3]邹艳, 等. 新工科大学物理“一体四翼”教学体系构建与实施 [J]. 教育现代化 ,2019,6(71):166-168,173.
[4]王建邦，刘兴来 . 大学物理学（第一卷）经典物理基础（第 5 版）[M]. 北京：机械工业出版社，2017.1.
[5]王建邦，刘兴来 . 大学物理学（第二卷）近代物理基础（第 5 版）[M]. 北京：机械工业出版社，2017.8.
[6]路哲 . 理想化模型在大学物理教学中的应用探究 [J]. 科技风， 2019（29）：59.
[7]张修丽，等 . 新工科背景下工科大学物理教学模式的思考 [J]. 教育现代化 ,2019,6(36):77-78.
[8]胡林 . 大学物理教学中重视物理学思想和研究方法 [J]. 云南大学学报，2010，32（S1）：273-275.
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