融中华传统文化元素于物理课堂
人类文化随着人类文明的不断进步而形成、发展，以后又逐步分裂为两种不同的文化——“人文文化”与“科学文化”，简而言之为“文”、“理”两种文化。两种文化的分裂，在一定历史时期、一定意义上加速了人类文明的进程，特别是使科学文化摆脱传统观念的束缚而迅速发展。两种文化具有不同的内涵，存在明显的差异；同时又相互影响、相互依存、共同发展。她们交叉互动，彼此融合，共同创造了人类的精神财富。在科学技术高度发展的当今世界，两种文化的交流融合显得更加迫切。这种融合包括文化内涵的交流渗透、思维方式的相互影响和认知途径的彼此鉴戒。
物理学是人类几千年文明的结晶，博大精深，有着丰富的文化和哲学内涵。物理学的研究需要坚实的实验基础、丰富的想象空间和高度的抽象能力，集形象思维与逻辑思维之大成。因此，物理教学理应成为文理两种文化交融的有效载体。中华民族五千年的文明进程，积淀了深厚的文化底蕴，形成了优秀的人文文化传统。 在物理课堂中引入中华文化元素，对传统文化的弘扬，对文理两种文化的交流，对学生综合素质提高和创新精神培养，都具有积极的意义。多年来，我们尝试在热物理教学中渗透中华传统文化，取得了一定的效果。这里，仅以中国大学视频公开课“热含妙理”[1]为例谈谈体会，以期抛砖引玉。 “热物理学”是研究热现象的理论。“热 含妙理——热物理趣谈”以使人文学科学生与社会广大受众粗知热物理基本理论，帮助学过该课程的学生提纲挈领地总结相关知识为宗旨。 1. 在通识教育的热物理课堂中引入中华传统文化元素的三点考虑 其一，弘扬传统文化 在物理学通识课程中引入中华传统文化元素，可使学生在一定程度上感受优秀传统文化的熏陶。在汲取传统文化精华的同时，了解我国相关技术史实，对比中西科学文化，有利于提高人文和科学素养，激励奋发创新精神。 其二，化解抽象困惑 通过传统文化元素的引入，实现形象思维与逻辑思维的结合，使抽象的物理概念形象化，有利于学生对物理概念的理解。同时还可调节课堂气氛，避免学生厌学情绪滋生。 其三，促进文理交融 融传统人文文化于物理课堂，可以淡化文理两种文化的壁垒。这样做，既能拉近人文学科和自然科学之距离，增加文科学生对物理学的亲切感；又可诱发理科学生对传统文化的兴趣，提高其人文素质修养。实现两种文化的交融，有利于学生综合素质的提高。 2. 在视频公开课“热含妙理”中融入中华传统文化元素的三个主要做法 其一，引文以藉意 在热物理课堂中恰当地引揽国宝名胜、名人名著，结合中华传统文化，深入浅出地阐明物理基本概念，潜移默化地渗透哲学思想。 例如，“热含妙理”破题伊始，展示颐和园万寿山风景照片，引入国家重点文物“宝云阁”前牌坊上乾隆所提对联： 境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻。 藉其意而用之，改“物”为“热”，推出四句七言诗开场： 天行有常辩阳阴，格物致理识暖冰。 温寒起落虽无尽，热含妙理总堪寻。 引领学生和社会受众在赏析名胜绝句中渐入“热物理”佳境。 接着指出，文学作品中对“热’和“冷”的描绘虽然形象生动，但还不是严格的科学描述。在科学研究和生产实践中，需要准确、定量地描述物体的冷热程度，这就必须引入“温度”这个物理量，并准确度量之。于是，讲授自然地过渡到温度和热平衡定律，即热力学第零定律。 第一类永动机（不消耗能量而不断做功的机器）和第二类永动机（从单一热源吸热而不断做功的机器）不可能实现，今天已是众所周知的命题。他们分别是热物理的两个基本定律——热力学第一和第二定律的简练表述。然而，这种不可能性的发现，却经历了不短的历史阶段。两个定律的发现过程，饱含着历代科学、技术工作者的苦乐辛酸，也得益于永动机发明屡遭失败的教训。两类永动机种种设计方案的失败引起了人们的反思，在一定意义上启发了物理学家“能量守恒和转化”、“宏观过程单向性”的思想。在讲授热力学这两个基本定律时，必然谈及“永动机”。这里，笔者先以矗立在兰州黄河边的大型古老水车（展示照片）和《天工开物》等古代著作中描述的“筒车”为例，说明通过水流消耗动能做功推动水轮旋转，提高“筒”中水的势能，实现提水灌溉的道理；顺着这条思路，再以动画形式展示一种较常见的第一类永动机设计方案：通过水从高处落下时动能做功推动机械，同时将水提至原来高度，继而水回落再做功，如此周而复始，永动不竭；最后解释此类（第一类）永动机因其违背能量守恒与转化定律，即热力学第一定律而不可实现。关于第二类永动机，则以一个典型设计——“零发动机”为例加以说明。这一装置是约翰·嘎姆吉1881年为美国海军设计的，它利用海水的热量将液态氨汽化，推动机械运转，似可永动。此类装置终因没有低温热源，致使汽化氨不能重新液化而无法持续运转。它违背了一个热力学基本定律，即热力学第二定律。正如开尔文所表述：不能从单一热源吸热，使之完全变为有用功而不产生其他影响——第二类永动机不可实现。 “第一次吃螃蟹的人是很可敬佩的，不是勇士谁敢吃它呢？螃蟹有人吃，蜘蛛也有人吃，不过不好吃，所以后人不吃了。像这种人我们当极端感谢的。” 这段文字意味深长，我们可以用之借喻科学试验的失败者。永动机的发明者固然不乏沽名钓誉的江湖骗子，但亦有痴迷于发明，意欲造福人类、探索真理的追梦者。限于本人认识和历史的局限，他们失败了。但是，这种失败给后人以警示和启迪，从另一角度推动了科学技术的发展。永动机械的追梦者颇似鲁迅笔下的“吃蜘蛛”者。科学探索需要“吃蜘蛛”的勇气，没有这种勇气，人类永远不会发现螃蟹的美味。 其二，铭史以察鉴 结合中国技术发展史实，讲解热物理基本定律；对比西方科学文化，以史为鉴，激励学生的科学创新精神。比如，在讲授热力学第零定律——热平衡定律和温度的测量时，笔者先援引战国时期（公元前239年）吕不韦主编《吕氏春秋·慎大览·察今》中的一段话：[5] “有道之士，贵以近知远，以今知古，以益所见知所不见。故审堂下之阴，而知日月之行，阴阳之变；见瓶水之冰，而知天下之寒，鱼鳖之藏也。” 又列举元代王祯（公元1313年）所著《农书·农桑通诀》对养蚕人体测温度的论述：[6] “蚕母需著单衣，以为体测。自觉身寒，则蚕必寒，使添熟火；自觉身热，蚕亦必热，约量去火”。 指出“热平衡”的道理中国自古知之，并创造了应用于战争和生产实践的经验测温方法。不过，热平衡作为一个科学定律的发现，定量测温之温度计的发明，却分别是英国的福勒（公元1931年）和意大利的伽利略（公元1593年）。当今常用的摄氏和华氏温标，也分别由瑞典人摄尔修斯和波兰人华伦海特提出。 讲授能量转化与守恒定律——热力学第一定律时，先列举我国古代运用机械能转化做功的装置，例如《天工开物》、《农书》等著作中描述的各类水车；又援引《韩非子·五蠹》关于12000余年前燧人氏钻燧取火，实现机械能向热能转化的记载： “上古之世，……有圣人作，钻燧取火，以化腥臊……”[7] 再介绍我国古代利用热能转化为机械能做功的发明，如孔明灯、火箭、焰火等，说明我们的祖先从远古时期就已在生产、生活实践中利用机械能和热能之间的转化来为人类造福。然而，第一台划时代的蒸汽机出现在英国（公元1763─1784年，瓦特），热力学的主要科学理论也伴随着世界工业革命诞生在欧洲。 回首中华技术辉煌，对照西方科学文明，自然地引申出一个结论：我们呼唤科学。传承先辈智慧和勇敢，实现中华科学腾飞的梦想，是当代青年的光荣历史使命。 其三，吟诗以明理 第一讲“戏说温度”讲述热平衡定律、温度与温标，后以“五绝”一首结尾： 盘古知冷热，平衡识同温。 逐点巧标定，测温器可成。 第二讲“漫话热功”，先阐述热功之间的转化，再结合蒸汽机的发明和第一类永动机发明失败的史实介绍，给出热力学第一定律——能量守恒与转化定律，最后提及热能利用带来的能源问题。这一讲的结束语为： 混沌初开能以存，变化腾挪万象生。 燧人钻木功作热，瓦特制机热为功。 庄生寻梦粉蝶飞，痴者猎奇永动空。 劝君采热且瞻顾，毋忘方舟度有恒。 第三讲“浅谈熵变”，通过对热机原理和第二类永动机不可行性的介绍，阐述宏观过程的不可逆性，介绍热力学第二定律；结合相关史实，阐述熵和熵增加概念，插入汉字“熵”来历的故事；给出玻尔兹曼关系，揭示熵的宏观和微观本质；并简要讨论“热寂”问题。总结上述要点，推出一首“七律”： 浑天浩宇动无竭，运如弯弓箭不还。 开爵①料功双源转，克氏②断热单向传。 吸热分温并壹熵，概率对数系两观。 自古格物多抚象，莫忧热寂叹宇寒。 第四讲题为“略论微观”。该讲简要介绍热运动的微观本质，用贴近生活的事例说明热运动的统计规律性，解读“玻色”、“费米”两种量子统计法；结合史实，讲解黑体辐射的光子理论、白矮星质量上限与黑洞预言等量子统计法成功应用的实例。有诗为证： 冷热有度动何急，等能平权概率依。 玻色有情好群聚，费米无缘贯独居。 光子巧论乌云散，钱公③妙算黑星预。 爱丁④不屑孺子论，天赐神才交臂离。 第五讲“小议最冷”。这一讲我们首先给出热力学第三定律——绝对零度不可达到原理。至此，受众对热物理的四个宏观定律——热平衡定律，第一类、第二类永动机不可实现和绝对零度不可达原理，以及微观理论的基本假设——孤立系所有可能微观态平权，已有基本了解。笔者遂以五言短诗一首对“热物理”加以概括： 热理常在胸，一衡三弗能。 孤立态权平，统计有奇功。 接着，课程结合与热物理密切相关的多次诺贝尔物理学奖，介绍了获得低温的方法和人类不断探索，追求更低温度的精彩篇章。 课程最后，我们梳理热物理的理论框架，以七言律诗一首与受众共勉： 善暖知寒人之情，热含妙理耐追寻。 熟知宏律凭君鉴，细审微观任汝行。 经典学说奠基石，量子理论扫霾阴。 为有探索籍创意，不效庄生⑤法爱公⑥。