大学物理与全息思维能力培养

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摘要：全息思维的基本特点是由事物的局部透视出其全部的信息，这一发散性、全局性的思维方式是大学物理的精髓，也是学生学学物理的重点和难点所在．文章基于全息思维的基本特点，从以全息意识为核心教学模式的开展、物理审美意识的培养、物理直觉思维的训练三方面阐述如何运用全息思维进行大学物理教学，激发学生的求知热情和探索精神，逐步提高认识和掌握自然科学规律的自主学习能力．

关键词：大学物理教育；全息思维；审美能力；直觉思维

物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质运动最普遍规律及它们之间相互转化的科学．它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，并在许多生产技术中得到应用，是其他自然科学和工程技术的基础．在物理学发展进程中，展现出的一系列科学的世界观和方法论，对培养大学生综合素质，尤其是在培养大学生科学素养方面具有重要作用．全息思维着眼于事物的局部，却能透视出其全部的信息，这一发散性、全局性的思维方式是大学物理的精髓，也是学生学学物理的重点和突破点所在．本文基于全息思维的基本特点，从全息意识为核心教学模式的开展、物理审美意识的培养、物理直觉思维的训练三方面阐述如何运用全息思维进行大学物理教学，激发学生的求知热情和探索精神，逐步提高认识和掌握自然科学规律的自主能力．

1全息原理及全息思维内涵

全息（Holography）源自物理学的全息照相术，它是由物理学家丹尼斯•伽柏（D．Gabor）于1948年提出的．全息照相同时记录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．在再现光波的照射下，全息图的任一部分均能重构物光波，再现完整的三维物体．王存臻在《宇宙全息统一论》［1］中指出，“全息”的基本含义是：部分（子系统）与整体（母系统）、部分与部分之间包含着相同的信息或部分包含着整体的全部信息．它表明宇宙是一个各部分之间紧密关联、不可分割的整体，任何一个部分都包含整体的信息．正如地球上潮汐涨落、寒来暑往均归因于地球的自转和绕太阳的公转，植物嫁接的原理便是基于嫁接枝上承载了整棵植株的全部生命信息，中医看病的望、闻、问、切就是中医全息理论的经典运用，而《清明上河图》则是利用一个地区的繁荣图像来展现那个时代的昌盛．无论是在自然界还是人文社会中，全息论的思想无不贯穿其中．通过全息思维，在关注信息表面现象的同时挖掘信息的潜在内涵，并对信息的潜在内涵进行综合联系，总结规律，以期触类旁通．它涵盖着思维的透视性、灵活性、前瞻性和全局性［2］．也由此，它在思维范畴内亦有着极其重要的方法论意义．基于全息论部分与整体信息之间的紧密联系，思考如何从一事物的局部挖掘出与之关联的更多的信息，以至于最为核心、贯穿全局的信息是建立全息思维最重要的演绎过程．对于整个大学物理的知识内容，其每一个知识框架均围绕着定义、定理、演绎推理及应用归纳，每一个知识点的深入与导出无不体现着全息思维的展开．所以，在大学物理教学中开展全息思维进行教学，紧抓核心信息开展教学，建立知识点之间的联系，所谓万变不离其综，既可以提高教学效率，让学生站在更高的维度真正理解和掌握知识，收获“一览众山小”的气度，还能够在潜移默化中进行全息思维的训练，并力求这一思维过程能成为学生在思考与研究问题时的一种自然的意识，一种自觉的行为．以下就大学物理的教学中贯穿全息思维方法的培养做一些探讨．

2以全息意识培养为核心的教学模式开展

大学物理课程内容一般分为力学、热学、电磁学、光学与近代物理基础这五部分内容，各部分内容在课程安排上章节分明，彼此相对独立，每个章节以具体的知识点为核心，以概念、定理、定律的提出与展开进行阐述．在传统的大学物理教学中，教学内容呈现的框架一般成线性、并列关系，如图1．整个过程条理清晰，按部就班，但学生在学习过程往往处于被动接收状态，属于浅层学习，在课堂中极易出现疲惫状态，思维能力得不到有效的提高［3］．利用全息思维重新整合课堂内容，从概念出发，理解掌握具体知识，并利用具体知识之间相互关联进行再次整合，深度挖掘，综合提炼核心概念，即以局部的知识点为基础，通过不断地设问、推理、对比、归纳等方法进行知识迁移、整合，深挖贯穿全局的一个共通之处，这共通之处可以是一个思想方法、一个核心理念或是一个共同的规律，如图2．并且在这个提炼与整合的教学过程中，教师所运用的全息思维将会驱动学生主动思考，将学生的思维从低层次引向高层次，同时，把这一思维方法在潜移默化中传递给学生．比如在大学物理课程学习过程中一个很重要也很常用的方法是“微元”法［4］．当把一复杂物理对象取微元后，可将变量转化为常量，化曲线为直线，把非均匀量变为均匀量……不同的问题需“微元”的对象不一样，但其基本思路是共同的，即如何实现复杂对象简单化，近似问题精确化，在变与不变中实现辩证转换．而这一共同的思路即需要全息思维去整合，去提炼，并期待在解决下一次问题时的“触类旁通”，创设“类微元”法．通过审视各章节的具体知识，从中抽取共同的核心概念、方法，引导学生的思维向深层次延伸，最终超越学科涵盖的具体知识，从中体会思维训练所带来的乐趣，并把深入思考变成一种学习的习惯，定将受益终身．

3物理审美意识的培养

物理学是一门揭示物质与运动规律的自然科学．它在揭示自然规律的同时，也展示了自然、科学与人类的艺术魅力．对于物理学之美，爱因斯坦曾经把它归纳为“简单、和谐、完善、统一”［5］．具体而言，物理方法论原理主要有简单性原理、守恒原理、对称性原理、对应原理、互补原理、相对性原理、统一性原理等．基于对物理美学内涵的深刻理解，物理学家运用美学观点进行物理世界的探索研究，并取得了辉煌的成果．在大学物理课程中，呈现出了大量的遵循着美学原理的概念、定律以及表达方法．比如质点、刚体、点电荷等理想模型的提出，就是为去细节抓本质而打造的一个个最简单而又最典型的模型，因为简单所以更具代表性，并由此打开了一个又一个知识领域的研究局面，建立了该领域的一整套理论系统；对于复杂的物理过程或是一个复杂的物理定理的阐述与证明，常常采用将其分解成几个简单的过程，或是从最特殊情况出发逐步扩展层层深入；物理学中任意一个定理或是定律总是以最为简洁的数学式子进行表达……所有这些均可提炼为简单性原理．动量定理与动能定理、静电力的平方反比定律与万有引力定律之间的形式对称，作用力与反作用力、电荷之间的吸引与排斥、粒子与反粒子、电生磁与磁生电的对称等，均遵循着对称性原理．物质、能量、动量守恒定律等，不仅仅是守恒原理的体现，更是物质世界和谐美好的象征．所以，以美学原则引导全息思维的展开，既是对物理审美意识的培养，又是对美学思维能力的提高．比如在静电场与稳恒磁场中，电场线和磁感应线、电偶极矩和磁矩、电通量和磁通量、静电场的高斯定理和磁场的高斯定理、静电场的环路定理和磁场的安培环路定理等，无论是在内容上和形式上，还是在研究思路上，无不体现着它们的对称性．基于全息思维的共通性，对于磁场部分的学习可要求学生利用美学的对称性，依照电学部分的内容自行尝试架构磁场章节的内容，从中体会美学思维所带来的惊喜．利用全息思维，剖析物理学之美，创造物理美学的氛围，诱发学生的审美激情，令他们在对物理学美的赞叹中欣赏美、享受美．“天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说”，不断地激发学生的学习兴趣，挖掘学习潜能．

4物理直觉思维的训练

直觉思维是指对一个问题未经深入研究，仅仅综合运用个人经验及知觉信息，并对问题答案作出快速判断、猜想或设想的思维活动．它是一瞬间的思维火花，是思维者的灵感，更是长期思维积累的一种升华．直觉思维是一高度简化的思维过程，它是一个由表及里、去粗取精的近乎顿悟的认识过程，最终清晰地触及事物的“本质”．在科学发展史上，许多重大物理事件的发现都与科学家的直觉思维有关．比如，法拉第“磁力线”概念的提出，麦克斯韦方程组中“位移电流”的引入，1900年普朗克“量子假说”及1905年爱因斯坦“光量子”的提出，都是直觉思维作用的结果，但绝非是纯粹凭空想象出来的．运用直觉思维对某个物理问题作出最接近真实的猜测和判断，不仅仅需要一个人对某事物有着极其丰富的表象储备与扎实的理论功底，更需要的是一个人灵活的知识迁移能力及物理审美意识．而这种知识迁移能力及物理审美意识的培养即是全息思维的一个努力方向，也是全息思维的精髓所在．在大学物理课程中，可挖掘很多用于知识迁移的例子．比如牛顿力学中的“惯性”这一概念，它是指物体在没有外力作用下保持运动状态不变的属性．而这一保持自身状态不变的属性可以延伸至对电磁感应中的楞次定律的拓展性理解．楞次定律阐述了感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，它是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现，同时，也体现了物体保持原来自身状态这一属性，也可以视其为一种“惯性”．对热学中的系统平衡态的理解，对任一系统，当其平衡态被打破时，经历一段时间后系统又将重新达到一种新的平衡态，系统对于平衡态的不断回归，亦不失为一种“惯性”．几个似无关联的知识点在全息思维的指引下显示出其共同的特性，这种概念上的迁移可以让学生来挖掘，也可以由教师在教学过程中“点破”．当这种知识的迁移、联想与求同被不断地重复，最终形成学生思维的“惯性”，并延伸到任何的一门学科，乃至平时的所见所闻，将为直觉思维提供丰富的经验积累与高效的思维训练．

参考文献：

［1］王存臻．宇宙全息统一论［M］．青岛：山东人民出版社，1998．

［2］朱兹雄．物理学思想概论［M］．北京：清华大学出版社，2009．

［3］王长江，胡卫平，李卫东．“概念—过程”教学模式的框架与设计步骤［J］．教育探索，2014（3）：48－50．

［4］朱其明，李耀俊．大学物理微积分思想与矢量思想教学浅谈［J］．中国西部科技，2011（6）：82－83．

［5］爱因斯坦．爱因斯坦文集（第1卷）［M］．北京：商务印书馆，1976．

作者:蔡晓鸥 单位:浙江树人大学