利用通識課程《物理學(xué)史》來傳遞物理文化和培養(yǎng)物理思維——通識課程《物理學(xué)史》建設(shè)及改革初探

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系　黑龍江 哈爾濱　150001)

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利用通識課程《物理學(xué)史》來傳遞物理文化和培養(yǎng)物理思維——通識課程《物理學(xué)史》建設(shè)及改革初探

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系黑龍江 哈爾濱150001)

摘 要：通過問卷調(diào)查深入了解學(xué)生對《物理學(xué)史》課程的需求，分析了將《物理學(xué)史》建設(shè)為本科生通識課程的可行性．根據(jù)學(xué)生對該課程的需求，對物理學(xué)史課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和考核手段等方面都做了改革，實踐結(jié)果表明：物理學(xué)史課程的教學(xué)可以實現(xiàn)其傳遞物理文化、培養(yǎng)物理思維模式的教學(xué)目標(biāo)．

關(guān)鍵詞：通識課程物理學(xué)史教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)

1引言

物理學(xué)史是人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識史，主要研究物理學(xué)發(fā)生和發(fā)展的基本規(guī)律，包括物理學(xué)概念、思想的發(fā)展和變革，物理學(xué)發(fā)展與社會背景關(guān)系，各個分支學(xué)科間聯(lián)系以及與其他學(xué)科的聯(lián)系．近年來，人們對物理學(xué)史的素質(zhì)教育功能及其在大學(xué)物理、大學(xué)物理實驗教學(xué)中的作用進(jìn)行了深入的探討和教學(xué)實踐研究．很多高校的物理專業(yè)，都將物理學(xué)史設(shè)為通識性的基礎(chǔ)必修課或選修課程．可以說物理學(xué)史的教育地位已經(jīng)被廣大物理教師和教育學(xué)家認(rèn)可．但是，作為通識課程的物理學(xué)史應(yīng)該具有怎樣的教學(xué)理念？究竟應(yīng)該講什么怎么講？這些內(nèi)容是否對學(xué)生有吸引力？如何能讓這門既有科學(xué)性又有文化性的課程擔(dān)負(fù)起其素質(zhì)教育的責(zé)任？這些都是需要我們進(jìn)行深入探討的．

2問卷調(diào)查

為了解決這些問題，我們面向哈爾濱工業(yè)大學(xué)2013年入學(xué)的本科生發(fā)放了調(diào)查問卷，共發(fā)放2 560份問卷，收回有效問卷2 115份．問卷內(nèi)容涉及本課程的選修意愿、課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式等幾個方面，目的是為了了解學(xué)生對物理學(xué)史的需求情況．問卷涉及的問題以及調(diào)查結(jié)果如表1所示．

表1　調(diào)查問卷

調(diào)查結(jié)果表明，多數(shù)同學(xué)對《物理學(xué)史》這門通識課程有興趣，會選擇選修．還有一部分同學(xué)沒有明確的反對．這就是說，針對全校開設(shè)這樣一門通識選修課程具有可行性．在對該課程教學(xué)手段的調(diào)查(2題)結(jié)果表明，認(rèn)為學(xué)習(xí)過程不需要老師參與的同學(xué)(選擇A的)約為12.8%，而35.6%的學(xué)生(選擇B和D的)不想采取自學(xué)或網(wǎng)上Mooc的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)；需要老師參與，但可以自學(xué)的同學(xué)(選擇C和E)占52.6%．針對這一結(jié)果，我們認(rèn)為這門課程還是要以課堂教學(xué)為主，但應(yīng)該為學(xué)生提供一些明確的主題，讓學(xué)生自學(xué)，在課堂上進(jìn)行討論，這樣的教學(xué)方式更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．針對教學(xué)內(nèi)容的調(diào)查(3題)結(jié)果表明，學(xué)生希望了解的內(nèi)容依次為：物理學(xué)家的思維習(xí)慣和物理思想、物理學(xué)發(fā)展史上的趣事、了解物理學(xué)前沿、能激發(fā)學(xué)習(xí)物理興趣的內(nèi)容、物理學(xué)的研究方法．根據(jù)這一調(diào)查結(jié)果，我們對通識課程《物理學(xué)史》的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段都做了調(diào)整，并在2013年級物理系學(xué)生中試行．下面，介紹一下我們在通識課程《物理學(xué)史》的教學(xué)過程中一些嘗試．

3改革嘗試

3.1教學(xué)理念改革——利用物理學(xué)史傳播物理文化和物理學(xué)思想方法

從調(diào)查問卷的結(jié)果可以看出，很多學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)史應(yīng)該成為拓展學(xué)習(xí)興趣的課程，學(xué)生們對物理學(xué)史的教育功能和重要性認(rèn)識明顯不足．我們認(rèn)為：物理學(xué)史教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該定位在“兼有史學(xué)性質(zhì)和科學(xué)素質(zhì)教育功能，同時還應(yīng)擔(dān)負(fù)著傳遞物理文化、傳播科學(xué)思維方式的作用”．應(yīng)通過展示人類揭開物理世界奧秘和令人興奮的探索過程，使學(xué)生了解科學(xué)大師們的科學(xué)創(chuàng)造思路，最終實現(xiàn)訓(xùn)練科學(xué)思維方式、培養(yǎng)提出問題能力的目的．

物理學(xué)史和自然科學(xué)史告訴我們，重要的發(fā)明創(chuàng)造并不是前人研究內(nèi)容的簡單重復(fù)，而是前人研究方法、思維特征的重現(xiàn)，并且它更是螺旋式上升的．物理學(xué)史的教學(xué)應(yīng)該使學(xué)生掌握物理學(xué)發(fā)展過程中已形成的研究方法、思維特性和思想方法，深入理解物理學(xué)所揭示的機(jī)械觀、時空觀、因果性、對稱性、和諧性、守恒性，以及絕對與相對、無序和有序等物理文化．因此，在物理學(xué)史的教學(xué)中, 應(yīng)將重點放在物理學(xué)思想方法和物理文化的傳揚(yáng)上來，在傳授“史實”的同時，深入體現(xiàn)物理文化和物理思想方法的特征，避免在課程講述過程中以講述科學(xué)家的傳記和發(fā)明過程的小故事為主，使得聽學(xué)生“聽史興嘆”．而應(yīng)通過展示人類揭開物理世界奧秘和令人興奮的探索過程，使學(xué)生了解科學(xué)大師們的科學(xué)創(chuàng)造思路，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法和科學(xué)思維的訓(xùn)練，最終實現(xiàn)訓(xùn)練科學(xué)思維方式、培養(yǎng)提出問題能力的目的．

3.2教學(xué)內(nèi)容改革——旨在培養(yǎng)學(xué)生物理思維模式和發(fā)現(xiàn)問題能力

為了實現(xiàn)“傳播物理文化和物理思維模式，為學(xué)生指明發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的方向”，我們把物理學(xué)史的內(nèi)容作了較大的調(diào)整．圖1分別給出了2013年前物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容和2014年內(nèi)容改革后的教學(xué)內(nèi)容．從圖中可以看出，內(nèi)容改革前物理學(xué)史的教學(xué)是以時間順序為主線，以物理學(xué)所屬二級學(xué)科的建立過程為主要內(nèi)容，介紹物理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的歷史[1]．這種模式的特點是：思路清晰、順序感強(qiáng)．為了將物理學(xué)史建設(shè)為通識課程，我們對該課程的教學(xué)內(nèi)容重新進(jìn)行了設(shè)計．除了第四章“經(jīng)典物理學(xué)的建立和發(fā)展”延續(xù)了原來的教學(xué)內(nèi)容外，我們將其他內(nèi)容的變化概括為以下3個方面．

圖1　改革前后物理學(xué)史教學(xué)內(nèi)容對照圖

(1)強(qiáng)調(diào)物理學(xué)是科學(xué)也是文化，展現(xiàn)“科藝交融”

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計打破了按時間的分類模式，概括性選擇了施大寧教授的“物理與藝術(shù)”這本教材的內(nèi)容[2]，從物理家和西方藝術(shù)家兩個角度闡述了人類對空間、時間和光(包括本性和色彩)的認(rèn)知過程，強(qiáng)調(diào)西方前衛(wèi)藝術(shù)作品中表現(xiàn)出來的科學(xué)性，同時也介紹了經(jīng)典和現(xiàn)代物理學(xué)中體現(xiàn)出來的藝術(shù)美．告訴學(xué)生，客觀世界只有一個，但是認(rèn)識它的方式卻有很多種，只有不斷開闊自己的眼界，才可能有活躍的思維模式．

(2)以諾貝爾物理學(xué)獎為主線，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識、把握物理學(xué)發(fā)展前沿

諾貝爾物理學(xué)獎是物理學(xué)界的最高榮譽(yù)，每一獎項的頒發(fā)都能充分體現(xiàn)出研究成果的社會價值和歷史價值．諾貝爾獎所涉及的研究成果，都是物理學(xué)領(lǐng)域的里程碑，其發(fā)展能夠顯示現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展軌跡和脈絡(luò)．因此，了解和掌握諾貝爾物理學(xué)獎得主和他們的獲獎原因，從社會背景、技術(shù)發(fā)展和獨(dú)特思維方式幾個并行角度分析現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，能夠引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理學(xué)發(fā)展前沿，學(xué)會從諾貝爾物理學(xué)獎所涉及的領(lǐng)域中尋找物理學(xué)科的發(fā)展趨勢，預(yù)測并尋找前沿領(lǐng)域的研究方向，為研究性學(xué)習(xí)開拓更廣闊的視野．比如，介紹1901年諾貝爾獎物理學(xué)獎時，可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到：X射線的發(fā)現(xiàn)，開啟了醫(yī)學(xué)影像的革命、打開了研究晶體結(jié)構(gòu)的大門；對X射線的應(yīng)用導(dǎo)致了放射性、電子以及α和β射線的發(fā)現(xiàn)，最終完善了原子核模型，同時也為物質(zhì)波假設(shè)的驗證提供了重要的依據(jù)[3]．

(3)從物理學(xué)發(fā)展史中總結(jié)物理學(xué)的研究方法、思維模式和物理思想

在“物理學(xué)研究方法和物理思維模式”章節(jié)中，我們分別介紹了：物理學(xué)中基本概念的演化、物理學(xué)思維方法和物理學(xué)研究方法這3個專題．

基本概念的演化專題中，主要以質(zhì)量、能量和動量等幾個基本概念的提出、歷史演變過程、發(fā)展和完善等幾個角度介紹基本概念的演化過程，讓學(xué)生體會到物理學(xué)本身是一門不斷發(fā)展、逐漸完善但永遠(yuǎn)不會完美的科學(xué)，鼓勵學(xué)生敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、敢于創(chuàng)新．

物理學(xué)思維方法專題中，我們主要介紹了對稱性思維、有條件批判思維、統(tǒng)一性思維等物理學(xué)中的主要思維方法，并以物理學(xué)發(fā)展史中具體的實例來說明這些思維方法．如：利用庫侖定律、物質(zhì)波假設(shè)和波函數(shù)的提出來說明對稱性思維的重要性；利用愛因斯坦的狹義相對論的基本假設(shè)、電子自旋的提出，來說明有條件批判思維在物理學(xué)發(fā)展中的重要地位．

物理學(xué)研究方法專題中，主要介紹了理想化方法、類比法和觀察實驗法．分別討論這幾種方法的定義、應(yīng)用范圍和物理學(xué)史中相關(guān)實例．如通過詳細(xì)介紹電磁學(xué)理論的發(fā)展過程、薛定諤方程的提出過程來說明物理學(xué)家是如何利用類比的研究方法來探索未知世界的．

3.3考核方式改革——針對不同內(nèi)容進(jìn)行多樣化考核

在考核方式上，我們采取了累加式考核的方式．具體的做法是：針對不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的考核方式．針對物理發(fā)展主線和經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展部分內(nèi)容，采用開卷筆試的方式，主要考查學(xué)生對發(fā)展史的了解程度和學(xué)生自主總結(jié)、歸納的學(xué)習(xí)能力．針對諾貝爾物理學(xué)獎這一部分內(nèi)容，我們以“通過深入分析各階段諾貝爾物理學(xué)獎項所涉及的研究領(lǐng)域分布及發(fā)展趨勢，預(yù)測今后20年來諾貝爾物理學(xué)獎項會涉及那些研究領(lǐng)域”為題，讓學(xué)生做深度課程論文，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主討論，目的是鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力、培養(yǎng)物理思維模式．針對物理學(xué)基本概念、思維模式等方面，我們將學(xué)生分成7組，每組5人，教師為每組規(guī)定一個專題(如質(zhì)量的演化、批判思維在物理學(xué)發(fā)展史中的應(yīng)用等)、規(guī)定討論要素后進(jìn)行分組討論，并以報告的形式為其他同學(xué)講解，考查學(xué)生團(tuán)結(jié)合作、邏輯思維等多方面能力．

4結(jié)論

物理學(xué)史教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和考核方式的改革，收到較好的教學(xué)效果．從學(xué)生的反饋意見可以看出，學(xué)生對第2，3，6，7部分[圖1(b)所示]內(nèi)容非常感興趣，認(rèn)為該課程的學(xué)習(xí)，使自己“感受到了不一樣的物理”、“系統(tǒng)地了解了物理思維、研究方法”；學(xué)生對分組討論的考核方式也很感興趣，認(rèn)為這種考核方式“可以增強(qiáng)團(tuán)隊意識，培養(yǎng)協(xié)作精神”．這些反饋結(jié)果都說明，通過教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和考核方式的改變，通識課程《物理學(xué)史》可以實現(xiàn)其“傳授物理知識、傳播物理文化、培養(yǎng)科學(xué)思維方式和發(fā)現(xiàn)問題能力”的教學(xué)目標(biāo)．

參 考 文 獻(xiàn)

1郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史.北京：清華大學(xué)出版社,1993

2施大寧.物理與藝術(shù).北京：科學(xué)出版社,2005

3郭奕玲，沈慧君.諾貝爾物理學(xué)獎(1901~2010).北京：清華大學(xué)出版社,2012

孟慶鑫侯春風(fēng)李助鵬張 宇韓 權(quán)**教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程指導(dǎo)委員會教學(xué)研究立項項目：DWJZW201504db,DWJZW201402db；黑龍江省教育科學(xué)研究團(tuán)隊專項課題：GJG1214007作者簡介：孟慶鑫(1972-)，女，博士，副教授，主要從事基礎(chǔ)物理教學(xué)、教學(xué)研究和光電功能材料與器件的研究.

(收稿日期：2015-12-01)