大學物理與全息思維能力培養

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摘要：全息思維的基本特點是由事物的局部透視出其全部的信息，這一發散性、全局性的思維方式是大學物理的精髓，也是學生學學物理的重點和難點所在．文章基于全息思維的基本特點，從以全息意識為核心教學模式的開展、物理審美意識的培養、物理直覺思維的訓練三方面闡述如何運用全息思維進行大學物理教學，激發學生的求知熱情和探索精神，逐步提高認識和掌握自然科學規律的自主學習能力．

關鍵詞：大學物理教育；全息思維；審美能力；直覺思維

物理學是研究物質的基本結構、相互作用和物質運動最普遍規律及它們之間相互轉化的科學．它的基本理論滲透在自然科學的各個領域，并在許多生產技術中得到應用，是其他自然科學和工程技術的基礎．在物理學發展進程中，展現出的一系列科學的世界觀和方法論，對培養大學生綜合素質，尤其是在培養大學生科學素養方面具有重要作用．全息思維著眼于事物的局部，卻能透視出其全部的信息，這一發散性、全局性的思維方式是大學物理的精髓，也是學生學學物理的重點和突破點所在．本文基于全息思維的基本特點，從全息意識為核心教學模式的開展、物理審美意識的培養、物理直覺思維的訓練三方面闡述如何運用全息思維進行大學物理教學，激發學生的求知熱情和探索精神，逐步提高認識和掌握自然科學規律的自主能力．

1全息原理及全息思維內涵

全息（Holography）源自物理學的全息照相術，它是由物理學家丹尼斯•伽柏（D．Gabor）于1948年提出的．全息照相同時記錄了物光波的振幅信息和相位信息，即包含了物光波的全部信息．在再現光波的照射下，全息圖的任一部分均能重構物光波，再現完整的三維物體．王存臻在《宇宙全息統一論》［1］中指出，“全息”的基本含義是：部分（子系統）與整體（母系統）、部分與部分之間包含著相同的信息或部分包含著整體的全部信息．它表明宇宙是一個各部分之間緊密關聯、不可分割的整體，任何一個部分都包含整體的信息．正如地球上潮汐漲落、寒來暑往均歸因于地球的自轉和繞太陽的公轉，植物嫁接的原理便是基于嫁接枝上承載了整棵植株的全部生命信息，中醫看病的望、聞、問、切就是中醫全息理論的經典運用，而《清明上河圖》則是利用一個地區的繁榮圖像來展現那個時代的昌盛．無論是在自然界還是人文社會中，全息論的思想無不貫穿其中．通過全息思維，在關注信息表面現象的同時挖掘信息的潛在內涵，并對信息的潛在內涵進行綜合聯系，總結規律，以期觸類旁通．它涵蓋著思維的透視性、靈活性、前瞻性和全局性［2］．也由此，它在思維范疇內亦有著極其重要的方法論意義．基于全息論部分與整體信息之間的緊密聯系，思考如何從一事物的局部挖掘出與之關聯的更多的信息，以至于最為核心、貫穿全局的信息是建立全息思維最重要的演繹過程．對于整個大學物理的知識內容，其每一個知識框架均圍繞著定義、定理、演繹推理及應用歸納，每一個知識點的深入與導出無不體現著全息思維的展開．所以，在大學物理教學中開展全息思維進行教學，緊抓核心信息開展教學，建立知識點之間的聯系，所謂萬變不離其綜，既可以提高教學效率，讓學生站在更高的維度真正理解和掌握知識，收獲“一覽眾山小”的氣度，還能夠在潛移默化中進行全息思維的訓練，并力求這一思維過程能成為學生在思考與研究問題時的一種自然的意識，一種自覺的行為．以下就大學物理的教學中貫穿全息思維方法的培養做一些探討．

2以全息意識培養為核心的教學模式開展

大學物理課程內容一般分為力學、熱學、電磁學、光學與近代物理基礎這五部分內容，各部分內容在課程安排上章節分明，彼此相對獨立，每個章節以具體的知識點為核心，以概念、定理、定律的提出與展開進行闡述．在傳統的大學物理教學中，教學內容呈現的框架一般成線性、并列關系，如圖1．整個過程條理清晰，按部就班，但學生在學習過程往往處于被動接收狀態，屬于淺層學習，在課堂中極易出現疲憊狀態，思維能力得不到有效的提高［3］．利用全息思維重新整合課堂內容，從概念出發，理解掌握具體知識，并利用具體知識之間相互關聯進行再次整合，深度挖掘，綜合提煉核心概念，即以局部的知識點為基礎，通過不斷地設問、推理、對比、歸納等方法進行知識遷移、整合，深挖貫穿全局的一個共通之處，這共通之處可以是一個思想方法、一個核心理念或是一個共同的規律，如圖2．并且在這個提煉與整合的教學過程中，教師所運用的全息思維將會驅動學生主動思考，將學生的思維從低層次引向高層次，同時，把這一思維方法在潛移默化中傳遞給學生．比如在大學物理課程學習過程中一個很重要也很常用的方法是“微元”法［4］．當把一復雜物理對象取微元后，可將變量轉化為常量，化曲線為直線，把非均勻量變為均勻量……不同的問題需“微元”的對象不一樣，但其基本思路是共同的，即如何實現復雜對象簡單化，近似問題精確化，在變與不變中實現辯證轉換．而這一共同的思路即需要全息思維去整合，去提煉，并期待在解決下一次問題時的“觸類旁通”，創設“類微元”法．通過審視各章節的具體知識，從中抽取共同的核心概念、方法，引導學生的思維向深層次延伸，最終超越學科涵蓋的具體知識，從中體會思維訓練所帶來的樂趣，并把深入思考變成一種學習的習慣，定將受益終身．

3物理審美意識的培養

物理學是一門揭示物質與運動規律的自然科學．它在揭示自然規律的同時，也展示了自然、科學與人類的藝術魅力．對于物理學之美，愛因斯坦曾經把它歸納為“簡單、和諧、完善、統一”［5］．具體而言，物理方法論原理主要有簡單性原理、守恒原理、對稱性原理、對應原理、互補原理、相對性原理、統一性原理等．基于對物理美學內涵的深刻理解，物理學家運用美學觀點進行物理世界的探索研究，并取得了輝煌的成果．在大學物理課程中，呈現出了大量的遵循著美學原理的概念、定律以及表達方法．比如質點、剛體、點電荷等理想模型的提出，就是為去細節抓本質而打造的一個個最簡單而又最典型的模型，因為簡單所以更具代表性，并由此打開了一個又一個知識領域的研究局面，建立了該領域的一整套理論系統；對于復雜的物理過程或是一個復雜的物理定理的闡述與證明，常常采用將其分解成幾個簡單的過程，或是從最特殊情況出發逐步擴展層層深入；物理學中任意一個定理或是定律總是以最為簡潔的數學式子進行表達……所有這些均可提煉為簡單性原理．動量定理與動能定理、靜電力的平方反比定律與萬有引力定律之間的形式對稱，作用力與反作用力、電荷之間的吸引與排斥、粒子與反粒子、電生磁與磁生電的對稱等，均遵循著對稱性原理．物質、能量、動量守恒定律等，不僅僅是守恒原理的體現，更是物質世界和諧美好的象征．所以，以美學原則引導全息思維的展開，既是對物理審美意識的培養，又是對美學思維能力的提高．比如在靜電場與穩恒磁場中，電場線和磁感應線、電偶極矩和磁矩、電通量和磁通量、靜電場的高斯定理和磁場的高斯定理、靜電場的環路定理和磁場的安培環路定理等，無論是在內容上和形式上，還是在研究思路上，無不體現著它們的對稱性．基于全息思維的共通性，對于磁場部分的學習可要求學生利用美學的對稱性，依照電學部分的內容自行嘗試架構磁場章節的內容，從中體會美學思維所帶來的驚喜．利用全息思維，剖析物理學之美，創造物理美學的氛圍，誘發學生的審美激情，令他們在對物理學美的贊嘆中欣賞美、享受美．“天地有大美而不言，四時有明法而不議，萬物有成理而不說”，不斷地激發學生的學習興趣，挖掘學習潛能．

4物理直覺思維的訓練

直覺思維是指對一個問題未經深入研究，僅僅綜合運用個人經驗及知覺信息，并對問題答案作出快速判斷、猜想或設想的思維活動．它是一瞬間的思維火花，是思維者的靈感，更是長期思維積累的一種升華．直覺思維是一高度簡化的思維過程，它是一個由表及里、去粗取精的近乎頓悟的認識過程，最終清晰地觸及事物的“本質”．在科學發展史上，許多重大物理事件的發現都與科學家的直覺思維有關．比如，法拉第“磁力線”概念的提出，麥克斯韋方程組中“位移電流”的引入，1900年普朗克“量子假說”及1905年愛因斯坦“光量子”的提出，都是直覺思維作用的結果，但絕非是純粹憑空想象出來的．運用直覺思維對某個物理問題作出最接近真實的猜測和判斷，不僅僅需要一個人對某事物有著極其豐富的表象儲備與扎實的理論功底，更需要的是一個人靈活的知識遷移能力及物理審美意識．而這種知識遷移能力及物理審美意識的培養即是全息思維的一個努力方向，也是全息思維的精髓所在．在大學物理課程中，可挖掘很多用于知識遷移的例子．比如牛頓力學中的“慣性”這一概念，它是指物體在沒有外力作用下保持運動狀態不變的屬性．而這一保持自身狀態不變的屬性可以延伸至對電磁感應中的楞次定律的拓展性理解．楞次定律闡述了感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，它是能量守恒定律在電磁感應現象中的具體體現，同時，也體現了物體保持原來自身狀態這一屬性，也可以視其為一種“慣性”．對熱學中的系統平衡態的理解，對任一系統，當其平衡態被打破時，經歷一段時間后系統又將重新達到一種新的平衡態，系統對于平衡態的不斷回歸，亦不失為一種“慣性”．幾個似無關聯的知識點在全息思維的指引下顯示出其共同的特性，這種概念上的遷移可以讓學生來挖掘，也可以由教師在教學過程中“點破”．當這種知識的遷移、聯想與求同被不斷地重復，最終形成學生思維的“慣性”，并延伸到任何的一門學科，乃至平時的所見所聞，將為直覺思維提供豐富的經驗積累與高效的思維訓練．

參考文獻：

［1］王存臻．宇宙全息統一論［M］．青島：山東人民出版社，1998．

［2］朱茲雄．物理學思想概論［M］．北京：清華大學出版社，2009．

［3］王長江，胡衛平，李衛東．“概念—過程”教學模式的框架與設計步驟［J］．教育探索，2014（3）：48－50．

［4］朱其明，李耀俊．大學物理微積分思想與矢量思想教學淺談［J］．中國西部科技，2011（6）：82－83．

［5］愛因斯坦．愛因斯坦文集（第1卷）［M］．北京：商務印書館，1976．

作者:蔡曉鷗 單位:浙江樹人大學