物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的作用

謝鴻

摘 ?要：物理學(xué)史是人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識史，它包含了物理學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律。文章討論在大學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史的必要性，并從幾個(gè)方面分析了物理學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生各方面素質(zhì)起到的一些作用。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史;物理學(xué)美;科學(xué)研究方法;科學(xué)精神

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）11-0120-03

Abstract： The history of physics is the history of human understanding of various physical phenomena in nature， and it contains the general laws of the development of physics. The article discusses the necessity of introducing the history of physics in university physics teaching， and analyzes the role of physics history in cultivating students' various aspects of quality from several aspects.

Keywords： history of physics; the beauty of physics; scientific research method; scientific spirit

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科中的交叉特征顯著。物理學(xué)作為一門嚴(yán)格的基礎(chǔ)學(xué)科，它的基本概念和基本理論已經(jīng)滲透到其他學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。學(xué)好物理是學(xué)好各自然科學(xué)和工程技術(shù)科學(xué)的前提。大學(xué)物理是工科大學(xué)生一門重要的基礎(chǔ)課，它一方面為學(xué)生提供了后續(xù)課程的必要物理基礎(chǔ)，另一方面能使學(xué)生初步認(rèn)識現(xiàn)代科學(xué)研究的基本思想方法。然而，大學(xué)物理課程更多的是向?qū)W生講授物理學(xué)定律及其應(yīng)用，而忽略了這些物理定律的發(fā)現(xiàn)和誕生過程。這就導(dǎo)致了學(xué)生在對物理概念理解不深的情況下，經(jīng)常是被動性地接受教材中直接給出的物理定律，缺乏對物理定律形成和發(fā)展過程的理解，從而使學(xué)生對物理定律有了誤解，認(rèn)為什么結(jié)論都可以由數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來，將物理當(dāng)做一門死板的學(xué)科，失去了對物理的興趣。

事實(shí)上，物理學(xué)在發(fā)展過程中，提供了豐富鮮活的史料。物理學(xué)史不僅包含著物理科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展的過程，展現(xiàn)著物理學(xué)的美，也包含著科學(xué)家們探索研究過程中各種艱辛曲折，體現(xiàn)著科學(xué)家們可貴的品質(zhì)。若能在日常的大學(xué)物理教學(xué)中隨時(shí)穿插著相關(guān)物理學(xué)史的講解，不僅能將學(xué)生的注意力拉回課堂，使學(xué)生了解物理學(xué)建立過程和各種科學(xué)研究方法，對物理科學(xué)有更深刻的認(rèn)識，也能讓學(xué)生走進(jìn)科學(xué)家們的精神世界，培養(yǎng)其科學(xué)精神和科學(xué)品質(zhì)。以下將從幾個(gè)方面介紹物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)過程中的滲透式引入，以及其在培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)起到的一些作用。

一、引導(dǎo)學(xué)生欣賞物理學(xué)的美

科學(xué)與藝術(shù)是人類文化長河的兩個(gè)源頭，都是人類社會實(shí)踐的結(jié)果。藝術(shù)的美是直觀的，通?？杀蝗藗兯苯痈惺堋Ｎ锢韺W(xué)中的美是隱藏在表面下的理性美，是需要審美者通過邏輯思維來理解和想象，才能體會到的以簡潔、和諧、對稱和統(tǒng)一等形式所展現(xiàn)出來的美[1]。

在物理學(xué)中并不缺少美的例子，而是缺少對美的揭示。在大學(xué)物理教學(xué)過程中，通過對物理學(xué)史的引入，引導(dǎo)學(xué)生體會物理學(xué)的簡潔美、對稱美與和諧美。利用各種例子，讓學(xué)生認(rèn)識到自然界除了各種表面可直接觀察到的感性美之外，通過理性思考，可以感受到表面背后潛藏的各種理性美。物理學(xué)追求用簡單的方程來統(tǒng)一地描述自然中紛亂紛雜的各種現(xiàn)象，如牛頓的力學(xué)方程、麥克斯韋方程組、薛定諤方程、狄拉克方程等等，這些方程從復(fù)雜的現(xiàn)象中抽象出簡潔的本質(zhì)，用來描述自然界中的各種運(yùn)動和相互作用，極為深刻的體現(xiàn)了物理學(xué)的簡潔美與統(tǒng)一美。

在教學(xué)中講到相應(yīng)內(nèi)容時(shí)，引入相關(guān)物理學(xué)史，可以讓學(xué)生對這些偉大物理學(xué)家提出的高度統(tǒng)一優(yōu)美方程有更深的理解，也能激發(fā)起他們學(xué)習(xí)的興趣。例如講到牛頓的運(yùn)動方程時(shí)，介紹牛頓慢慢建立其三大定律和萬有引力定律的歷程，并舉例說明天上、地下各種宏觀物體的運(yùn)動，無不包容在牛頓力學(xué)體系范疇內(nèi)。讓學(xué)生體會這樣簡單優(yōu)美的方程卻能夠描述萬物運(yùn)動這樣簡單的深邃美。在講到電磁學(xué)內(nèi)容，可介紹麥克斯韋在前人基礎(chǔ)上以深邃的洞察力建立起電磁場理論的方程組，并從他的方程組出發(fā)推導(dǎo)出電磁波的速度，驚奇地發(fā)現(xiàn)電磁波與真空中的光速相同，從而做出光就是一種電磁波的假設(shè)，隨后赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了麥克斯韋的假設(shè)。光和電磁這種之前看起來完全不相關(guān)的東西，竟然是同一個(gè)東西，并且都能由簡潔優(yōu)美的一個(gè)方程組來深刻描述。在課堂教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生理解這種物理學(xué)的高度統(tǒng)一和內(nèi)在自洽性，讓學(xué)生體會物理學(xué)的和諧美。

物理學(xué)中還處處存在著守恒與對稱美。學(xué)生在高中階段已經(jīng)學(xué)過能量守恒和動量守恒定律，對其也較為熟悉。在大學(xué)物理中，講授到角動量守恒時(shí)，可以介紹女?dāng)?shù)學(xué)家諾特所提出的諾特定理。諾特定理稱每一個(gè)守恒定律都有一個(gè)與其相對應(yīng)的對稱性，能量守恒定律來源于時(shí)間平移對稱性、動量守恒定律來源于空間平移對稱性、角動量守恒定律來源于空間選擇對稱性等。當(dāng)學(xué)生了解到自己很熟悉的各守恒定律背后更深刻的是對稱性時(shí)，必然會對物理學(xué)中的對稱性產(chǎn)生很大興趣。再從通常表面上物體對稱性所呈現(xiàn)出的美，引導(dǎo)學(xué)生細(xì)心體會物理學(xué)中形式上的對稱性、性質(zhì)上的對稱性、以及規(guī)律上的對稱性等各種對稱美。

通過物理學(xué)史中的各種例子，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)掘和欣賞物理學(xué)的各種美，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感受到物理學(xué)的魅力，從而激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣。

二、幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)研究方法

學(xué)生在高中階段和大學(xué)低年級學(xué)習(xí)過程中，教材上給出的都是前人經(jīng)過多次精簡形成的完善的理論體系。而在物理課堂教學(xué)上，教師往往也只注重講授物理定律的理解和應(yīng)用，學(xué)生缺乏對這些定律產(chǎn)生過程的了解。事實(shí)上，每個(gè)基本物理概念和物理定律的產(chǎn)生都是無比艱辛的，除了需要多年的知識積累、許多人走過無數(shù)的彎路、還需要某個(gè)天才靈感突發(fā)的臨門一腳，最終才能慢慢完善其中某個(gè)正確的科學(xué)結(jié)論。

在課堂教學(xué)時(shí)滲透著介紹相應(yīng)的物理學(xué)史，可讓學(xué)生充分了解物理學(xué)家們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)問題，如何思考問題，以及走了哪些彎路，最終采用了什么方法來解決問題。例如，力學(xué)發(fā)展的早期，伽利略發(fā)現(xiàn)了亞里士多德理論中物體下落速度與物體重量成正比的錯(cuò)誤結(jié)論，做了比薩斜塔的落體實(shí)驗(yàn)和斜面實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的想法，并出版了不朽著作《兩門新科學(xué)》。后人在研究伽利略的著作及其信件中，總結(jié)出伽利略研究運(yùn)動學(xué)的方法。伽利略把實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合在一起，既注重邏輯推理，又靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其方法大致如下：對現(xiàn)象的一般觀察，接著提出假設(shè)，再運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯進(jìn)行推理，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終形成理論。愛因斯坦對伽利略評價(jià)極高，認(rèn)為伽利略所采用的科學(xué)研究方法被廣泛采用之后，才有了物理學(xué)發(fā)展的開端。在講授力學(xué)知識時(shí)，對伽利略所發(fā)展的研究方法的介紹，可讓同學(xué)了解早期物理學(xué)發(fā)展歷程，更重要的是讓同學(xué)們知道物理學(xué)是一門理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的科學(xué)。只有在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起的經(jīng)得起檢驗(yàn)的理論，才能由表及里對客觀事物有正確的認(rèn)識。

在介紹物理學(xué)史時(shí)，要提醒同學(xué)們物理學(xué)的研究方法不是唯一的，既有先提出理論假設(shè)，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確性;也有在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象，為了解釋新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而發(fā)展了新的理論。例如前面提到的，伽利略是先提出假說，然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終完善理論;麥克斯韋在統(tǒng)一電磁學(xué)理論過程中，也是先提出了位移電流，建立了方程組，又從方程組預(yù)言光是一種電磁波，而后赫茲證實(shí)了電磁波的存在。這都是屬于先理論后實(shí)驗(yàn)的例子。而在另一方面，物理學(xué)史中也有許多先實(shí)驗(yàn)后理論的例子，比如在給學(xué)生講量子力學(xué)時(shí)，介紹量子力學(xué)的誕生過程，是由于黑體輻射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象用經(jīng)典物理學(xué)辦法解釋，從而普朗克提出能量量子化假設(shè)、愛因斯坦提出光子論等，這導(dǎo)致了早期量子論的誕生。

通過物理學(xué)史中一些實(shí)例的介紹，讓學(xué)生清楚物理學(xué)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科之外，還需要同時(shí)注意介紹一些常用科學(xué)研究方法，如假說、歸納、演繹、類比、綜合等。物理學(xué)的各種研究方法和思維方式影響著許多其他領(lǐng)域，掌握這些方法，對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作有著重要的作用。

三、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)和科學(xué)精神

物理學(xué)史中除了包含物理學(xué)發(fā)生和發(fā)展的基本規(guī)律、物理學(xué)的思想發(fā)展和變革，還包含著無數(shù)科學(xué)家在探索科學(xué)中所體現(xiàn)出的堅(jiān)韌不拔、勇于創(chuàng)新、不畏艱難、以及為科學(xué)獻(xiàn)身的精神。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“科學(xué)對于人類事務(wù)的影響有兩種方式。第一種方式是大家熟悉的，科學(xué)直接地，并且在更大程度上間接地生產(chǎn)出完全改變了人類生活的工具。第二種方式是教育性的，它作用于心靈。盡管草率看來，這種方式不大明顯，但至少同第一種方式一樣銳利?！蔽锢韺W(xué)史是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的地方，發(fā)掘這些精神財(cái)富并從中吸取營養(yǎng)，對學(xué)生有重要的科學(xué)教育意義[2，3]。

在課堂教學(xué)中，穿插著介紹一些物理學(xué)家的小故事，不僅能吸引學(xué)生的課堂注意力，更重要的是讓學(xué)生體會物理學(xué)家們成長道路和為人處世。物理學(xué)家們對待困難和逆境的態(tài)度、對名譽(yù)地位的看法、頑強(qiáng)不懈和努力拼搏的毅力、為人類和國家的奉獻(xiàn)精神等等，都值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

物理學(xué)史上從不缺乏物理學(xué)家們堅(jiān)韌不拔和艱苦奮斗的例子，從為了捍衛(wèi)“日心說”，被關(guān)進(jìn)監(jiān)獄審訊長達(dá)八年的布魯諾，到為了測量熱功當(dāng)量而耗費(fèi)二十余年，做了四百多次實(shí)驗(yàn)的焦耳;從埋頭實(shí)驗(yàn)室五十余年之久，測量引力常數(shù)和驗(yàn)證電力平方反比定律的卡文迪許，到花費(fèi)三年多時(shí)間從成噸礦渣中提煉出0.1克鐳，并且因此受到放射性元素危害而獻(xiàn)身科學(xué)的居里夫人;從出生在貧苦鐵匠家庭而歷經(jīng)艱辛，堅(jiān)持十余年矢志不渝探索電磁感應(yīng)現(xiàn)象的法拉第，到全身癱瘓必須通過語音合成器與人溝通，仍在宇宙學(xué)做出重要貢獻(xiàn)的霍金?？茖W(xué)之路是無數(shù)物理學(xué)家用才智和心血鋪就的，教學(xué)中利用物理學(xué)史豐富的素材，讓學(xué)生走入物理學(xué)家們的內(nèi)心世界，可以培養(yǎng)學(xué)生吃苦耐勞的精神。

物理學(xué)的發(fā)展史也是一部不斷否定和創(chuàng)新的歷史，在日常教學(xué)中，引入相應(yīng)的物理學(xué)史，展現(xiàn)一些物理學(xué)家勇于打破權(quán)威和大膽創(chuàng)新的史料，也可以引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)自己的批判和創(chuàng)新意識。例如，在課堂教學(xué)中講到牛頓力學(xué)時(shí)，可以介紹馬赫對牛頓絕對時(shí)空觀的批判，愛因斯坦對馬赫的批判精神有高度的評價(jià)，把他稱為相對論的先驅(qū)。而愛因斯坦本人更是充滿了批判與創(chuàng)新精神，狹義和廣義相對論完全顛覆了牛頓力學(xué)，并把牛頓的力學(xué)體系納入了相對論范疇。相對論以極具創(chuàng)新的理論改變了人類對宇宙的認(rèn)識。在量子力學(xué)創(chuàng)建過程中，各種創(chuàng)新思想和概念更是層出不窮，如能量量子化假設(shè)、波粒二象性等等，其誕生歷史就是一個(gè)極具創(chuàng)造力的歷史。若在給學(xué)生講授量子力學(xué)過程中，融合各種物理學(xué)史料介紹這段歷史，其中各種革命性的思想將會給學(xué)生帶來一定的沖擊，鼓勵(lì)學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新精神。此外，物理學(xué)史中豐富的素材，對學(xué)生正確人生觀和價(jià)值觀的樹立也可起到啟示和塑造的作用。

四、物理學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系

物理學(xué)是一門基礎(chǔ)科學(xué)，也是在不斷發(fā)展中的科學(xué)。它是許多科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)，提供了許多新技術(shù)更新發(fā)展的理論依據(jù)。課堂教學(xué)中引入物理學(xué)史的介紹，可以使學(xué)生對物理學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系有深入的認(rèn)識。由于學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程的基本上是工科專業(yè)的學(xué)生，讓學(xué)生明白物理學(xué)是各種工程技術(shù)的基礎(chǔ)，并且和學(xué)生們今后的專業(yè)課程緊密相關(guān)，也會激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的熱情。

大學(xué)物理課程包含了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等經(jīng)典物理學(xué)的內(nèi)容，對相對論和量子力學(xué)也有簡單的介紹。這些內(nèi)容理論體系已經(jīng)完善，現(xiàn)代科技的發(fā)展也基本離不開這些內(nèi)容。在課程中滲透相關(guān)物理學(xué)史的內(nèi)容，會使學(xué)生對本專業(yè)的知識脈絡(luò)有更清晰的認(rèn)識。例如在講授電磁學(xué)內(nèi)容時(shí)，可以介紹電磁學(xué)發(fā)展歷史和在現(xiàn)代科技中的作用，現(xiàn)在人類生活中的一切電器，包括手機(jī)、電腦、通信設(shè)備等等，無不是以電磁學(xué)理論作為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。在認(rèn)識到光是一種電磁波之后，光學(xué)在許多方面的技術(shù)應(yīng)用，其基礎(chǔ)理論依據(jù)也是電磁學(xué)理論。力學(xué)更不必說，在牛頓力學(xué)誕生的幾百年時(shí)間里，人們已經(jīng)發(fā)展出流體力學(xué)、彈性力學(xué)、分析力學(xué)等分支，并廣泛應(yīng)用在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。人類文明同樣也廣泛受益于熱學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用，熱學(xué)發(fā)展的早期就伴隨著熱機(jī)的出現(xiàn)，有了蒸汽機(jī)的發(fā)明，才有了第一次工業(yè)革命，而到現(xiàn)在的各種內(nèi)燃機(jī)、冰箱、空調(diào)等，也都依賴于經(jīng)典熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論。此外，在上個(gè)世紀(jì)量子力學(xué)誕生后，以量子力學(xué)為基本理論基礎(chǔ)，才有了激光技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、晶體管的發(fā)明等，這些科技的發(fā)展，極大地促進(jìn)了人類文明的發(fā)展。通過對物理史料的講解，讓學(xué)生懂得物理學(xué)的重要地位，學(xué)生才能端正學(xué)習(xí)態(tài)度，認(rèn)真學(xué)好物理。

此外，在引入物理學(xué)史時(shí)，還應(yīng)提醒學(xué)生物理學(xué)與其他自然科學(xué)的關(guān)系。數(shù)學(xué)是物理學(xué)用來描述自然的工具，沒有數(shù)學(xué)，就沒辦法嚴(yán)格精確的表達(dá)自然規(guī)律。例如，沒有微積分，牛頓就無法得出萬有引力定律;沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)，也就很難發(fā)展出分子運(yùn)動論，沒有黎曼張量，廣義相對論也不能完善。物理學(xué)與化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科結(jié)合，也產(chǎn)生了一些很有生命力的學(xué)科，如物理化學(xué)、生物物理、地球物理等等。通過這些內(nèi)容的介紹，可以讓學(xué)生開闊眼界，了解物理學(xué)在整個(gè)科學(xué)發(fā)展史中的重要地位。

五、結(jié)束語

在課堂教學(xué)中引入物理學(xué)史，有利于幫助學(xué)生理解物理學(xué)發(fā)展的規(guī)律，加深對物理概念和物理定律的理解，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的美、了解物理學(xué)科特點(diǎn)、以及物理學(xué)和技術(shù)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的科學(xué)研究方法、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)和科研精神。但是也應(yīng)該注意到，物理學(xué)史的引入并不能代替物理的課題教學(xué)，它應(yīng)該只是起到輔助作用，讓學(xué)生通過對物理學(xué)史的了解形成促進(jìn)自己前進(jìn)的動力。

參考文獻(xiàn)：

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