淺談物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的作用

徐俊敏 李欣

[摘 要] 物理學(xué)史具有豐富的內(nèi)涵，是人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識，是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，是人類文明的一部分，但物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中經(jīng)常因為種種原因被忽略。在大學(xué)物理教學(xué)中適度引入物理學(xué)史，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有助于科學(xué)精神的培養(yǎng)以及幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀。

[關(guān)鍵詞] 物理學(xué)史;科學(xué)精神;大學(xué)物理教學(xué)

[作者簡介] 徐俊敏（1986—），男，安徽蕪湖人，鄭州大學(xué)物理學(xué)院，博士，主要從事新能源材料與器件及大學(xué)物理的教學(xué)科研工作。

[中圖分類號] G642.1? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0329-03? ? [收稿日期] 2020-02-10

一、引言

從物理學(xué)科的發(fā)展來看，物理學(xué)包含兩類重要的知識體系，一類是物理學(xué)的研究成果，即經(jīng)過長期的歷史積淀，凝聚了無數(shù)科學(xué)家的智慧所形成的物理概念、規(guī)律和理論，我們可以稱之為靜態(tài)的知識體系;另一類是物理學(xué)的研究過程，這其中不僅包含科學(xué)家在探索、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律和構(gòu)建物理知識大廈的過程中，各種理念、方法和技術(shù)的創(chuàng)新，還包含美學(xué)、哲學(xué)、方法論等人文科學(xué)的諸多內(nèi)容，我們可以稱之為動態(tài)的知識體系，即物理學(xué)史。[1]

物理學(xué)史具有豐富的內(nèi)涵，是人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識，是人類文明的一部分。在大學(xué)物理教學(xué)中，物理學(xué)史有著廣泛的應(yīng)用前景，與各個學(xué)科聯(lián)系十分緊密。將物理學(xué)史融入物理課堂能促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，在物理知識教學(xué)、科學(xué)精神和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣以及樹立科學(xué)人文等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

二、物理學(xué)史對中學(xué)物理教學(xué)的作用

1.有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。在物理課堂中適當(dāng)滲透物理學(xué)史能提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。孔子曾說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，一切有成效的工作都是以某種興趣為先決條件的。只有學(xué)生對物理產(chǎn)生濃厚興趣，才會發(fā)現(xiàn)生活中許多有趣的現(xiàn)象可以用物理知識解釋，才可以真正理解學(xué)習(xí)物理的重要性，明白物理是自然科學(xué)許多領(lǐng)域和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。但是，初中高中階段的物理教科書，所呈現(xiàn)的基本概念、基本定律和基本理論被濃縮成了若干條精煉的語言，隱去了曲折復(fù)雜的思維過程，學(xué)生學(xué)習(xí)的是枯燥的概念和公式，然后做習(xí)題應(yīng)付考試。對于物理學(xué)家，學(xué)生只能通過具體的物理定律或公式前面科學(xué)家的名字去了解，這會使學(xué)生覺得物理知識很死板，從而厭惡它。學(xué)生從高中過渡到大學(xué)，理工科的學(xué)生開始學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程。大學(xué)物理課程不僅包含力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)等經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)容，而且對量子力學(xué)和相對論也有簡單的介紹。這些理論體系與其他學(xué)科的聯(lián)系十分密切，為許多新技術(shù)的完善提供了理論依據(jù)。學(xué)好大學(xué)物理可以使學(xué)生對自然界的各種現(xiàn)象做出合理的解釋，甚至可以使理工科的學(xué)生在他們的專業(yè)領(lǐng)域有新的突破。物理學(xué)是一門與其他學(xué)科聯(lián)系十分密切的科學(xué)，想要學(xué)好這門學(xué)科，要求學(xué)生擁有良好的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)。然而大學(xué)物理課程是面向非物理專業(yè)沒有受過系統(tǒng)數(shù)學(xué)物理訓(xùn)練的大學(xué)生所開設(shè)的，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時會感到很吃力，甚至?xí)W(xué)習(xí)物理的興趣。所以在大學(xué)物理教學(xué)的過程中，首先要提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，使學(xué)生對物理概念、定律等有更深刻的理解，讓物理為其他學(xué)科服務(wù)，這就要求教師在課堂教學(xué)中適當(dāng)引入物理學(xué)史，讓學(xué)生知道物理是一門理論與實驗緊密相連的學(xué)科，讓學(xué)生慢慢愛上物理。

2.有利于學(xué)生對物理知識的掌握與理解。《人是如何學(xué)習(xí)的》有精確論述：“學(xué)生帶著有關(guān)世界如何運作的前概念來到課堂，如果他們的初期理解沒被卷入其中，那么他們也許不能掌握所教的新概念和信息，否則他們會為了考試的目的而學(xué)習(xí)它們，但仍會回到課堂之外的前概念。”[2]學(xué)生在初高中階段的學(xué)習(xí)過程中，教材上的知識都是前人經(jīng)過多次推敲提煉出的完善的理論體系。而在物理課堂教學(xué)中，教師往往也只注重講授物理定律、公式的理解和應(yīng)用，想讓學(xué)生盡可能地考高分，學(xué)生填鴨式地接受并背會這些定律、公式。由于學(xué)生缺乏對這些定律公式產(chǎn)生過程的了解，不利于學(xué)生對物理知識的掌握和理解，學(xué)生在中學(xué)物理課程結(jié)束后，遇到一些與日常生活有關(guān)的物理現(xiàn)象時，仍然會陷入課堂之外的錯誤前概念，認(rèn)為肯定是重的物理下落更快。所以在大學(xué)階段，在講授大學(xué)物理課程中的重難點知識時，對學(xué)生進(jìn)行必要的知識形成過程的介紹，可以使學(xué)生打破課堂之外的前概念，體會到物理知識在社會生活中的價值，有利于學(xué)生對物理知識的掌握與理解。例如：在講原子動力時，如果學(xué)生死記硬背原子的結(jié)構(gòu)是由原子核和核外電子構(gòu)成，不僅會使學(xué)生感到乏味，而且不利于學(xué)生對知識的理解和掌握。但是如果適時在課堂中滲入原子物理學(xué)史，卻可以達(dá)到事半功倍的效果。教師可以從古希臘原子論，原子是不能再分割的最小單位開始引入;到1897年湯姆遜利用陰極射線管發(fā)現(xiàn)了電子，說明原子是可再分的;再到密立根測出了電子電量，盧瑟福利用氦核散射實驗證實了棗糕模型不成立，發(fā)現(xiàn)了原子的核式結(jié)構(gòu);最后到查威克發(fā)現(xiàn)了中子，以及人們又發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)比質(zhì)子小得多的幾種基本粒子。通過原子物理學(xué)史的引入，可以使學(xué)生理解和掌握原子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小單位，原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核又由質(zhì)子和中子組成等基本理論。

3.有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新思維。科學(xué)精神是一種老老實實的態(tài)度，實事求是是最起碼的要求;科學(xué)精神是一種批判的態(tài)度，要對自己和別人所作的研究無一例外地進(jìn)行嚴(yán)苛的審查，不承認(rèn)任何萬古不變的教條;科學(xué)精神是一種變革的勇氣，隨時準(zhǔn)備否定那些似乎是天經(jīng)地義的斷言，并接受那些好像是離經(jīng)叛道的觀點。[3]

中世紀(jì)“地心說”是神學(xué)教義，稱自然界是由上帝創(chuàng)造和支配的，把地球置于宇宙的中心。但是，有一天哥白尼突然發(fā)現(xiàn)太陽每天升起和落下的地方不一樣，于是，他就留心觀察太陽每天升起和落下的地方。經(jīng)過一年的觀察，他發(fā)現(xiàn)在每年的第一天，太陽升起和落下又回到了原點。他開始對地心說產(chǎn)生了質(zhì)疑，經(jīng)過分析和推演，創(chuàng)造性地提出了“日心說”這一新的宇宙觀，并寫出了《天體運行論》一書?！短祗w運行論》發(fā)表以后，立即遭到了神學(xué)界聲勢浩大的圍攻，著名的宗教改革家馬丁·路德（1483—1546年）罵哥白尼是瘋子、傻瓜。后來梵蒂岡竟蠻橫地宣布“日心說”是異端邪說，把《天體運行論》列為禁書。但是，真理終究要戰(zhàn)勝邪惡。到了18世紀(jì)，開普勒總結(jié)出行星運動三定律，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，使哥白尼的學(xué)說獲得更加穩(wěn)固的科學(xué)基礎(chǔ)，得到普遍的承認(rèn)。哥白尼這種不為世俗教義束縛，勇敢追求真理，敢于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)觀念的創(chuàng)新思想與方法，構(gòu)成了科學(xué)精神的核心要素，對近代科學(xué)的進(jìn)程產(chǎn)生了巨大影響。[4]

物理學(xué)史就是一個包含著許多科學(xué)和人文精神的素材，將其融入物理教學(xué)中，可以使學(xué)生以科學(xué)家為榜樣，學(xué)習(xí)他們不畏強權(quán)，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。正如楊福家在其編寫的《原子物理學(xué)》序言中提到的，“成功的教學(xué)必須誘發(fā)問題;聽了課、讀了書，只感到‘聽的舒服，讀來都懂是不夠的，真正的收獲還應(yīng)該反映在有沒有產(chǎn)生新的問題?！盵5]可見，在教學(xué)過程中幫助學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)疑能力和創(chuàng)新思維的重要性。

4.有利于學(xué)生形成正確的人生觀和價值觀。人們做決定時，更多依賴于個人經(jīng)歷和日常經(jīng)驗，像亞里士多德這樣的科學(xué)家也不例外。亞里士多德從日常經(jīng)驗出發(fā)，認(rèn)為物體下落的速度與它的重量成正比，然而伽利略用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推理和無數(shù)次實驗證明了物體下落的速度與其重量無關(guān)，并得出了自由落體運動規(guī)律。此外，亞里士多德認(rèn)為，力是物體產(chǎn)生運動的原因，但牛頓概括和總結(jié)了伽利略和笛卡爾等前人的理論，加以改進(jìn)，最終提出了牛頓第一定律：任何物體都保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)，直到受到其他物體的作用力迫使它改變這種狀態(tài)為止。此定律揭示了維持一個物體的勻速運動并不需要力，力只是改變物體運動狀態(tài)的原因。從這些物理學(xué)史可以看出，亞里士多德物理學(xué)中的很多具體結(jié)論都是錯誤的。

除了亞里士多德外，科學(xué)史上還有很多科學(xué)家犯過許多錯誤，我們在將物理學(xué)史應(yīng)用到大學(xué)物理教學(xué)的過程中，往往避不開物理學(xué)家的一些錯誤。日本物理學(xué)家湯川秀樹曾說過：“當(dāng)回顧物理學(xué)史時，我們會發(fā)現(xiàn)這個歷史幾乎可稱之為錯誤史。在許多科學(xué)家所想出的所有理論中，大多數(shù)是錯誤的，因而沒有生存下來，只有少數(shù)正確的理論才繼續(xù)生存。僅僅考慮這些現(xiàn)存的理論，會給人們形成一種不斷進(jìn)步的印象?！盵6]這些錯誤可以使學(xué)生了解在科學(xué)的探究過程中充滿曲折和艱辛，正確的結(jié)論往往是經(jīng)歷了大量錯誤的鋪墊而取得的，也使學(xué)生意識到偉大的物理學(xué)家是普通人，也會犯錯，意識到自己也要向科學(xué)家學(xué)習(xí)，正確看待錯誤，把錯誤當(dāng)成自己成功路上的墊腳石，不要因為一些失敗就自怨自艾。教師要教導(dǎo)學(xué)生不能因為科學(xué)家的錯誤就否定他們?yōu)榭茖W(xué)做出的貢獻(xiàn)，否定他們對近代物理的奠基作用。除此之外，教師還要引導(dǎo)學(xué)生，正確評價一個人要結(jié)合他當(dāng)時所處的時代背景和他的社會地位，科學(xué)始終適合政治，經(jīng)濟乃至宗教是互相關(guān)聯(lián)的;明確科學(xué)家行為的對錯，不因為科學(xué)家的光輝而美化其所犯的錯誤;評價要同時考量他所犯的錯誤和他為社會所做的貢獻(xiàn)，辯證地看待這個人。[7]物理學(xué)史的引入使學(xué)生學(xué)會理性看待錯誤和辯證的評價他人，有助于學(xué)生形成正確的人生觀和價值觀，對學(xué)生在大學(xué)的學(xué)習(xí)生活中與他人的相處，以及之后的求職或者深造，都會起到很好的指導(dǎo)作用。

三、結(jié)語

法國著名物理學(xué)家朗之萬說，“在科學(xué)教育中加入歷史的觀點是百利而無一弊的?！盵8]通過在物理教學(xué)中融入物理學(xué)史，不僅有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀，而且能夠提升教師的科學(xué)素養(yǎng)。正如錢三強先生所說：“物理學(xué)發(fā)展史是一塊蘊含著巨大精神財富的寶地，這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_墾，這些精神財富很值得我們?nèi)グl(fā)掘。”為了使物理學(xué)史有效地融入課堂，取得良好的成效，教師要自主地了解物理學(xué)史，開拓自己的知識面。在選擇物理學(xué)史料時，要遵循科學(xué)性、真實性、適量性及適度原則。

參考文獻(xiàn)

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