物理学发展及人才培养的思考

1物理学对社会的重要性

物理学的发展，伴随着社会生产力的发展，每一次生产力的快速发展，都离不开物理学创新带来的科技进步。第23届国际纯粹物理与应用物理联合会(IUPAP)代表大会于1999年3月16-21日在美国亚特兰大举行。会议通过了题为“物理学对社会的重要性”的决议[1]：物理学———研究物质、能量和它们的相互作用的学科———是一项国际事业,它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家都是重要的,这是因为:1）物理学是一项激动人心的智力探险活动,它鼓舞着年轻人,并扩展着我们关于大自然知识的疆界。2）物理学发展着未来技术进步所需的基本知识,而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转。3）物理学有助于技术的基本建设,它为科学进步和发明的利用,提供所需训练有素的人才。4）物理学在培养化学家、工程师、计算机科学家,以及其他物理科学和生物医学科学工作者的教育中,是一个重要的组成部分。5）物理学扩展和提高我们对其他学科的理解,诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学,以及天文学和宇宙学———这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。6）物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需的基本知识,如计算机层析术(CT)、磁共振成像、正电子发射层析术、超声波成像和激光手术等,改善了我们生活的质量。

下面让我们用具体的实例加深对物理学的了解：1）物理学仍体现了当今社会的最高科学科技水平。原子弹爆炸了，神舟五号载人飞船上天了，CPU又升级了，基因密码破译了，科技发展如此之快，令我们眼花缭乱。当今社会最高科学科技水平在哪里？一个质子的能量可以达到14TeV，两个半径为10-15米的电子可以对撞在一起，我们现在所用的Http超文本互联网（WWW）由欧洲高能物理研究中心(CERN)发明，可能替代网络技术（WWW）的网格技术已引起欧美乃至其他国家科学界的高度关注，各行业都想积极参与网格技术的开发应用，通过网格的一系列技术，更好地使用全球网络资源，目前由欧美四大电脑中心与六大高能物理电脑基地构成的国际性网络技术环境，彼此间以1Gbps以上的网络带宽接轨。物理学仍旧走在了科学技术的最前列。2）渗透到其他学科的物理学。物理学的基本原理渗透在自然科学的各个领域，物理学一旦在某个研究领域有所突破，必然在这个领域产生革命性的进展和广泛应用，成为相关技术科学的学科基础。作为物理学的重要组成部分的应用物理学，更加偏重于物理学基本原理的应用，不仅与许多自然科学学科关系密切，更是众多技术学科的先导。物理学是一棵参天大树，它的很多分支已经发展成为直接关系着我们日常生活的学科或行业，如电子、机械、通讯、电力等等。但我们不要忘记半导体-二极管-三极管-集成电路的发展历程，不要忘记理论力学和分析力学在机械领域的作用，电磁场和通讯的关系，电力大学校园里法拉第的雕像。物理学的发明、发现对其他学科研究的强有力的支持：射电望远镜对天文学的重要性，扫描隧道显微镜对材料科学的重要性，量子跃迁理论与基因突变的关系，DNA是在物理实验室发现的，而且DNA的发现者之一是物理学家，就连经济学领域，也出现了物理经济学(Econophysics)。现在我们来看原子物理学用于实际的研究：用原子核物理的新技术探究血液中铁原子的电子结构，从而了解造成镰形细胞贫血的成因，并与医学中心配合对病人进行治疗工作。今天，原子核物理的许多基本概念已成为具有重大影响的高科学技术的基础，如利用核自旋的概念及核磁矩和外磁场的相互作用发明了核磁共振成像技术，原子的受激辐射是激光的发光机制，激光技术是目前应用非常广泛的技术之一，激光束直径可聚焦到0.2μm以下，是细胞的1/200，因而可在细胞内产生微小区域的局部热效应，在作为“激光手术刀”切开组织时，就可以凝固和封闭中小血管，起到止血作用；脉冲激光时间可小于10-3s，因而可用来进行眼科手术。物理学对其他学科的渗透不仅体现在技术上，物理的思维方式、解决问题的方法，对科学研究的无形帮助也足以令我们感慨！我国曾培养出非常优秀的物理学应用型人才，23位“两弹一星”元勋中有16位是学物理的，为了国家的需要，他们“投笔从戎”,中断甚至放弃纯物理学研究，用他们厚实的物理功底,去解决一个个技术难题,为国家做出杰出贡献。从清华大学老物理系所在的科学馆走出来的近80位院士中,有一多半是因为在应用物理领域做出的成就[2]。3）生机勃勃的物理学。物理学中分出很多学科，但是物理学的研究方向并没有减少，很多蕴含着更先进生产力的新的研究领域正在兴起。在令人眼花缭乱的高新技术不断出现的今天，这一点很容易被忽视。1831年，法拉第发现了电磁感应定律，并据此制造了第一台感应发电机，当时有人问法拉第，这台机器有什么用？法拉第反问道：初生的婴儿有什么用？就连法拉第本人恐怕也难以预料到当今蓬勃发展的电力行业对我们的生活产生如此之大的影响。当今物理学正在研究的量子计算机、非线性物理、纳米科技、对物质不断深入探索的粒子物理，今后会对我们的社会产生多大的影响？谁敢回答？我们的感慨是：好像社会更关注的是如何将计算机更快地更新换代，而忽略了对量子计算机的基础研究工作，因为量子计算机目前不会带来更多的社会价值。但是，科技发展史证明：谁能最先将基础科学研究中的成果付诸于应用,谁就能赢得下一代新兴科学技术的真正优势。用力学的方法测量长度能准确到10-5m，用光学的方法最多能准确到10-7m，用量子力学的方法能准确到10-10m，每一次质的飞跃，伴随的是基础理论的变革。

2我们面临的任务

第23届国际纯粹物理与应用物理联合会(IUPAP)代表大会的决议中，向世界呼吁[1]：物理学是教育体制和每个进步社会的一个重要的组成部分。因此我们呼吁政府应向物理学家和其他科学家征求有关制订科学政策的意见,以便使之有助于物理学这门科学的发展。对物理学的支持可以有多种形式，诸如:1）制订国家规划以改进教育体制中各个水平的物理教学。2）在大学(以及其他学术机构)中建立并维持带有科学研究经费职位的强大部门。3）在大学本科生和研究生学习物理学设立奖学金。4）对已有的国家实验室和建立新的实验室要有足够的经费支持。5）为国际交流与合作活动提供资金促进其开展。

作为应用物理系的教师，我们一方面要反思我们出现的问题，另一方面须克服困难，扎实地工作，传承物理学优良的传统，为物理学的发展贡献自己的力量。1）调整培养目标和培养计划。我国高等学校本科物理教育有两方面任务:一是培养一批数理基础扎实,具有创造意识和动手能力,对探索自然奥秘有浓厚兴趣,并愿献身于基础科学研究与教学的纯物理型人才；二是培养一大批具有坚实理论基础、动手能力强、善于从实际应用中提出物理问题,并对解决实际问题具有浓厚兴趣的应用型人才。物理本科毕业后去向多样化,吸引优秀学生来学习物理,鼓励继续深造，为多数学生开辟通向其他学科领域的通路。纯物理的基础科学研究人才是一种战略储备，是社会生产力实现跨越式飞跃的主力军。应用型物理人才对各学科的发展起到重要的推动作用。2）加强教师的培训,提高教师自身素质。在做学问方面，物理学有着的优良的传统，教师的踏实、勤奋、认真的态度，对学生产生的潜移默化的作用，是不容忽视的。科技发展日新月异，教师要紧跟科技前沿，把各学科最新的科学技术纳入课堂教学是物理老师独具的优势。特别是物理教师应谨记“学博为师，德高为范”。3）采用多种探究式教学模式，激发学生自主学习的欲望和开展研究型教学。如:培养探究精神、对发现的好奇心和激情、交流能力和团队精神、批判性思维、终身学习的技能，培养学生提出、分析、解决、评价问题的能力等。物理学在这方面有得天独厚的优势。物理学史上存在大量科研实例，向世人展示了从发现问题到巧妙解决问题最终产生重大影响的过程，每一个实例都足以让学生惊叹不已。物理学的发展有赖于社会的重视，物理学会还给世界众多奇迹，物理人才的培养值得去探索，愿物理照耀世界！

作者：马金英 阎占元 单位：华北电力大学数理系

相关专题：制冷与空调 全国生态功能区划