在大學(xué)物理課程中引入物理學(xué)史的探索和研究

姚崢嶸

（中國藥科大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 211198）

0 引言

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律以及相互作用的基礎(chǔ)學(xué)科，物理學(xué)的基本原理和方法已經(jīng)滲透到了自然科學(xué)的一切領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的各個部門[1]。而物理學(xué)史則是物理科學(xué)發(fā)展的歷史，從社會歷史發(fā)展的角度研究人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認識史，研究物理學(xué)概念、規(guī)律、思想的產(chǎn)生和變革的過程，研究物理科學(xué)演變和發(fā)展的基本規(guī)律；蘊含著科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱辛歷程，蘊含著執(zhí)著的科學(xué)態(tài)度和豐富的科學(xué)方法[2]。在非物理類專業(yè)的大學(xué)物理課程中恰當(dāng)?shù)匾胛锢韺W(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，對提高課堂教學(xué)質(zhì)量具有重要的作用。

1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

縱觀物理學(xué)的發(fā)展歷史，物理學(xué)不僅推動了天文學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，還促進了材料學(xué)、生物物理學(xué)等新興交叉學(xué)科的誕生。許多諾貝爾化學(xué)獎、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的獲獎?wù)呔哂形锢韺W(xué)的教育背景。例如，1969年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了物理學(xué)家M.Delbruck；2017年的諾貝爾化學(xué)獎頒給了J.Dubochet、J.Frank和R.Henderson，以表彰他們發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)并對溶液中生物分子結(jié)構(gòu)的高分辨解析所作的貢獻，其中J.Dubochet和J.Frank是物理學(xué)家，而R.Henderson則是生物物理學(xué)家。這些內(nèi)容都可以穿插到非物理類專業(yè)的大學(xué)物理課程中，讓學(xué)生體會到物理學(xué)的重要作用，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。

大學(xué)物理課程中所講授的物理學(xué)，是經(jīng)過歷代物理學(xué)家歸納總結(jié)出來的嚴密理論體系。在課堂上單純講授物理理論，抽象的概念和模型，環(huán)環(huán)相扣的公式與定理，復(fù)雜的推理過程，一定會使學(xué)生產(chǎn)生枯燥感，從而影響教學(xué)效果。事實上，物理學(xué)的發(fā)展是一幅失敗與成功并存、實驗與理論交叉、邏輯與非邏輯思維并用的豐富多彩的歷史畫卷。可以將物理學(xué)家的生平趣事、物理規(guī)律的奇妙發(fā)現(xiàn)過程融入物理學(xué)知識點的講授中，起到活躍課堂氣氛的作用。例如，在學(xué)習(xí)狹義相對論這一章時，可以介紹愛因斯坦的小故事。這位偉大的物理學(xué)家一生鐘愛音樂，他曾經(jīng)說過，如果自己沒有成為一名科學(xué)家，他肯定會做一位音樂家。愛因斯坦十分喜歡拉小提琴，據(jù)說他還給他的小提琴取了一個昵稱——Lina，旅行時也會帶在身邊。

2 端正學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度

作為一門重要的基礎(chǔ)性通識課程，大學(xué)物理通常開設(shè)于大學(xué)一年級。一方面剛剛從高中階段的緊張狀態(tài)抽離出來，面對大學(xué)里相對寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，部分大一新生沒有正確地處理好自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)，不愿在課后付出更多的時間和精力進行自主學(xué)習(xí)。另一方面，大多數(shù)的大學(xué)物理教材以簡明扼要的現(xiàn)代觀點來講述物理，物理學(xué)家們艱辛的探求過程被物理學(xué)理論精簡的邏輯體系的面紗遮蓋起來；而在課堂上，教師通常也采用最簡潔的方式來授課，以求學(xué)生能夠在有限的學(xué)時內(nèi)學(xué)到盡可能多的物理知識[3]。這在一定程度上導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生一種錯誤的認識，以為背一背定理和公式就能學(xué)好物理，難以真正掌握物理規(guī)律和原理。

在大學(xué)物理課程中引入物理學(xué)史，正是幫助同學(xué)們端正學(xué)習(xí)態(tài)度的有效方法。榜樣的力量是無窮的，眾多物理學(xué)家在長期的科學(xué)研究過程中孜孜以求，堅持不懈，他們的奮斗精神和頑強意志給人啟迪，催人進步。例如，居里夫婦花掉全部存款，購買了數(shù)以噸計的瀝青鈾礦礦渣，在艱苦的實驗條件下，歷經(jīng)4年，通過幾萬次的提煉，最終獲得了0.1 g的氯化鐳；安培曾把一輛停在路邊的馬車的車廂當(dāng)作黑板，全神貫注思考的他沒有注意到馬車已開始移動，一邊演算一邊不自覺地跟著馬車前行，直到馬車速度不斷加快，他追不上才停下腳步。另外，通過物理學(xué)史可以讓學(xué)生了解物理學(xué)的發(fā)展充滿波折，很多物理概念與規(guī)律都是經(jīng)過漫長而艱辛的累積才形成當(dāng)前的簡潔形式。要學(xué)好物理以及更多的專業(yè)知識，必須要有踏實的態(tài)度和辛勤的付出。

3 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

進入新的世紀，世界正面臨百年未有的大變局，國家間的國力競爭日趨激烈。習(xí)近平主席在慶祝改革開放40周年大會上的講話指出：我們要堅持創(chuàng)新是第一動力、人才是第一資源的理念，實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，完善國家創(chuàng)新體系，加快關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新，為經(jīng)濟社會發(fā)展打造新引擎。教育的根本任務(wù)是為我國的社會主義事業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型的建設(shè)者和接班人，而高等教育改革的主要方向就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。首先，要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識，使他們勇于提出質(zhì)疑，敢于打破對權(quán)威的迷信，建立推崇創(chuàng)新、以創(chuàng)新為榮的理念；其次，要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維，注重培養(yǎng)與提高他們的判斷力、洞察力以及想象力，使他們能夠另辟蹊徑，建立一些不循常規(guī)、突破傳統(tǒng)思維定式的非邏輯思維方法[4]。

物理學(xué)史中有眾多的創(chuàng)新教育素材。回看物理學(xué)的發(fā)展歷史，物理知識體系的建立并非一帆風(fēng)順，新觀點往往在舊的知識框架之下萌芽，不可避免地會受到舊觀點的束縛。面對新發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)理論不可調(diào)和的矛盾，物理學(xué)家們不斷提出疑問，常常通過非邏輯的物理直覺提出新的思想，逐漸發(fā)展成邏輯嚴密的形式。人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識過程就是一個非常典型的例子。古希臘時期，以德謨克利特為代表的哲學(xué)家首先提出了“原子論”這一樸素的哲學(xué)原理。19世紀初，道爾頓以科學(xué)實驗為依據(jù)，創(chuàng)立了近代原子論。隨著電子的發(fā)現(xiàn)，人們將研究的注意力集中到原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上。通過著名的粒子散射實驗，盧瑟福建立了原子行星結(jié)構(gòu)模型，他毫不避諱這一模型不能滿足穩(wěn)定性要求的實事，依然向經(jīng)典的電動力學(xué)理論提出了挑戰(zhàn)。正是在此基礎(chǔ)上，玻爾打破常規(guī)，革命性地引入量子化的概念，創(chuàng)建了氫原子理論，揭開了量子力學(xué)的發(fā)展序幕。物理學(xué)的曲折發(fā)展過程，充分體現(xiàn)了物理學(xué)家們創(chuàng)新性的思考問題和解決問題的方式，這也正是我們希望學(xué)生真正去提高并掌握的能力。

與此同時，在大學(xué)物理課程中引入物理學(xué)史還是大學(xué)物理課程思政建設(shè)的有效手段。大學(xué)物理課程思政應(yīng)當(dāng)以落實立德樹人為根本任務(wù)，以社會主義核心價值觀為靈魂和主線，堅守為黨育人、為國育才，將馬克思主義、愛國情懷、創(chuàng)新思想等思政教育元素有機地融入物理學(xué)課程的教學(xué)過程中，最終實現(xiàn)價值引領(lǐng)、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的教學(xué)目標。正如前文所述，物理學(xué)是一門非常嚴謹?shù)目茖W(xué)，其發(fā)展歷程是曲折和漫長的。在大學(xué)物理課程中引入物理學(xué)史，將物理理論的研究背景和演化過程，以及科學(xué)的研究方法展現(xiàn)在學(xué)生面前，一方面，能夠培養(yǎng)他們批判性的科學(xué)態(tài)度和辯證唯物、實事求是的科學(xué)精神。另一方面，面對未知，面對無數(shù)次的失敗，物理學(xué)家們的不畏艱辛和勇于探索的精神，一定能夠激勵青年學(xué)子再接再厲，進一步地去開拓創(chuàng)新。例如，以錢學(xué)森、楊振寧等為代表的中國科學(xué)家，也在現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展進程中留下了濃墨重彩的一筆。在學(xué)習(xí)動量定理時，通過火箭發(fā)射這個典型案例，很自然地就可以引出我國航天事業(yè)的奠基人——錢學(xué)森先生的感人事跡。“五年歸國路，十年兩彈成”，在先生的心里，國為重，家為輕，科學(xué)最重，名利最輕。利用知識傳授與價值引領(lǐng)有機融合的教學(xué)案例，可以激發(fā)學(xué)生們的愛國情懷和民族自信，鼓勵他們?yōu)樯鐣髁x事業(yè)繼續(xù)奮斗，從而起到潤物無聲的課程思政育人作用。