物理學史融入大學物理教學的價值、問題與優(yōu)化策略

摘" 要：將物理學史融入大學物理教學，是推動大學物理教學改革的重要策略，該策略在激發(fā)學生興趣、深化知識理解、培育科學思維和提升人文素養(yǎng)等方面具有重要價值。文章在深入分析融合教學價值的基礎(chǔ)上，分析該策略在物理學史融入方式、內(nèi)容選擇及評價機制上存在的問題，并探究其根源，進一步具體闡述了改善融入方式、優(yōu)化融入內(nèi)容、促進教師發(fā)展、完善評價體系的應對方案，文章還分享了一系列實踐經(jīng)驗，旨在為大學物理教學注入新動力，推動教學改革向更深層次邁進。

關(guān)鍵詞：大學物理；物理教育；物理學史；教學改革

中圖分類號：G642；O4-4" " 文獻標識碼：B" " 文章編號：1673-7164（2024）35-0114-04

大學物理作為理工科教育體系的基礎(chǔ)課程之一，其重要性不言而喻。在科技飛速發(fā)展、教育理念持續(xù)更新的當下，推動教學模式的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)知識傳授與科學素養(yǎng)、人文素養(yǎng)及創(chuàng)新能力培育的深度融合，已成為大學物理教育改革的重要使命。［1-2］

物理學史作為貫通科學探索歷程的紐帶，在改革進程中扮演著十分重要的角色。深入探究物理學史融入大學物理教學的策略，對提升大學物理教學質(zhì)量、促進學生全面發(fā)展，具有深遠的學術(shù)意義與實踐價值。

一、將物理學史融入大學物理教學的背景和意義

在我國傳統(tǒng)的物理教育體系中，教學的重點往往在于物理定律或公式的理解和應用，物理學史的作用通常被忽略。然而，隨著時代的發(fā)展，物理學史在大學物理課程中的地位已顯著上升，越來越多的教師和高校都展開了探索實踐。將物理學史融入大學物理教學中，已成為當今大學物理教學改革的重要潮流。一方面，在“基礎(chǔ)物理學”“電磁學”等標準課程中，物理學史被納入教材架構(gòu)，并滲透課堂教學之中。教師群體也從知識傳授、科學素養(yǎng)培育等視角出發(fā)，積極探索物理學史與課程內(nèi)容有效融合的路徑。［3］另一方面，多所高校開設(shè)了專門的物理學史選修課程，如南京大學的《物理學史》、華南理工大學的《光學發(fā)展與人類文明》等，［4］旨在引領(lǐng)學生深入思考科學發(fā)現(xiàn)背后的方法論與哲學思辨。在這些教學實踐中，物理學史融入課程體系展現(xiàn)了其豐富的意義與價值。

（一）點燃學習熱情

學習興趣顯著影響著學生學習的積極性。高中階段，學生對自然科學的興趣受應試導向教育模式的嚴重制約。進入大學，復雜的數(shù)學公式和抽象的物理概念令很多學生覺得枯燥、乏味。因此，激發(fā)并維持學生的學習熱情對大學物理的教學至關(guān)重要，而講述引人入勝的科學歷史故事，便是一種有效的激勵手段。通過呈現(xiàn)古希臘哲學家對光的本質(zhì)的初步探索、開普勒和伽利略發(fā)明望遠鏡的經(jīng)過、愛因斯坦與玻爾的科學論戰(zhàn)等歷史片段，教師能夠引領(lǐng)學生跨越時空，與科學巨匠同行，喚醒學生對物理學的好奇心，驅(qū)動其努力學習大學物理。

（二）深化知識理解

系統(tǒng)化的知識比零散的碎片信息更易被人吸收，將物理學史用作串聯(lián)各知識點的紐帶，可以有效促進學生對復雜物理概念的深入理解，幫助其構(gòu)建全面的知識體系。以麥克斯韋方程組為例，直接機械式地解釋其含義往往會讓初學者感到抽象且難以理解，但若巧妙地將其融入電磁學發(fā)展的歷史敘事中，逐步展開解析，便可顯著降低其理解難度：從古人對于電磁現(xiàn)象的觀察，到庫侖定律奠定靜電學基礎(chǔ)，到奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應，到法拉第揭示電磁感應現(xiàn)象，直至麥克斯韋提出劃時代的方程組。這種敘述方式不僅能展現(xiàn)物理定律或公式生動的歷史背景，也為學生建立了一個時間連續(xù)、邏輯嚴密、內(nèi)容豐富的知識架構(gòu)。在此架構(gòu)下，學生可以更自然地理解麥克斯韋方程組各方程之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而深入掌握并靈活運用該方程組。［5］

（三）培育科學思維與探索精神

追溯物理學的發(fā)展進程，不僅能讓學生掌握具體物理知識，也能讓他們感悟科學先驅(qū)們勇于質(zhì)疑、敢于探索的精神，激發(fā)其批判性思維和獨立分析能力。歷史上的眾多物理發(fā)現(xiàn)也為學生提供了藍本，激勵引導他們用嚴謹?shù)倪壿?、活躍的想象力、精密的實驗設(shè)計來解決科學問題。例如，在微粒說盛行之際，托馬斯楊和菲涅爾依據(jù)數(shù)學推理，堅持光的波動理論，最終通過泊松亮斑實驗證實其觀點，彰顯了理性思考和實驗驗證的重要性；中國科學家趙友欽針對“小孔成像”現(xiàn)象，設(shè)計并執(zhí)行了中世紀規(guī)模最大、最全面的光學實驗，為控制變量思想以及實驗與理論結(jié)合的研究方法提供了優(yōu)秀范例。

（四）提升人文素養(yǎng)與愛國情懷

物理學的發(fā)展不僅是科學進步的標志，還與哲學、藝術(shù)、文化等人文學科的發(fā)展緊密相連。例如，光學發(fā)展在西方繪畫藝術(shù)進化中扮演著重要角色：中世紀畫家采用透視法以塑造空間深度，文藝復興時期畫家運用暗箱、透視窗等光學工具輔助作畫，攝影技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了西方繪畫藝術(shù)風格的改變。學習物理學史能夠拓寬學生的認知邊界，提升他們的人文素養(yǎng)。教師也可使用中國科學家的輝煌成就作為思政教育素材，如《墨經(jīng)》《夢溪筆談》等古籍對物理現(xiàn)象的探索，或錢學森、吳有訓等現(xiàn)代物理學家的貢獻等，喚起學生的民族自豪感，勉勵其繼承老一輩科學家的優(yōu)良品質(zhì)。

二、物理學史融入大學物理教學現(xiàn)存的問題和根源

在認識到物理學史在大學物理教育中的重要性的基礎(chǔ)上，必須直面當前教學實踐中出現(xiàn)的眾多問題。這些問題不僅妨礙了物理學史價值的充分發(fā)揮，而且為教學改革的深入實施提供了障礙。

（一）融入方式受限

在當前大學物理教學中，物理學史的融入方式存在明顯局限性。多數(shù)教師仍舊沿用傳統(tǒng)講授模式，僅將物理學史作為附加材料，機械式地插入理論知識講解中，有時僅在課堂始末簡略提及歷史片段，大部分教學過程仍以常規(guī)方式進行。

這種單向灌輸?shù)慕虒W方式不僅難以吸引學生的注意力、無法激發(fā)學生的學習興趣，也易導致物理學史與課堂核心教學目標之間的關(guān)聯(lián)顯得刻板且模糊，難以實現(xiàn)兩者間的有機融合。盡管部分教師采用擴充閱讀材料、播放相關(guān)視頻等方式拓寬信息輸入渠道，以豐富物理學史的呈現(xiàn)形式。但這些舉措在提升學生的互動性與沉浸感上仍顯不足，學生往往難以體驗科學探索的壯闊歷程，領(lǐng)悟物理故事背后的歷史內(nèi)涵與思想精髓。［6］

（二）內(nèi)容選擇不當

除了方式以外，物理學史的具體融入內(nèi)容同樣亟須擴充和優(yōu)化。一方面，教師在選取物理學史材料時，很難平衡好趣味性、科學性和教育價值。過于通俗化的內(nèi)容雖能暫時吸引學生注意力，卻難以觸及科學的核心；過于深奧的科學內(nèi)容若超出學生的認知水平，則會削弱其學習興趣；過分強調(diào)內(nèi)容的人文精神或素質(zhì)教育價值，則可能會使融入內(nèi)容偏離大學物理教學的既定目標，把一門理工科課程泛化成通識課程。

另一方面，教師在講述物理學史時，容易將注意力集中在經(jīng)典案例上，如牛頓的分光實驗、愛迪生的電燈發(fā)明等，而忽視了那些對物理學進展產(chǎn)生深刻影響卻不廣為人知的科學家及其成就。這種“偏頗聚焦”的講授方式，無法充分展現(xiàn)物理學發(fā)展的全貌，限制了學生對物理學史廣度和深度的認識。例如，在牛頓的分光實驗之前，法國人皮埃爾已經(jīng)為光的微粒說打下了基礎(chǔ)；在愛迪生發(fā)明電燈之前，戴維、斯旺等科學先驅(qū)也已經(jīng)做出了重要的貢獻。

（三）教學評價體系缺失

在物理學史融入大學物理教學的過程中，教學評價體系的缺失也是一個顯著的問題。

首先，物理學史是一個相對新穎且內(nèi)容分散的子學科，尚未形成被廣泛認可的完整知識架構(gòu)，導致在評價學生的學習成果時，缺乏明確且可量化的標準，影響了評價結(jié)果的客觀性。

其次，傳統(tǒng)的筆試評價方式難以全面衡量學生在物理學史學習過程中的綜合能力提升，特別是在科學思維與人文素養(yǎng)方面的進步。

最后，由于缺乏成熟的反饋機制，教師難以及時獲得學生的學習反饋和意見，也無根據(jù)反饋信息調(diào)整教學策略和內(nèi)容，不能更好地滿足學生的學習需求。

本研究將上述問題的根源歸結(jié)為以下三點：

第一，目前物理學史教學資源的稀缺，顯著限制了其在大學物理教學中的融入程度。一方面，現(xiàn)有教學資源的形式較為單一，主要局限于基礎(chǔ)的物理學史教材，或散見于《電磁學》等專業(yè)教材的簡短歷史插敘，而相關(guān)的教輔資料、多媒體教學工具則相對匱乏。另一方面，這些資源在內(nèi)容上往往陳舊過時，不僅在覆蓋物理學史廣度上不夠，而且在深度挖掘方面也顯著不足，使得教師在教學選材時捉襟見肘。

第二，教師培訓體系的缺陷也限制了教學成效。多數(shù)大學物理教師，雖然在物理學領(lǐng)域具有扎實的專業(yè)背景，能夠出色地傳授基礎(chǔ)物理知識，但在物理學史的教學上卻經(jīng)常感到困難。大多教師對物理學史的認識本身就不充分，并且在崗位培訓中也缺失了針對性的培養(yǎng)措施。面對科研工作的重壓，他們也未能投身教學改革的研究。因此，當涉及物理學史與大學物理教學有效整合的議題時，教師群體往往普遍缺乏必要的知識基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。

第三，學校乃至整個社會對于教學改革的關(guān)注度及支持水平亟須提升。多數(shù)學校仍深受傳統(tǒng)教學理念的影響，對物理學史與大學物理教育融合的重要性缺乏足夠認識。在課程設(shè)計、資源配置以及教學評價體系等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，物理學史的教學并未得到充分重視。

三、物理學史融入大學物理教學的優(yōu)化策略和實踐探索

（一）融入方式的創(chuàng)新

為克服當前融合方式的局限性，教師應采納綜合性、整體化的課程設(shè)計策略，將物理學史深度融入大學物理課程體系中。這就要求教師需細致挑選與教學內(nèi)容緊密相連的歷史案例，確保每個案例都能有效促進學生掌握關(guān)鍵知識點。還應促使教學方式的多樣化，運用翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論等互動式教學策略，激發(fā)學生的主動性，促進其知識的自主建構(gòu)與內(nèi)化。應提升課后作業(yè)的靈活性，包括專題研讀、前沿課題探索及實踐活動等，鼓勵學生自主選題，以學習心得、項目報告、課堂展示等多元形式展現(xiàn)學習成果。

在“光的波粒二象性”這一章節(jié)，本研究具體實施了以下創(chuàng)新措施。［7］首先，挑選寓教于樂、簡明扼要的科普短視頻，通過課程微信群，提前分享給學生，讓他們預先領(lǐng)略笛卡爾、惠更斯、牛頓、托馬斯楊等科學家對光本質(zhì)的不懈探索。課堂上，融合翻轉(zhuǎn)課堂和角色扮演策略，學生被分組并分配扮演不同科學家的角色，詳盡闡述各自關(guān)于光本質(zhì)的觀點，以及背后的理論或?qū)嶒炛?。在課堂的尾聲，通過播放一則結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)容精煉的時間軸視頻，系統(tǒng)性地總結(jié)整個光本質(zhì)探索歷程的關(guān)鍵節(jié)點，幫助學生理清歷史脈絡(luò)。課后作業(yè)則要求學生以小組為單位，自主選擇一項與光的波動性或粒子性直接相關(guān)的現(xiàn)代光電技術(shù)，如全息攝影、激光技術(shù)、光纖通信等，深入了解其物理原理、應用場景、發(fā)展前景等，最終提交一份圖文并茂的調(diào)研報告。類似地，在“電磁波頻譜與應用”這一章節(jié)，引導學生自主調(diào)研赫歇爾、里特、倫琴等科學家發(fā)現(xiàn)紅外線、紫外線、X射線的歷程，并在全班范圍內(nèi)分享其調(diào)研成果。作為課后作業(yè)的一部分，學生需選擇一種電磁波波段，撰寫小論文，分析該波段電磁波在現(xiàn)實生活中的具體應用。

（二）融入內(nèi)容的優(yōu)化

為了豐富和優(yōu)化每堂課具體的物理學史融入內(nèi)容，首先，教師需明確該堂課的核心知識點和教學目標，并據(jù)此對融入內(nèi)容進行策劃。隨后，利用圖書館、互聯(lián)網(wǎng)等多元渠道，收集并甄選包括科學故事、研究論文、科學家傳記在內(nèi)的素材，并確保這些素材不僅內(nèi)容豐富、精確、具有代表性并足夠吸引人，而且還能與核心知識點緊密相連，有效促進教學目標的達成。在課件展示階段，教師應按照時間線或邏輯序列安排教學內(nèi)容，保證信息的連貫性和緊湊性。此外，教師應著重強化知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系和延伸拓展，幫助學生構(gòu)建一個系統(tǒng)化、深層次的物理知識框架。

在“光的直線傳播、反射和折射”這一章節(jié)，教師可在傳統(tǒng)教學內(nèi)容，如墨子的“小孔成像”、阿基米德的“凸透鏡聚光”的討論之上，融入更多創(chuàng)新的物理學史元素，旨在加深學生對幾何光學建立過程的理解。例如古希臘、古阿拉伯的歐幾里得、海塞姆等學者的視光學研究，他們采用數(shù)學方法簡化光與視覺問題，奠定了幾何光學的基礎(chǔ)。又如沈括、趙友欽等中國古代科學家對“小孔成像”原理的深入探究，以及對明清時期光學研究衰落的反思與評價。此外，也可以簡單介紹古代中國的圭表、皮影戲以及西方文明的太陽鐘、教堂暗室日冕等，分析蘊含其中的幾何光學原理。在電磁學章節(jié)的討論中，除了著名科學家?guī)靵?、法拉第、麥克斯韋等外，還可依據(jù)電磁學歷史脈絡(luò)，介紹更多為電磁學發(fā)展做出貢獻的人物，如最早記錄摩擦生電現(xiàn)象的古希臘的泰勒斯，開啟對電磁學的系統(tǒng)性研究的吉爾伯特、蓋里克，最早提出磁力平方反比定律的米切爾，簡化麥克斯韋方程組的亥維賽德等人。

（三）教師發(fā)展體系的健全

學校與社會應協(xié)同優(yōu)化教師培訓體系，針對非教育學背景的大學物理教師，提供系統(tǒng)化的崗前培訓，確保其在授課前能夠牢固樹立物理學史的知識基礎(chǔ)及教學技能。此外，應構(gòu)建教師交流平臺，鼓勵教師分享教學資源和經(jīng)驗，促進教師之間的交流，鼓勵教師互學互鑒，共同推進教學改革創(chuàng)新。

（四）教學評價體系的完善

評價體系的完善需匯聚教師、學校與社會三方的共同努力。教師需要加強與學生的互動交流，實時獲取學生對物理學史學習內(nèi)容的認知反饋及見解。學校則應推進學生評價體系的創(chuàng)新，納入課堂演講、課程論文等多維度評估方法至課程評分標準中，以全面衡量學生的學習成果。學術(shù)界應加速步伐，借鑒其他人文社科領(lǐng)域的成熟經(jīng)驗，構(gòu)建并確立被廣泛認同的物理學史知識體系框架。

四、結(jié)語

將物理學史融入大學物理教學中，不僅是對教學內(nèi)容的豐富與深化，也是對教學理念與模式的創(chuàng)新。這要求教師不僅傳遞物理知識，更要引領(lǐng)學生追本溯源，體驗科學探索的激情，領(lǐng)悟科學精神的真諦。盡管此種融合已經(jīng)展現(xiàn)出其顯著價值，但在具體實施過程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。面對這些挑戰(zhàn)，教師自身需要主動尋求融合教學的方式與內(nèi)容，教育界也需要提供更廣泛的支持與資源。展望未來，應當不斷探索和深化大學物理教學模式的改革，完善教學策略和方法，旨在培育具備創(chuàng)新能力、實踐技能及人文素養(yǎng)的杰出人才，為科技進步與社會發(fā)展貢獻力量。

參考文獻：

［1］ 秦丹，邢娟，李光仲，等. 大學物理“對分課堂”教學模式實踐探索［J］. 大學物理，2021，40（04）：32-36.

［2］ 王曉鷗，張伶莉，袁承勛，等. 新工科背景下的大學物理課程建設(shè)與實踐［J］. 大學物理，2021，40（04）：45-49.

［3］ 黃熙，陳飛明，許明耀，等. 物理學史在大學物理教學中的意義［J］. 湖北師范學院學報（自然科學版），2008（02）：104-106.

［4］ 歐陽敏，王金東. 光學史通識課程的設(shè)計［J］. 大學物理，2020，39（10）：67-71+80.

［5］ 鄧衛(wèi)鵬. 從電磁學發(fā)展過程看麥克斯韋方程組的對稱性［J］. 許昌學院學報，2018，37（02）：8-11.

［6］ 賈國榮，王利東. 淺談多媒體在大學物理教學中運用的利弊［J］. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（12）：184-185.

［7］ 薛鳳家. 光本性假說及爭論在光學發(fā)展史中的作用［J］. 廊坊師范學院學報，2002（04）：57-59.

（責任編輯：張若琂）

作者簡介：馬超（1994—），男，博士，南京工業(yè)大學柔性電子（未來技術(shù)）學院副教授，研究方向為光電功能材料和器件。