科技史引入工科教學(xué)的實踐

周艷霞　周毅

摘? 要：傳統(tǒng)工科教育主要是基于數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識開展的理論與實驗相結(jié)合的具體專業(yè)教學(xué)?？萍际费芯康氖强茖W(xué)技術(shù)發(fā)展的社會歷史條件，解決何時何地何人如何做出了怎樣的成果的問題。將科技史引入到工科教學(xué)，可解決理工科學(xué)生人文素養(yǎng)缺乏和思維模式單一的問題，也可使學(xué)生更加多元化地理解公式與定理。分析將科技史引入工科教學(xué)的現(xiàn)實需要，結(jié)合《電磁場與電磁波》的課程，在教學(xué)實踐中帶入電磁學(xué)發(fā)展史的講授，找到適合的教學(xué)方法，并論述此項教學(xué)改革的意義。

關(guān)鍵詞：教學(xué);科技史;電磁學(xué)發(fā)展史;思維培養(yǎng)

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0103-04

Abstract： Traditional engineering education is mainly based on mathematics， physics and other basic knowledge to carry out theory and experiment combined with specific professional teaching. The history of science and technology studies the social and historical conditions of the development of science and technology， and solves the problem of when， where， who made what achievements. The introduction of science and technology history into engineering teaching can solve the problems of lack of humanistic quality and single thinking mode of science with the engineering students， and make them understand formulas and theorems more diversified. This paper analyzes the practical need of introducing the history of science and technology into engineering teaching， combines the course of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave， and introduces the teaching history of electromagnetism in teaching practice， finds the suitable teaching method， and discusses the significance of this teaching reform.

Keywords： teaching; the history of science and technology; history of electromagnetism; training of thinking

引言

工科課程多理論與公式，較枯燥晦澀，對于高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、普通化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科知識儲備要求比較嚴(yán)格，課程中抽象的物理概念與復(fù)雜的計算都比較艱澀難懂，時常引發(fā)學(xué)生的畏難情緒，使得學(xué)生對一些課程逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣。通過引入科技史的教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會不會有所提高？教學(xué)效果是否會有所提升？學(xué)生的思維模式是否能得到更全面的培養(yǎng)？這些問題都是以期能夠通過將科技史引入課堂的這種教學(xué)改革模式解決的問題。

一、科技史引入工科教學(xué)的現(xiàn)實需要

（一）注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)

1. 注重人文情感。提及理科工科，第一印象可能是邏輯性強、分析能力強，而學(xué)習(xí)理工科的學(xué)生確實具備這些素質(zhì)，但是人文素養(yǎng)的缺乏也是一大弊端，現(xiàn)目前綜合發(fā)展的大趨勢使得我們應(yīng)該看到文理兼修，邏輯與感性兼?zhèn)涞闹匾?，在教學(xué)中引入科技史的內(nèi)容，使得學(xué)生更加多維化地理解理論知識。對于典型科學(xué)家的事跡、人物經(jīng)歷進(jìn)行介紹，鮮明的個人性格，給人以歷史的直觀感覺，體會他們創(chuàng)造的不易，了解這些定理背后的故事，方知歷史發(fā)生的必然性和未知性，提高人文素養(yǎng)。

2. 注重思維模式的培養(yǎng)。單一的理論教學(xué)會培養(yǎng)出學(xué)生對“真”的探求，思維往往聚焦在正確的結(jié)論，但是卻忽略了過程，科技史的引入使得學(xué)生更加完整地了解學(xué)者們是如何通過實驗、處理數(shù)據(jù)、計算分析一步步地驗錯總結(jié)才得出我們現(xiàn)階段所學(xué)到的正確理論，學(xué)習(xí)他們的發(fā)散思維，也有助于學(xué)生多向性思維的培養(yǎng)。把每一位科學(xué)家具有鮮明個人特征的研究方法融入到教學(xué)中，學(xué)習(xí)他們的處世為人，鉆研態(tài)度，體驗他們的創(chuàng)造過程，對于學(xué)生完整人格的培養(yǎng)也是大有裨益的。

3. 注重通識教育的開展。單一的理論學(xué)習(xí)會顯得枯燥乏味，工科課程多輔以實驗教學(xué)，注重動手能力的培養(yǎng)，科技史則是注重對這門學(xué)科的興趣養(yǎng)成和思維模式的形成，它們都可作為教學(xué)中不可或缺的方法?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)的教學(xué)手段已經(jīng)不能完全滿足課堂中的需求，多種教學(xué)形式的結(jié)合、多學(xué)科交叉的互動、更多新的教學(xué)方法等著我們在教學(xué)實踐中去探索、去發(fā)現(xiàn)。清華大學(xué)的吳國盛教授開辦科技史系提到科技史是為通識教育而生[1]，通識教育的目的則是完善學(xué)生的素質(zhì)，更好地達(dá)到教學(xué)效果。

（二）為何以《電磁場與電磁波》作教學(xué)實踐

現(xiàn)階段西藏大學(xué)工學(xué)院電子信息工程系開設(shè)的《電磁場與電磁波》課程是通信工程專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)課，為此特意征求之前學(xué)完這門課程的學(xué)生的意見，普遍反映數(shù)學(xué)工具應(yīng)用較多、理論知識抽象，尤其是在大一大二時基礎(chǔ)課程學(xué)得不夠扎實的同學(xué)，在進(jìn)入到專業(yè)課程的學(xué)習(xí)往往力不從心，課程趣味性不強，在過去的教學(xué)實踐中，從成績直接反映出教學(xué)效果并不好，那么以此門課程開展將科技史引入工科教學(xué)的實踐也是具有現(xiàn)實意義的。

對于該門課程，主要就是將電磁學(xué)的發(fā)展史融入教學(xué)實踐當(dāng)中。物理學(xué)的一大分支——電磁學(xué)雖然是在近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中興起的，但電和磁現(xiàn)象的觀察以及磁的應(yīng)用卻有著極為悠久的歷史?，F(xiàn)有的電磁學(xué)教材中，課本中關(guān)于電磁學(xué)發(fā)展史幾乎是寥寥幾筆帶過，無法在其中學(xué)到嚴(yán)格清晰的科學(xué)家們的創(chuàng)造過程，只能看到純粹的公式與計算，學(xué)生往往迷失在這些理論中，逐漸喪失興趣。如何將電磁學(xué)發(fā)展史更好地融入《電磁場與電磁波》的課程教學(xué)的方法研究都是我們所必須關(guān)注到的問題。比如如何進(jìn)行有效且準(zhǔn)確的內(nèi)容設(shè)計？根據(jù)學(xué)生實際與教學(xué)大綱的匹配度，如何選擇合適的學(xué)時數(shù)來達(dá)到教學(xué)目的？除了課堂講授之外，是否可以運用其他方式開展更加多維化的課堂？通過教學(xué)實踐，找到這些問題的答案。

二、科技史引入《電磁場與電磁波》的教學(xué)方法

（一）針對性強地選擇，有的放矢地講解

電磁學(xué)史內(nèi)容十分龐雜，宋德生、李國棟教授為此作專著《電磁學(xué)發(fā)展史》，他們運用自然力統(tǒng)一的思想，總結(jié)出一條清晰的歷史線索，為教學(xué)提供了大量可借鑒的翔實史料[2]，有效且準(zhǔn)確的內(nèi)容選擇才能達(dá)到最好的教學(xué)效果。

電理論的創(chuàng)立？磁理論的完善？什么時候電磁理論才進(jìn)入了我們的視野？這些問題的完整講解是不切實際的，我們需要在內(nèi)容的選擇上更加審慎。實際的教學(xué)中我們以電磁學(xué)中偉大的科學(xué)家作為主線，根據(jù)高中課程和大學(xué)物理的知識積累，回憶同學(xué)們印象中的電磁學(xué)單位，因為我們知道很多單位都是以有相關(guān)貢獻(xiàn)的科學(xué)家來命名的，比如庫侖、安培、歐姆、亨利、奧斯特、法拉、赫茲等等，這些單位串連起來就是一部電磁簡史，再添加比如楞次定律的發(fā)現(xiàn)過程、麥克斯韋又是如何在這些巨人的肩膀上，通過精妙的數(shù)學(xué)語言得到科學(xué)史上最偉大的公式的，整個講授的過程既讓學(xué)生回憶已掌握的知識，在此基礎(chǔ)上加以補充，使得學(xué)生的知識體系更加完備。

（二）合適的講解時機，恰當(dāng)?shù)膶W(xué)時數(shù)量

以往在《電磁場與電磁波》的課堂上將理論知識與歷史進(jìn)行穿插教學(xué)，提到如麥克斯韋方程組時只是將麥克斯韋生平簡單介紹，便匆匆進(jìn)入理論講解，雖簡單提及但并不深刻，學(xué)生并不能將麥克斯韋是如何得出這些偉大方程的來龍去脈了解透徹。

在新的教學(xué)實踐中，我們采用在正式授課前用9個學(xué)時左右提綱挈領(lǐng)地給學(xué)生梳理電磁學(xué)發(fā)展脈絡(luò)，并對具有劃時代意義的科學(xué)家和實驗進(jìn)行詳細(xì)講解，如奧斯特的電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，法拉第打開了磁生電（電磁感應(yīng)）的大門，秉承郭奕玲教授對物理學(xué)史事例闡述的6個“W”原則[3]，結(jié)合他們的生平事跡，論證發(fā)生在那個時期的必然性與偉大的時代意義。

傳統(tǒng)的課堂對于抽象的電磁理論教學(xué)存在一定困難，現(xiàn)階段我們可以通過多媒體輔助、播放錄像、演示實驗等多種手段結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，具象且高效率地完成課程任務(wù)，那么利用課程總學(xué)時的1/8講解電磁學(xué)發(fā)展史，不會影響到整個課程基于大綱的課程進(jìn)度，總括性的發(fā)展史授課反而使得學(xué)生對于電磁產(chǎn)生了好奇與求知的興趣。

（三）古籍、應(yīng)用的分析，演示實驗的設(shè)計

電磁學(xué)的蓬勃發(fā)展主要陣地集中在二次工業(yè)革命之后的歐洲，反觀我們的祖先對于電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的記錄，囿于當(dāng)時人們認(rèn)識的局限性，對于許多現(xiàn)象給不到本質(zhì)的剖析，但這些記錄也是電磁學(xué)發(fā)展史不可或缺的。比如《夢溪筆談》中沈括對于指南針的實驗以及發(fā)現(xiàn)磁偏角的記載，為我國古代特別是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最為繁榮的北宋添上了濃墨重彩的一筆，單一磁現(xiàn)象的應(yīng)用并不是大潮流，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了大功率發(fā)電機的實現(xiàn)，馬可尼的無線電實驗也將電磁波的應(yīng)用帶到了通信的領(lǐng)域，打開了信息時代的大門，這些都是電磁學(xué)發(fā)展史上不得不提的改變我們生活方式的發(fā)明創(chuàng)造。

為了讓學(xué)生更加直觀地了解一些理論與現(xiàn)象，對具體內(nèi)容結(jié)合演示物理實驗進(jìn)行講解，可以帶來更好的教學(xué)效果。例如講解俄國科學(xué)家楞次發(fā)現(xiàn)的如何判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，在課堂上用一根長約20cm，內(nèi)徑為1.6cm的銅管、一個直徑1cm的磁鐵以及一顆相同大小的紐扣進(jìn)行演示。將紐扣放入銅管，它會實現(xiàn)自由落體運動，1s左右物體掉出，而放入小磁鐵掉落需要4.5s的時間，直觀感受到“來拒去留”的意義，把銅管看作是一個無限密集的閉合線圈，一個永磁體向它運動，此時線圈切割磁感線，內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，因為感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，即阻礙磁鐵的運動，通過這個實驗可以使學(xué)生將楞次定律更加融會貫通。

在電磁理論中，“場”是一個很重要的概念，它由法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)之后提出，并且用實驗證明磁力線的存在。電場、磁場、電磁場這些無法具體感受到的概念，我們通過一個簡單的實驗對“場”有直觀的體驗。如圖1所示，是帶有許多小鐵片的磁感線演示裝置，未受到磁場作用時，小鐵片呈不規(guī)則排列。通過插入條形磁鐵，小鐵片受到了磁場的作用，顯現(xiàn)出磁感線的形狀，如圖2所示。實驗現(xiàn)象可以使學(xué)生對看不見、摸不著的磁場、磁感線有一個具體的印象，而不再是單純基于想象。

（四）深入挖掘，論文撰寫

結(jié)合電磁學(xué)史的典型事例，比如電磁學(xué)中經(jīng)典的高斯定理，針對高斯如何在整理前人的成果之后形成自己的理論的？比如經(jīng)典的安培環(huán)路定理是安培在畢奧——薩伐爾定律的基礎(chǔ)上怎樣提出的？它們?yōu)槭裁磿谀莻€時代出現(xiàn)、它們的出現(xiàn)給電磁學(xué)的發(fā)展帶來了什么積極的意義、他們是怎樣得出這些結(jié)論的、通過怎樣復(fù)雜的論證、經(jīng)歷了哪些挫折和失敗、我們從中是否能有一些啟發(fā)？一連串的問題，都是對電磁學(xué)發(fā)展史的深入剖析，課堂教學(xué)只是用有限的時間對其進(jìn)行大局的講解，不會將實驗、理論的來龍去脈說的一清二楚。那么可以安排學(xué)生根據(jù)自己的興趣所在，選取一個切入點，自行查閱書籍和文獻(xiàn)資料，課上安排討論或者課后撰寫小論文進(jìn)行詳盡分析[4]，搜集資料就是一個消化大量知識融會貫通的過程。

三、科技史引入《電磁場與電磁波》的教學(xué)實踐效果

（一）培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，克服畏難情緒

將電磁學(xué)發(fā)展史引入課程教學(xué)，增加學(xué)生全面學(xué)習(xí)電磁學(xué)理論的方法，將每一位科學(xué)家具有鮮明個人特征的研究方法融入到教學(xué)中，把電磁學(xué)理論建立過程以歷史故事的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生在生動、形象的教學(xué)過程中了解有關(guān)概念、規(guī)律的形成過程，將歷史背景、實際過程、遇到困難、解決方法、意義啟示、物理思想等方面進(jìn)行剖析，體驗科學(xué)家們天馬行空的創(chuàng)造過程，提升學(xué)生興趣，結(jié)合相應(yīng)的教學(xué)方法，變被動學(xué)習(xí)為主動探索。

（二）鍛煉自學(xué)能力，增強文化自信

《電磁場與電磁波》課程結(jié)合電磁學(xué)發(fā)展史的講授，并通過創(chuàng)設(shè)必要的物理情景，進(jìn)行演示實驗的直觀展示，利用現(xiàn)象的分析和歸納，建立概念、總結(jié)規(guī)律、擴展知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索意識。借助多媒體、通過實驗、圖片、視頻、講解、演示、公式推導(dǎo)直觀地展示動態(tài)的過程，融入科學(xué)家們精巧的設(shè)計、多次失敗的經(jīng)歷、對問題的種種推測、他們的趣聞軼事等等，使得學(xué)生從多個角度掌握知識點。課下安排學(xué)生自行查閱資料，對典型個例進(jìn)行深入挖掘，撰寫小論文，提升自主學(xué)習(xí)的能力。

雖然電和磁的研究集中在19世紀(jì)的歐洲，但是對于電和磁現(xiàn)象的記錄卻時常出現(xiàn)在我國的各類古籍中，比如東漢時期哲學(xué)家王充的《論衡》講到“頓牟掇芥，磁石引針”，北宋沈括的《夢溪筆談》記載的指南針的實驗與磁偏角的發(fā)現(xiàn)等等，對于這些現(xiàn)象的講解和認(rèn)識，使學(xué)生更好更全面地對電磁學(xué)發(fā)展的早期有深入的認(rèn)識，將科學(xué)與傳統(tǒng)文學(xué)結(jié)合起來，用更自信的態(tài)度和更新奇的角度認(rèn)識傳統(tǒng)文化，雖然電磁學(xué)的領(lǐng)域多是西方科學(xué)家的貢獻(xiàn)，但是早期的電磁想象的記載和應(yīng)用也是不可忽視的。

（三）端正學(xué)習(xí)態(tài)度，重視思維培養(yǎng)

理工科學(xué)生一般邏輯思維較強，習(xí)慣“求同求真”，缺乏創(chuàng)造性。在教學(xué)中引入科技史部分，還原科學(xué)家們的研究過程，對于知識的產(chǎn)生和發(fā)展作出詳盡的歷史敘述，了解他們的探索過程，學(xué)習(xí)他們的“求異求變”，對于一個問題的多種研究方法，不受現(xiàn)成知識的局限，跳出正確答案的束縛，還原尋求真知的過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維。

傳統(tǒng)的教育多局限于書本中的已知概念，學(xué)生對于那些定律理論的來龍去脈和具體發(fā)展過程并沒有更深層次的理解和掌握，書中也缺乏對發(fā)現(xiàn)過程的描述，往往帶來一些弊端，學(xué)生似乎覺得偉大成果的發(fā)現(xiàn)就這樣波瀾不驚地出現(xiàn)在歷史的長河中[5]，其實不然，不斷地試錯、實驗、論證且面臨許多未知的后果才是科學(xué)家探索的常態(tài)。

“以史為鏡”，可以正態(tài)度，可以明思維，電磁學(xué)發(fā)展史的引入，學(xué)習(xí)這些物理學(xué)家在鉆研過程的思維方式和對真理追求的孜孜不倦的求證態(tài)度，多維求證，類比前人的研究成果，大膽假設(shè)，小心求證，比如電動力學(xué)的發(fā)展離不開卡文迪許、庫侖等人將牛頓的引力定律和超距作用的哲學(xué)觀點應(yīng)用于電學(xué)和磁學(xué)，庫侖根據(jù)這個觀點設(shè)計了扭秤實驗，測量了電荷之間的作用力，用類比的方法得到了電荷相互作用力與距離的平反成反比的規(guī)律，他從牛頓的萬有引力規(guī)律得到啟發(fā)，成就了庫侖定律。此后電磁學(xué)的發(fā)展慢慢將數(shù)學(xué)定律總結(jié)經(jīng)驗形成理論，使電學(xué)從此進(jìn)入理論發(fā)展的階段，成為一門定量的科學(xué)。新的研究方法、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，在教授過程中潛移默化地影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和思維方式。

四、結(jié)束語

課程內(nèi)容設(shè)計以及課程教學(xué)實施的全過程，最終要達(dá)到的目的和意圖，是提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。所謂提升學(xué)習(xí)效果，并不單單只是學(xué)習(xí)成績的提高，綜合能力和素質(zhì)的加強、學(xué)習(xí)能力和思維方式培養(yǎng)才是最根本的。通過將電磁學(xué)發(fā)展史引入《電磁場與電磁波》教學(xué)實踐，選擇最為合適的課時數(shù)、教學(xué)方法、課程設(shè)計實現(xiàn)了學(xué)生對課程興趣的提升、自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，并在此過程中鍛煉了思維能力，學(xué)生的期末成績也有所改觀，并且能從電磁學(xué)發(fā)展史中得到有益的啟示，對他們的工作生活都有很強的指導(dǎo)意義，可見此次教學(xué)改革有一定成效。以此為出發(fā)點，可以為其他工科課程引入科技史的教學(xué)實踐帶來一些小的啟示。

參考文獻(xiàn)：

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[5]潘彩娟，黃紅強.在電磁學(xué)教學(xué)中引進(jìn)物理學(xué)史的嘗試[J].廣西右江民族師專學(xué)報，2002（06）：32-34.