大學物理與物理學史相結(jié)合的教材編寫探討

龍乾新　姚青榮　盧照

[摘 要] 分析大學物理與物理學史教學現(xiàn)狀，討論大學物理和物理學史相結(jié)合的教材編寫的必要性，并就大學物理與物理學史之間的有機結(jié)合進行探討。認為大學物理和物理學史相結(jié)合的教材對于教學具有非常重要的導向作用。

[關鍵詞] 大學物理;物理學史;教材編寫

[作者簡介] 龍乾新（1981—），男，廣西梧州人，博士，講師，研究方向：相圖相結(jié)構(gòu)、第一性原理計算。

[中圖分類號] G714? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）25-0311-03? ? [收稿日期] 2020-02-27

一、大學物理和物理學史教學現(xiàn)狀

大學物理是研究物理現(xiàn)象及其規(guī)律的一門自然科學，是高等院校各理工科專業(yè)所必修的一門重要的通識性公共基礎課。它的知識體系和思維方法貫穿人們學習自然科學知識的始終，培養(yǎng)人的科學精神，陶冶人的科學思維，教人應用科學方法解決具體問題[1]。

物理學史再現(xiàn)了人類探索物理世界的過程，屬于綜合性學科，是人類探索自然科學的歷程，其所涵蓋的內(nèi)容包括物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的探索，科學家的思維方式以及物理學的研究方法，等等。記述的任何一個物理研究成果都具有階段性和連貫性特點，都是多個研究成果的匯集。一個物理研究成果往往要經(jīng)歷幾年、幾十年甚至一個多世紀才會有突破性進展，可見物理學研究是一個漫長而艱辛的過程[1]。

在當前高等院校中普遍重視大學物理理論知識學習，忽視物理學史的學習。大學物理通常是作為理工科必修的基礎課程，而物理學史則通常不做要求，或者以選修課的形式出現(xiàn)，甚至有的學校連選修課程都沒有。在考核方式上，大學物理作為公共基礎必修課，通常以考核的方式來獲得學分，而物理學史作為選修課程，通常以考查的方式獲取學分。另外，科任老師也只重視大學物理的理論教學，普遍重視對定理公式的推導，重視對復雜例題的講解，而對于大學物理中所蘊含的物理學史知識，則往往一帶而過。一提到物理學，許多學生首先想到的是抽象的公式和復雜的數(shù)學計算，所以很容易產(chǎn)生學習上的畏難情緒。如果教師在講授物理規(guī)律時仍采用滿黑板公式推導的授課方式，無疑會加重學生對物理學的恐懼，從而影響學生的聽課效率和學習積極性。

如何提高大學物理的教學效果，提高學生學習大學物理的積極性，很多學者做了大量探討。有的研究者從課堂教學的模式變革入手，探討提高學生學習大學物理的積極性，如OBE模式[2]、SPOC[3]、BOPPPS模式[4，5]、PagamO模式[6]、CDIO理念[7]、CUPT模式[8]、“閉環(huán)教學”模式[9]、翻轉(zhuǎn)課堂[ 10 ]、“互聯(lián)網(wǎng)+翻轉(zhuǎn)課堂”混合模式[ 11 ]、多模式結(jié)合[ 12 ]等。近年來，越來越多的學者認識到物理學史對于學生學習大學物理的興趣、活躍課堂氣氛以及提高大學生綜合素質(zhì)的重要作用[1][ 13，14 ]。

教材作為大學物理和物理學史的載體，對大學物理和物理學史課程安排、學校及學生對大學物理和物理學史的重視程度具有重要的導向作用。然而，對于大學物理與物理學史相結(jié)合的教材編寫方面的探討卻很鮮見。有的教材大學物理和物理學史通常以分離的形式存在，或者物理學史以碎片化的形式存在于大學物理教材中，不利于物理學史對于大學物理的學習。

二、物理學史與大學物理的辯證統(tǒng)一

（一）引入物理學史有助于激發(fā)學生的學習興趣

一提到大學物理，許多大學生首先想到的是抽象的概念和復雜的數(shù)學計算，大學物理課堂通常是滿板書的物理公式的推導，往往讓他們產(chǎn)生畏難情緒，不利于大學物理的教學，也影響到學生學習大學物理的積極性和效率。

在大學物理中引入物理學史，會使得學生認識到大學物理不僅僅是一門純粹的科學，而是來源于我們的生產(chǎn)、生活，是生活生產(chǎn)中遇到的物理現(xiàn)象的概況和總結(jié)。例如，萬有引力無處不在，牛頓通過蘋果落地的思考，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。另外，物理學史的引入，也讓學生認識到，我們對于世界的物理規(guī)律認識得越充分，越有利于人類社會的進步。比如，蒸汽機的發(fā)明讓人類進入了一個機械化的時代，是人們對熱學規(guī)律的認識和應用的結(jié)果;電氣化時代是人們對于電磁學規(guī)律認識和應用的結(jié)果;信息化時代是人們對于量子物理認識和應用的結(jié)果。正是由于對我們生活的世界的不斷認識，不斷概括總結(jié)、演繹推斷，使得人類不斷進步。明白了學習大學物理的重要意義和作用以后，才能不斷提高學生學習大學物理的興趣和積極性。

（二）引入物理學史有助于學生理解物理概念和物理定律

物理學史和大學物理的結(jié)合，可以將大學物理的基本概念、公式和定理的來龍去脈講清楚，學生學習起這些公式定理時就不會覺得抽象，而是變得有趣和令人記憶深刻。很顯然，大學物理教育的核心目標并不是為了讓學生記住基本的物理概念、公式和定理，而是要培養(yǎng)學生觀察、思考和分析問題的能力?；仡櫿麄€物理學的發(fā)展過程可知，物理學中的基本概念、公式和定理的提出不是一朝一夕的事情，而是經(jīng)過無數(shù)科學家不斷探索，長時間觀察、思考和總結(jié)而最終得到的。例如，人們對于力的認識就經(jīng)歷了漫長曲折的過程。在伽利略之前的科學家都認為，力是維持物體運動狀態(tài)的原因，比如馬拉車，一旦馬不再對車施力，車子很快就停下來了。這是人們對力的分析不全面造成的，他們沒有看到摩擦力的存在。直到后來，伽利略通過大量的實驗才總結(jié)出力是改變物體運動狀態(tài)的原因，而不是維持狀態(tài)的原因。牛頓進一步提煉和總結(jié)得出著名的牛頓第一定律?？茖W家們不斷觀察、思考和分析的辯證思維過程會深深印在學生們的腦海中，因此這些基本的概念、公式和定理不再是一個個枯燥無味的知識點，而是包含豐富歷史元素有血有肉的知識點。因此，將物理學史和大學物理相結(jié)合必將大大加深他們對知識的記憶、理解和生產(chǎn)生活中的運用，這是我們所期盼的。

（三）引入物理學史有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維方法

我們看到，有媒體經(jīng)常批判中國的學生缺乏創(chuàng)造性思維，這也引起教育部門的反思。很多學生記憶知識點有一手，但是不能將這些知識靈活運用于實際生活之中，缺乏創(chuàng)造性思維。其實，物理學史中包含著豐富的創(chuàng)造性思維元素，物理學史和大學物理相結(jié)合會有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)造性的思維方法。比如：除牛頓三大定律外，牛頓的另一大貢獻是他的萬有引力理論。任意兩個物體間都有相互作用力，這種力稱為萬有引力。萬有引力的大小與兩個物體質(zhì)量成正比，與它們之間距離的平方成反比。但是萬有引力到底有多大呢？18世紀末，英國科學家亨利·卡文迪許決定要找到一個計算方法。他把兩頭帶有金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來，再用兩個350磅重的皮球放在足夠近的地方，以吸引金屬球轉(zhuǎn)動，從而使金屬線扭動。然而，金屬細絲扭轉(zhuǎn)的角度如此細微，如何能夠精確測量呢？卡文迪許創(chuàng)造性地想到了一個絕妙方法，他將一個鏡子固定在金屬線上，這樣鏡子就能隨著金屬絲扭動而一起扭動。然后，他將光照射到鏡子上讓其發(fā)生反射，反射光照到遠處的刻度尺上，通過刻度尺上的讀數(shù)變動，由此計算出金屬絲扭過的角度?？ㄎ牡显S用這種方法測得的結(jié)果驚人的準確，他測出了萬有引力的參數(shù)恒量。其實，物理學史上有非常多這樣充滿創(chuàng)造性的實驗，如伽利略的自由落體試驗、羅伯特·密立根的油滴試驗以及盧瑟福α粒子散射實驗等，無不充滿讓人嘆為觀止的創(chuàng)造性，這些對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維是寶貴的財富。

（四）引入物理學史有助于培養(yǎng)學生的科學精神

鍥而不舍和懷疑批判精神是科學得以發(fā)展到今天最重要的兩種精神，它們始終貫穿于物理學發(fā)展的始終。例如：第谷·布拉赫30多年始終如一堅持觀察恒星的運動，收集到了詳盡的天文學資料，為開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)提供了可靠的實驗數(shù)據(jù);居里夫人為了從數(shù)噸瀝青鈾礦渣中終提煉0.1克的鐳，花了超過4年的時間;愛迪生為了找到適合做燈絲的材料，經(jīng)歷了8000多次實驗的失敗后才獲得成功;法拉第經(jīng)過近10年時間研究，終于證實了自己當初“磁生電”的設想。這些物理學家們的故事，是培養(yǎng)學生科學精神的肥沃土壤。批判性思維也是物理學得以發(fā)展的非常重要的精神，如果沒有伽利略對于力是維持物體運動原因的批判，就不會有他著名的加速度實驗，而牛頓也就不能站在巨人的肩膀上了。愛因斯坦如果沒有批判的精神，迷信牛頓的學術(shù)權(quán)威，就不會有狹義相對論和廣義相對論的產(chǎn)生。將物理學家們追求科學真理孜孜不倦的奮斗歷史和大學物理學相結(jié)合，對于學生科學精神的培養(yǎng)會起到潛移默化的作用。

三、如何將物理學和物理學史有機結(jié)合

（一）從教材的變革入手

要達到真正的大學物理和物理學史相互促進的效果，需要重新編寫教材。在大學物理的相應的每章中增加相應的物理學史的小節(jié)，或者將物理學史融合在相應的知識點里面，避免簡單的拼湊，這就要求教材的編寫者加大對大學物理和物理學史融合的研究。

（二）變革課程設置

大學物理和物理學史相結(jié)合，就由原來的兩門課程變成了一門課程，這需要教學管理部門對這門新的綜合課的重新認識。在課程設置方面，需要重新編寫教學大綱，課時、教學要求以及學分也需要進行相應的調(diào)整。

（三）變革教學過程

融合了大學物理和物理學史的課程教學過程應該是能將知識性和趣味性、歷史和現(xiàn)實、知識和方法等融為一體的課堂。這就要求教師加強課堂設計，加強備課，既要避免有血有肉的故事干癟癟的一句話帶過，又要避免為了講故事而純粹講故事。要達到良好的效果，首先要求物理教師必須具備與之相適應的素質(zhì)和知識結(jié)構(gòu)。

在整個課程學習過程中，適當穿插讓學生講述關于物理學史的故事，或者課后作業(yè)讓學生就某個專題撰寫物理學史的論文，也是課堂設計一種有益的嘗試。無論讓學生講述物理學史的故事還是撰寫物理學史的論文，都需要學生查閱相關專題資料，這就使得學生在查找資料過程中，能對物理學史有全面的了解，或者對某個方面有更加深入的研究。在整理收集、閱讀資料過程中不知不覺培養(yǎng)了他們科學研究的方法，在集中性整理科學家或者是物理規(guī)律的發(fā)展史過程中，深受科學家的不畏艱難的科學精神熏陶;在整理學習物理規(guī)律發(fā)展史過程中發(fā)掘其中的思維方法。

（四）變革考核方式

課程的考核方式?jīng)Q定了學生對該課程的認知和重視程度。根據(jù)實際情況，在考試中設置合理的大學物理和物理學史的分值，會避免物理學史放在教材中成為一種擺設。讓學生撰寫物理學史的論文以及在考試中設置物理學史的開放性的題目，都有利于讓學生真正將物理學史和大學物理的理論學習統(tǒng)一起來。

總之，物理學與物理學史是辯證統(tǒng)一的，大學物理和物理學史課程的有機融合有望擺脫學生對大學物理的厭學情緒，使得大學物理課堂變成具有知識性和趣味性的課堂，使得學生掌握知識的同時，學會科學的思維方法，受到良好的人文熏陶。大學物理和物理學史相結(jié)合的教材的編寫對于促進二者的有機結(jié)合會起到關鍵的導向作用。

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Abstract：The paper analyzes the teaching status of University Physics and the History of Physics，discusses the necessity of compiling textbooks combining University Physics and the History of Physics，and explores the organic combination between them.It is believed that the textbooks combining College Physics and the History of Physics play a very important guiding role for teaching and learning.

Key words：College Physics;History of Physics;textbooks compilation