淺談物理學(xué)史對(duì)新課程教學(xué)的啟示

（廣西師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西 南寧 530023）

1 引言

2012年隨著廣西進(jìn)入高中新課改，至此自2004年秋廣東、山東、海南和寧夏率先進(jìn)入的高中新課程改革在全國(guó)范圍內(nèi)正式全面鋪開。新的課程改變“繁、難、偏、舊”的教學(xué)內(nèi)容，反對(duì)過于注重知識(shí)的傳授，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀的“三維”目標(biāo)。物理學(xué)發(fā)展史蘊(yùn)藏著巨大的財(cái)富，學(xué)習(xí)與研究物理學(xué)史不但能加深對(duì)物理概念的理解，還能從中獲得教益，開闊視野，從前人的經(jīng)驗(yàn)中得到啟示。因此，對(duì)于物理教師來說深入扎實(shí)的學(xué)習(xí)物理學(xué)史，對(duì)于適應(yīng)新課改和實(shí)現(xiàn)教學(xué)“三維”目標(biāo)有重要的啟示。

2 牛頓力學(xué)發(fā)展史：理性思維、定量分析、數(shù)學(xué)方法

“力，刑之所以奮也”，這是墨家在《經(jīng)上》中對(duì)“力”下的定義，力是物體（刑，通“形”，指“物形”、“物體”）發(fā)生運(yùn)動(dòng)（奮，飛，此指“運(yùn)動(dòng)”）的原因。像這樣關(guān)于力學(xué)的表述以及力學(xué)知識(shí)應(yīng)用的例子在我國(guó)古代先賢們的著作中并不少見。此外我國(guó)古代廣泛應(yīng)用的龍骨車、石碾、提花機(jī)、獨(dú)輪車、弓弩、弧形拱橋等力學(xué)應(yīng)用的范例表明我國(guó)對(duì)力學(xué)知識(shí)有深入的理解與掌握，但系統(tǒng)的力學(xué)知識(shí)與力學(xué)理論卻沒有流傳在后世。

再看古希臘力學(xué)的研究，博學(xué)多才的亞里士多德，在他的《物理學(xué)》一書中，對(duì)“運(yùn)動(dòng)原因”進(jìn)行了探討。他將自然界的運(yùn)動(dòng)分為自然的和強(qiáng)迫的，自然運(yùn)動(dòng)是指重物豎直下落和輕物豎直上升的運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)是借助推動(dòng)者才能運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)。如果不推，物體就會(huì)停下來，處于靜止?fàn)顟B(tài)。亞里士多德的這些推論，雖然是憑直覺觀察得出，也過多地加入了自然哲學(xué)的內(nèi)容，在后來被伽利略等人的科學(xué)實(shí)驗(yàn)及理性思維予以否定，但是他將力與運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來進(jìn)行思考，并力圖構(gòu)建定性及定量分析理論，是值得肯定的。與亞里士多德不同的是，阿基米德靈活的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)公理法，在《論平面的平衡》專著中說明和歸納了一些平衡與不平衡的情況和條件，以及一些平面圖形中重心位置或關(guān)系，得出了杠桿平衡原理，即“平衡時(shí)，距離與重量成反比”在《論浮體》專著中討論了頁面的形狀和浮體受力情況，得出了阿基米德定理。

在前人研究的基礎(chǔ)上，1687年英國(guó)物理學(xué)家牛頓發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，創(chuàng)立了牛頓力學(xué)。在這部巨著中，牛頓仿照歐幾里得的公理化方法，開宗名義以“定義和注釋”的形式提出了八個(gè)定義和四個(gè)注釋，總結(jié)了三個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的定律，給出了六個(gè)推論（力的合成和分解、運(yùn)動(dòng)的疊加原理、動(dòng)量守恒原理和力學(xué)的相對(duì)性原理）；之后用自己創(chuàng)立的微積分證明了均勻球體會(huì)吸引自身以外的每個(gè)物體，引力與兩個(gè)球的質(zhì)量之積成正比，與兩個(gè)球之間的距離的二次方成反比（萬有引力定理）；…至此牛頓力學(xué)成為一個(gè)比較完整的科學(xué)體系。

簡(jiǎn)單回顧牛頓力學(xué)的發(fā)展史，從亞里士多德、阿基米德等再到牛頓，牛頓力學(xué)之所以發(fā)展成為比較完整的科學(xué)體系，與科學(xué)家們的理性思維、努力從定性、定量完善自己的學(xué)說以及運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決問題等因素密切相關(guān)。作為物理教師，在日常的教學(xué)中就應(yīng)該有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生重視數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)理性思維，注重實(shí)驗(yàn)觀察與定量分析，鼓勵(lì)學(xué)生將物理問題巧妙地轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題來解決。

3 電磁學(xué)發(fā)展史：實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)思想、科學(xué)方法

電磁現(xiàn)象在我國(guó)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的比較早，《呂氏春秋》中明確記載了磁石吸鐵，《論衡·亂龍》等著作有關(guān)于摩擦起電和雷電現(xiàn)象的觀察和記錄，先秦時(shí)代就發(fā)現(xiàn)了磁性的指向，到東漢時(shí)期我國(guó)就發(fā)明了指南針，到北宋時(shí)得使以改進(jìn)，使指南針得到廣泛應(yīng)用。

電現(xiàn)象的研究比較困難，因?yàn)闆]有找到恰當(dāng)?shù)姆绞絹懋a(chǎn)生穩(wěn)定的靜電和對(duì)靜電經(jīng)行測(cè)量。摩擦起電機(jī)發(fā)明了之后，電現(xiàn)象才開始了系統(tǒng)研究。[1]電磁學(xué)理論發(fā)展的過程就是電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)更替的過程，1660年蓋里克發(fā)明了摩擦起電機(jī)之后，1720年格雷通過導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體和絕緣體；1733年杜菲通過實(shí)驗(yàn)區(qū)分出了兩種電荷；富蘭克林通過風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)證明了天電和地電的統(tǒng)一性；奧斯特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)；法拉第經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)明了發(fā)電機(jī)；安培設(shè)計(jì)了精巧的零值實(shí)驗(yàn)，判斷了電流相互作用的特性；歐姆通過大工夫的實(shí)驗(yàn)得出了電路定律；還有伽伐尼通過青蛙實(shí)驗(yàn)研究動(dòng)物電、庫(kù)倫通過電扭秤實(shí)驗(yàn)研究庫(kù)倫定律、伏打用金屬叉使青蛙腿痙攣來研究動(dòng)物電等。物理學(xué)家們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，推動(dòng)了電磁學(xué)理論的深入、系統(tǒng)化發(fā)展。除了這些巧妙的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們敏銳的思想和科學(xué)的方法也閃爍著耀眼的光芒，法拉第構(gòu)想出描繪電磁作用的“力線”、麥克斯韋用“位移電流”和“電磁波”描述了電磁作用的本質(zhì)；庫(kù)倫將萬有引力與靜電場(chǎng)中點(diǎn)電荷之間的相互作用力類比，設(shè)想二者之間的力與距離的二次方成反比，開爾文運(yùn)用類比，把法拉第的“力線”轉(zhuǎn)變?yōu)槎勘硎觥?/p>

電磁現(xiàn)象盡管在古代中國(guó)就留下了許多文字記載，但大多屬于定性的觀察和零碎的描述，沒有形成系統(tǒng)的理論。而反觀西方電磁學(xué)的研究史，伴著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)、敏銳的思想和科學(xué)的方法，靜電學(xué)、流電學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、電磁場(chǎng)感應(yīng)、電磁場(chǎng)理論等經(jīng)典理論得以發(fā)現(xiàn)。物理教學(xué)中，給學(xué)生更多的時(shí)間動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，更多的機(jī)會(huì)提出不同的解決方法，對(duì)于訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想大有裨益。

4 量子力學(xué)完備性爭(zhēng)論：敢于質(zhì)疑、勇于爭(zhēng)辯、兼容并包

量子力學(xué)建立以后，對(duì)于量子力學(xué)的物理解釋和哲學(xué)意義，一直存在著嚴(yán)重的分歧和激烈的爭(zhēng)論。波恩、海森伯、玻爾、愛因斯塔、薛定諤、德布羅意、泡利、玻多爾斯基、羅森等許多著名的物理學(xué)家、哲學(xué)家乃至實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家等都卷入了這場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的大論戰(zhàn)，這一論戰(zhàn)至今還未結(jié)束。一次次地爭(zhēng)論在一步一步揭示量子力學(xué)的本質(zhì)含義，爭(zhēng)論也成為了量子力學(xué)理論發(fā)展的重要組成部分，后來者繼續(xù)在爭(zhēng)論中推動(dòng)著物理學(xué)理論的研究。1953年物理學(xué)家、科學(xué)思想家玻姆提出隱參量理論，1965年貝爾在定域性隱藏量基礎(chǔ)上提出貝爾不等式…后輩的科學(xué)家繼續(xù)著這場(chǎng)論戰(zhàn)。這些科學(xué)家既是嚴(yán)肅論戰(zhàn)的對(duì)手，又是追求真理的戰(zhàn)友，至死不渝地追逐科學(xué)真理。

科學(xué)爭(zhēng)論，不是我們?nèi)粘Ｐ@里熱熱鬧鬧的辯論賽，也不是流行的各種會(huì)議、論壇、開幕式、演講，而且真正的智慧、理論、思維之間的溝通、碰撞、摩擦。物理教學(xué)中，引入科學(xué)家對(duì)具體理論的不同觀點(diǎn)或媒體上爭(zhēng)論的科學(xué)疑難問題，引導(dǎo)學(xué)生思考、質(zhì)疑、爭(zhēng)論或者舉行科學(xué)爭(zhēng)論會(huì)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分辨，學(xué)習(xí)吸收，學(xué)會(huì)揚(yáng)棄。

5 法拉第科學(xué)生涯：發(fā)現(xiàn)學(xué)生、培育學(xué)生、舉薦學(xué)生

法拉第是物理學(xué)史上罕見的多產(chǎn)科學(xué)家，然而出身貧窮的他在科學(xué)生涯的開始階段卻不那么順利，起初在一家書店做裝訂工，向英國(guó)皇家學(xué)院請(qǐng)求安排工作的時(shí)遭到了拒絕。1812年4月，法拉第在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)作學(xué)徒工，有幸聽到了當(dāng)時(shí)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、著名的科學(xué)家戴維的四次演講。幾個(gè)月后他把戴維只有四個(gè)小時(shí)的演講，記錄了下來，并整理補(bǔ)充為386頁的亨·戴維爵士演講錄。他把演講錄交給了戴維，并寫信表達(dá)了希望到皇家學(xué)院工作和為科學(xué)服務(wù)的意愿。戴維閱讀后非常感動(dòng)，當(dāng)天晚上就回復(fù)了法拉第。在戴維的幫助下，1813年3月，法拉第到英國(guó)皇家學(xué)院戴維的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任助手，同年十月，隨戴維開始了為期一年的歐洲之行，親身參加了一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并訪問了歐洲各國(guó)的一流學(xué)者。此后，1821年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)動(dòng)，1823年法拉第液化氯氣成功，但是法拉第的這些成績(jī)卻遭到了戴維的嫉妒，以至在1824年1月8日法拉第英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員選舉會(huì)上戴維投下了當(dāng)時(shí)唯一的反對(duì)票。據(jù)說，戴維去世前有人問他一生最大的發(fā)現(xiàn)是什么，他回答“我最大的發(fā)現(xiàn)就是發(fā)現(xiàn)法拉第”。

1831年11月13日，40歲的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，不久麥克斯韋誕生了。1855年12月，麥克斯韋在劍橋大學(xué)宣讀了自己的第一篇論文《論法拉第的力線》，當(dāng)法拉第讀了麥克斯韋的論文后感覺找到了知音（當(dāng)時(shí)法拉第提出了“場(chǎng)論”，由于缺乏嚴(yán)格推到和證明而遭到輕蔑和反對(duì)，而麥克斯韋論文中的數(shù)學(xué)思想很好的闡釋了法拉第的理論），立即寫信給麥克斯韋，表示感謝和祝賀。1860年秋，麥克斯韋前去拜訪法拉第，年近古稀的法拉第與不到30歲的麥克斯韋一見如故，馬上談?wù)撈鹆怂麄児餐脑掝}。法拉第說“我并不認(rèn)為自己的學(xué)說一定是真理，但你是第一個(gè)真正理解它的人，你不應(yīng)當(dāng)停留于用數(shù)學(xué)來解釋我的觀點(diǎn)” 。[2]隨后，麥克斯韋又繼續(xù)他中斷了四年的電磁理論研究。麥克斯韋在法拉第思想的鼓舞下，于1873年出版了《電磁通論》，全面、系統(tǒng)、嚴(yán)密的論述了電磁場(chǎng)理論的全部精華。

科學(xué)史學(xué)家在評(píng)述法拉第為電磁學(xué)所做的貢獻(xiàn)時(shí)，常常會(huì)提到法拉第的老師戴維和他的忘年交麥克斯韋。戴維發(fā)現(xiàn)了法拉第，并為法拉第的成功提供了條件保障，而麥克思維在法拉第的指導(dǎo)下又發(fā)展和創(chuàng)新了法拉第的理論。物理教師除過平時(shí)的教學(xué)，還應(yīng)該到學(xué)生中去，發(fā)現(xiàn)他們的特長(zhǎng)、培養(yǎng)他們的思維、適時(shí)的舉薦他們，也許他們就是未來的發(fā)法拉第或麥克斯韋。

6 小結(jié)

物理學(xué)史記載了人類揭開世界奧秘的探索旅程，再現(xiàn)了物理學(xué)家們面對(duì)新困惑、新問題怎樣實(shí)現(xiàn)觀念的轉(zhuǎn)變、方法的更新等豐富而多彩的內(nèi)容。學(xué)習(xí)、研究物理學(xué)史可以給物理教師帶來許多啟示。參照新課標(biāo)，結(jié)合物理學(xué)史，反思我們的教學(xué)思路、教學(xué)方法、教學(xué)理念、教學(xué)行為，糾正我們?cè)跉v史上、現(xiàn)實(shí)中存在的問題，不斷嘗試、不斷更新，努力為我們科學(xué)事業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)更多后備人才。

[1]郭奕玲,沈慧君.物理學(xué)史（第2版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2]王力邦.中學(xué)物理教師的學(xué)習(xí)與思考[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[3]吳海源.淺議教學(xué)中運(yùn)用物理學(xué)史培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[J].科教導(dǎo)刊,2012,(2).

[4]塔拉,陶亞萍.物理學(xué)史對(duì)科學(xué)研究的啟示[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版(漢文)版,2003,32(4).