關(guān)于在大學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史的探討

鄧浩亮

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)理學(xué)院，天津 300222）

《大學(xué)物理》是面向理工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門必修課。作為一門公共基礎(chǔ)課，該課程擔(dān)負(fù)著雙重使命：其一，使學(xué)生對物理學(xué)的基本概念、基本理論有比較全面、系統(tǒng)的理解和掌握，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)；其二，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神、創(chuàng)新思維及實事求是的科學(xué)態(tài)度，幫助學(xué)生建立辯證唯物主義的世界觀。然而，要實現(xiàn)這兩個目標(biāo)卻并不那么容易。一方面，大學(xué)物理只是一門公共基礎(chǔ)課而非專業(yè)課，許多學(xué)生認(rèn)為物理與今后從事的專業(yè)關(guān)系不是很大，因而對其重視不夠；另一方面，物理學(xué)中的許多概念、定律、定理比較抽象，不容易理解和掌握，再加之微積分和矢量運(yùn)算的引入，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。此外，傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)模式以傳授基本的物理知識為主要目的，只將現(xiàn)成的概念、定律、定理教給學(xué)生，而忽視了告知學(xué)生這些概念、定律、定理是如何建立起來的。學(xué)生搞不清所學(xué)物理知識的來龍去脈，面對那些抽象、枯燥的公式，自然提不起學(xué)習(xí)的興趣。

作為改革傳統(tǒng)物理教學(xué)模式的一種手段，在物理教學(xué)中引入物理學(xué)史一直以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-12]。物理學(xué)史是研究物理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律的一門科學(xué)[13]，其中包括了物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的傳奇故事和曲折過程，物理學(xué)新舊觀念、新舊學(xué)說之間的爭論，以及唯物主義和唯心主義之間的斗爭。美國著名的科學(xué)史學(xué)家弗·卡約里在《物理學(xué)史》的第一版序中提到：“讀一點科學(xué)史有助于對科學(xué)產(chǎn)生興趣，并且由閱讀科學(xué)史而得到的關(guān)于人類知識發(fā)展的總的觀念本身是鼓舞人心并有助于解放思想的”[14]。傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)模式主要是從現(xiàn)有物理規(guī)律的邏輯性角度出發(fā)來組織教學(xué)，這樣做雖然可以使學(xué)生比較快速有效地掌握現(xiàn)有的物理知識，但是忽略了對物理規(guī)律獲得的歷史過程的介紹。在大學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，可以將物理規(guī)律的“邏輯性”和“歷史性”有機(jī)地結(jié)合起來。

1 在大學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史的重要意義

1.1 引入物理學(xué)史有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

一提到物理學(xué)，許多學(xué)生首先想到的是抽象的公式和復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，所以很容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)上的畏難情緒。如果教師在講授物理規(guī)律時仍采用滿黑板公式推導(dǎo)的授課方式，無疑會加深學(xué)生對物理學(xué)的恐懼，從而影響學(xué)生的聽課效率和學(xué)習(xí)積極性。如果在物理教學(xué)中能夠適當(dāng)?shù)卮┎逡恍┡c課程內(nèi)容相關(guān)的物理學(xué)史知識，可以有效地活躍課堂氣氛，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，在導(dǎo)入新課時可以介紹一下相關(guān)物理學(xué)家的生平簡介、逸聞趣事，或者歷史背景、曾經(jīng)出現(xiàn)的爭論等等。目前許多大學(xué)物理教材也有意識地引入了物理學(xué)史的內(nèi)容，如張三慧編寫的《大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)》中就開辟了“今日物理趣聞”專欄，介紹如基本粒子、宇宙發(fā)展、能源與環(huán)境、超導(dǎo)、全息等課題[15]，以開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，在物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，還可以使學(xué)生認(rèn)識到物理學(xué)不僅是一門純粹的理論學(xué)科，而且還是與人類社會發(fā)展密切相關(guān)的科學(xué)，例如蒸汽機(jī)的發(fā)明與改良加速了工業(yè)革命的進(jìn)程；電磁學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了電氣時代；量子物理的發(fā)展加快了信息時代的到來等等。明白了物理學(xué)的重要性以后，學(xué)生才可能更加積極、主動地投入到物理學(xué)的學(xué)習(xí)中去。

1.2 引入物理學(xué)史有助于學(xué)生理解物理概念和物理定律

在物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，可以幫助學(xué)生理解和掌握所學(xué)的物理概念、物理定律的本質(zhì)。僅記住物理概念的定義和物理定律的數(shù)學(xué)形式，能夠運(yùn)用物理公式求解相應(yīng)的習(xí)題，還不等于已經(jīng)理解了這些物理概念、物理定律的本質(zhì)和豐富內(nèi)涵。通過引入物理學(xué)史可以讓學(xué)生認(rèn)識到，物理學(xué)的發(fā)展不是一蹴而就的，而是一個漫長而又曲折的過程。每一個物理概念的建立、每一條物理定律的發(fā)現(xiàn)，都是物理學(xué)家們對自然界長期探索并經(jīng)過抽象概括獲得的?；仡櫭恳粋€重要的物理概念、物理定律的醞釀、產(chǎn)生和發(fā)展的歷史過程，可以使學(xué)生了解物理學(xué)家們是如何建立物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的，循著物理學(xué)家的思維方法和探索途徑來重新建立物理概念和發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，可以讓學(xué)生更深刻地理解這些物理概念和物理定律。例如在趙凱華、陳熙謀[16]編寫的《電磁學(xué)》中“穩(wěn)恒磁場”一章，編者通過引用物理學(xué)史料詳細(xì)講述了安培定律的發(fā)現(xiàn)與建立的全過程。這為學(xué)生更好地理解和掌握安培定律提供了幫助，是一個將物理學(xué)史引入物理教學(xué)的典型案例。

1.3 引入物理學(xué)史有助于學(xué)生掌握科學(xué)研究方法

“授人以魚，不如授人以漁。”在大學(xué)物理教學(xué)中，除了講授物理學(xué)知識外，科學(xué)研究方法的培養(yǎng)也是非常重要的教學(xué)目標(biāo)，而物理學(xué)史的引入可以幫助學(xué)生認(rèn)識和掌握物理學(xué)中研究問題的方法。物理學(xué)的研究方法是經(jīng)過一代又一代物理學(xué)家在長期的科學(xué)研究中逐步摸索、積累起來的。從亞里士多德時代的哲學(xué)思辨法，到伽利略時代的實驗法，以及類比法、對稱法、守恒法、統(tǒng)計方法，還有愛因斯坦開創(chuàng)的思想實驗法等等，這些研究方法在物理學(xué)的發(fā)展過程中都起到了非常重要的作用。在物理學(xué)的發(fā)展史上，許多偉大科學(xué)家的發(fā)明創(chuàng)造，都與他們找到了正確合理的方法密切相關(guān)。例如，運(yùn)用假說、實驗與數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，伽利略揭示了自由落體運(yùn)動的規(guī)律；通過將電流與熱傳導(dǎo)相類比，歐姆總結(jié)出了著名的歐姆定律；根據(jù)對稱法，法拉第由奧斯特小磁針實驗揭示的“電生磁”提出了“磁能否生電”的問題，經(jīng)過近10年的實驗研究最終概括出了電磁感應(yīng)定律。因此，在物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，有助于學(xué)生了解物理學(xué)家們是如何思考和研究問題的，引導(dǎo)學(xué)生逐漸認(rèn)識和掌握物理學(xué)的研究方法，從而提高學(xué)生的科學(xué)研究水平。

1.4 引入物理學(xué)史有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)造性思維

物理學(xué)史中有許多關(guān)于物理學(xué)家的感人故事，如第谷·布拉赫堅持30多年觀察恒星的運(yùn)動，獲得了詳細(xì)的第一手天文資料，為開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)鋪平了道路；居里夫婦不畏實驗條件的簡陋和實驗工作的繁重，經(jīng)過近4年的不懈努力才從數(shù)噸瀝青鈾礦渣中提取出0.1 g鐳；發(fā)明家愛迪生在經(jīng)歷了近8 000次的失敗后才成功找到合適的燈絲材料；從提出“磁生電”的設(shè)想到實驗上發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第經(jīng)過了近10年的努力，等等。這些偉大科學(xué)家們所具有的一絲不茍的科學(xué)態(tài)度、持之以恒的探索精神、不畏艱辛的堅強(qiáng)意志，都會給學(xué)生留下深刻的印象。在物理教學(xué)過程中，結(jié)合講授的具體內(nèi)容引入一些相關(guān)物理學(xué)家的故事，可以為學(xué)生樹立學(xué)習(xí)的榜樣，激勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)獻(xiàn)身精神。

此外，物理學(xué)史的引入還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。創(chuàng)造性思維就是不迷信學(xué)術(shù)權(quán)威和教科書，不局限于傳統(tǒng)的觀念和理論。當(dāng)現(xiàn)有的理論無法解釋實驗現(xiàn)象時，誰能擺脫傳統(tǒng)觀念的束縛，勇于提出新的思想，誰就有可能做出創(chuàng)造性的工作。如普朗克為了解釋黑體輻射現(xiàn)象提出了“能量子”假說，愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)提出了“光子”假說等等。幾乎每一個物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)都是從物理學(xué)家對已有理論的懷疑開始的，如伽利略對亞里士多德的“重的物體比輕的物體下落快”的懷疑促成了“自由落體定律”的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦對經(jīng)典力學(xué)中“同時性”的懷疑促成了狹義相對論的產(chǎn)生等。懷疑精神的具體表現(xiàn)就是敢于提出科學(xué)問題。楊福家[17]在其編寫的《原子物理學(xué)》序言中提到，“成功的教學(xué)必須誘發(fā)問題；聽了課、讀了書，只感到‘聽得舒服，讀來都懂’是不夠的，真正的收獲還應(yīng)該反映在有沒有產(chǎn)生新的問題?！蔽锢韺W(xué)史中包含了大量物理學(xué)家的創(chuàng)造性工作案例，將其穿插在物理教學(xué)中不僅可以使課程內(nèi)容更加生動，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

2 在大學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史可能存在的問題

目前，物理學(xué)史在物理教學(xué)中所起的重要作用已得到人們的普遍認(rèn)可。但是，在具體的實施過程中也會出現(xiàn)一些問題。作為一門獨(dú)立的學(xué)科，物理學(xué)史有其自身的知識體系結(jié)構(gòu)。在物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，實際上是將物理學(xué)史作為一種輔助手段來期望得到更好的教學(xué)效果。因此，在引入物理學(xué)史的過程中，很可能會出現(xiàn)有意無意地歪曲歷史的現(xiàn)象，形成所謂的“準(zhǔn)歷史”[18]。在一些物理教材中就存在這樣的“準(zhǔn)歷史”，如由經(jīng)典物理學(xué)理論得出的瑞利—金斯公式無法解釋黑體輻射規(guī)律，從而促成普朗克提出了“能量子”假說；邁克爾遜——莫雷實驗的零結(jié)果促成了愛因斯坦狹義相對論的誕生，等等?！皽?zhǔn)歷史”的產(chǎn)生存在兩方面的原因：在客觀方面，廣大物理教師手頭缺少詳細(xì)準(zhǔn)確的物理學(xué)史資料，也沒有太多的時間和精力進(jìn)行深入的查閱和核實，這方面問題的解決有待于物理學(xué)史研究的不斷發(fā)展和相關(guān)物理學(xué)史著作的發(fā)表；在主觀方面，教師或教材的編者常常按照某種思維模式或教學(xué)要求去選取和安排歷史材料。經(jīng)過人為裁剪、取舍的歷史就是“準(zhǔn)歷史”，它會給學(xué)生一種假象，似乎物理學(xué)就是沿著一個既定的方向發(fā)展到今天這個樣子的。此外，由于教學(xué)大綱和課時的限制，在課堂上教師只能把一些物理學(xué)史的片斷講給學(xué)生聽，而且許多教科書也是這樣編寫的，僅僅通過很少的幾個物理名人來描述物理學(xué)的發(fā)展過程。這樣做的后果就是忽略了其他眾多物理學(xué)工作者在物理學(xué)發(fā)展中所起的作用，而這是不符合物理學(xué)的真實發(fā)展過程的。要發(fā)揮物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的積極作用，就應(yīng)該消除“準(zhǔn)歷史”現(xiàn)象，把真實的物理學(xué)史講給學(xué)生聽。要想達(dá)到良好的教學(xué)效果，就要求物理教師必須具備與之相適應(yīng)的素質(zhì)和知識結(jié)構(gòu)。物理教師要對物理學(xué)史有比較全面的了解，除了教材中的物理學(xué)史知識外，還要補(bǔ)充與課程中物理知識相關(guān)的物理學(xué)史內(nèi)容。此外，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異，物理教師還應(yīng)該不斷關(guān)注并搜集與課程內(nèi)容相關(guān)的科技信息，這些信息是延伸已有的物理學(xué)史的最好素材。

3 結(jié)語

物理學(xué)史是一座豐富的知識寶庫，是大學(xué)物理教學(xué)中不可缺少的一部分。在物理教學(xué)過程中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)?shù)匾胍恍┪锢韺W(xué)史知識，既有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有助于學(xué)生理解和掌握所學(xué)的物理知識；既能促進(jìn)學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法，又能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)造性思維。然而，在大學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，并不是一件容易的事，需要物理教師具備豐富的物理學(xué)史知識，并且能夠在教學(xué)過程中合理運(yùn)用。只有在具體的教學(xué)過程中不斷摸索和改進(jìn)，才能最大限度地發(fā)揮物理學(xué)史在物理教學(xué)中的重要作用。