物理學史課程的教學改革與實踐①*

劉云虎 曹海賓

(石河子大學理學院物理系 新疆 石河子 832003)

邵建新

(石河子大學師范學院課程與教學系 新疆 石河子 832003)

物理學是一門自然基礎學科，其研究內容大體上可以分為兩大領域：探索物質微觀結構學科和研究物質相互作用、相互轉化規律學科．按照具體研究對象又可分為力學、熱學、光學、電學、磁學等，內容豐富，層面廣泛，分支繁多．物理學史則主要研究物理學產生和發展的基本規律；物理學概念、思想的發展和變革過程；物理學科各分支之間的相互滲透；物理學與其他學科之間的相互聯系；物理學的發展與社會背景的關系等．從這個層面來說，物理學史是一門文理滲透的課程，既具有數理學科邏輯嚴密、實事求是的特征，又具有哲學社會科學學科縝密分析、深入探索的特征．

物理學史對于物理學專業的本科生來說具有非常重要的作用．突出表現在以下幾個方面．

(1)闡明理論和實踐的關系．物理學是實驗學科，強調實驗的意義，但并不否定理論的重要性，只有在實驗的基礎上建立了正確的、經過實踐檢驗的理論，才能達到對客觀事物的規律性認識．在物理學的發展過程中，很多事例都能夠充分證明這一點，從而也就能夠使學生對實驗和理論的認識更加深刻．

(2)掌握科學的思想方法論．縱觀整個物理學的發展過程，很多優秀的科學家做出了巨大的成就．在取得這些成就的背后，除了科學家自身勤奮的因素外，他所具有的科學的思想方法也是非常重要的一個因素．通過講解翔實的歷史資料，總結出科學的思想方法，如果學生能夠掌握這些科學的思想方法論，這給他們今后在物理學領域的發展提供了一盞指路明燈．

(3)培養學生高尚的科學素養．在物理學的發展過程中，無數的科學家前仆后繼，勇于奉獻，勤于探索．在他們身上，除了具有對科學的勤奮追求之外，更多地還體現出崇高的人格魅力．這對于引導大學生形成積極向上的人格具有很大的感染作用．

(4)加深對物理學各專業課程的認識．對于物理學專業的學生來說，專業課程非常重要，如理論力學、電動力學、量子力學等．但學生對于這些課程的掌握局限于這些理論是什么樣子、有什么應用，但對于理論是如何產生的、其背后有什么物理思想無從得知．物理學史的學習可以很好地彌補這一點，對理論產生的來龍去脈，其具有的物理思想等都可以詳加闡述，使學生知其然，更知其所以然．

目前在物理學史課程的教學中，或多或少出現了一些問題．大部分學生重視專業課程的學習，認為物理學史這類課程是可有可無的雞肋，對課程的認識產生了偏差；該課程具有的文科課程性質，使得一些學生學習起來覺得枯燥無味；對該課程的學習限于幽默、風趣的歷史事件，缺乏對事件進行分析、總結的能力．在擔任物理學史課程主講教師的幾年時間里，針對學生在學習過程中出現的問題，從教學內容、教學方式、教學思路、考核方式等幾個方面對該課程進行了一些改進和實踐，從學生的反饋效果來看，教學效果有了顯著的提升．

1 教學內容的選取

物理學史課程的學時沒有明確的限定，那么任課教師就需要根據具體的學時數來安排授課內容．文獻[1]的主要內容包括：經典物理學的發展，19和20世紀之交，實驗新發現和現代物理學革命、相對論和量子力學的建立與發展、20世紀物理學各個分支的發展過程等．文獻[2]則敘述了從古代巴比倫時期至1925年物理學發展的重要歷史事實，譯者還加上了中國物理學的發展簡史，從而大大地豐富了該書的內容．文獻[3]講述了中國物理學發展史、古希臘和中世紀歐洲人對物理現象的認識、經典物理學的建立過程、20世紀初期相對論和量子力學的建立過程．文獻[4]系統論述了物理學發展史，包括古代物理學、經典物理學和現代物理學，書中對20世紀物理學及其思想方法的論述尤為深入．由文獻[5]采用三層次的結構：第一層次，在每章的概述或引言中，對物理學的該分支學科歷史梗概作簡要介紹；第二層次，在隨后的幾節，重點講述該分支學科中主要的物理事件的發生和發展，以及物理學家的貢獻；第三層次則是每章最后的案例剖析或專題研究．

從近幾年出版的這些教材中可以發現，物理學史大體上可以分為四大部分：

(1)中國及西方古代物理學發展史；

(2)經典物理學發展史；

(3)近代物理學發展史；

(4)現代物理學發展史．

隨著培養方案的變化，筆者曾講授過32課時、36課時、48課時和54課時的物理學史．這四部分的學時比例可按照1∶6∶4∶2來分配．課時緊張時，建議精講中國物理物理學發展史里面的部分內容，重點講解經典物理學發展史和近代物理學發展史；課時較寬裕時，可適當增加現代物理學發展史的課時，通過物理學前沿發展的介紹，激發學生的好奇心和學習興趣，引導學生對自身發展找到一個合適的定位．

2 教學手段的改進

從物理學史的課程性質來看，該課程適宜多媒體與板書相結合的教學手段．相對于傳統的教學，多媒體教學具有形象直觀、生動便捷、教學成本低等多方面優勢，其隨機性、靈活性、全方位和立體化的信息呈現方式對于優化課堂環境，提高教學質量能起到很好的作用．

對于物理學史課程的多媒體課件的制作既要針對物理學史的課程性質，又要結合多媒體課件的制作原則，文字內容要簡潔，以提綱式為宜．但是對于多媒體授課來說，一些問題也是比較常見的，要盡量注意避免．

(1)缺乏交流.不能充分發揮教師的授課積極性；

(2)互動不夠.不能充分調動學生的學習積極性；

(3)追求形式，不求效果，本末倒置．就目前而言，采用多媒體與板書相結合的教學手段是最合適的一種方法．

3 教學方法的轉變

3.1歷史倒敘先入為主

如果講課的時候按照歷史發展前后來講的話，容易引起學生的疲勞感，對于學生也沒有好奇心而言．所以，必要的時候可以適當地調整教學內容的順序，從后向前，由淺入深．

在這里建議采用文獻[1]提出的6問題模式，提綱挈領，層層深入．在學習一個事件的發展過程中，先給出結果，再引導學生回答以下問題.

(1)為什么(WHY)？一個物理學事件的發生，必定有其歷史背景和定因．

(2)是什么(WHAT)？該事件有何意義？對物理學的發展有什么作用？

(3)什么時間(WHEN)？該事件發生在什么時代？有什么歷史背景？

(4)是誰(WHO)？為什么是這位科學家做出的這些成果？

(5)在哪里(WHERE)？為什么在這個國家，這個地方？而不是其他國家、其他地方？

(6)怎么樣(HOW)？該科學家成功的關鍵是什么？經歷過什么樣的奮斗歷程？對我們有什么啟示？

以能量守恒定律為例，可如圖1所示設置問題．

圖1 能量守恒定律六大問題

3.2 適時取舍變換主線

對于具有歷史性的課程，一般都是按照時間主線來進行講解，這種方式容易造成授課內容的單一．在教學過程中，可以選取合適的教學內容變換教學主線．

例如在經典電磁學發展史部分，可以采用大事件為主線，該部分內容可以分為以下幾個大的事件：對電磁的早期認識；電荷守恒定律的建立過程；庫侖定律的建立過程；歐姆定律的建立過程；安培定律的建立過程；法拉第電磁感應定律的建立過程；麥克斯韋電磁場理論的建立過程；實驗上的驗證過程及其應用．該部分內容以大事件為主線具有以下幾個優點：教學思路清晰；科學的思想方法論貫穿其中，達到“以史帶論”的效果；全方位講解，內容更為形象、生動，調動學生的學習積極性．

在相對論發展史部分，可以采用關鍵人物——愛因斯坦為主線，從其出生、成長到取得巨大的成功再到最后逝世的過程，將相對論的發展史融于其中．采用這種教學方法，使我們能夠追溯關鍵人物的思想轉變過程，更容易把握相對論的基本本質；同時，關鍵人物的生平介紹使得內容豐富、生動，富有立體感；最后，通過學習關鍵人物的奮斗過程，使學生感受大師的風范和人格，這有助于學生完善自己的人生目標，提高自身素質．

4 教學模式的改變

對于該課程，如果一味采用“填鴨式”教學容易造成學生的倦怠和疲勞感．根據前期調查問卷的結果，在課堂教學中可以適當引入學生參與的元素和專題講座的形式．

可以選擇一個有意義的歷史問題，讓學生自己搜集文獻資料，然后在課堂上發言表達自己的觀點或者集中討論，教師可以起輔助作用，引導學生的思路和話題，逐步深入，得到最終結論．一般時間控制在15～20 min為宜．在經典力學發展史部分，可以引入“為什么伽利略沒有發現宇宙引力？”[6]這個問題，引導學生逐步分析原因，使學生能夠了解歷史的同時，也能夠掌握到物理學的發展還會受到社會因素和經濟因素的制約，同時也能夠使學生逐步明白牛頓之所以成功與其自身的科學素質具有很大的關系．

在學生參與探討的過程中，學生對于物理學的一些新興理論表現出了濃厚的興趣，像弦理論、大型強子對撞機、平行宇宙、宇宙大爆炸理論等．學生在準備資料的同時，能夠接觸到這些理論的發展過程、預期解決的問題、理論本身尚存在的問題等，一方面能夠激發學生的學習興趣，另一方面能夠使學生了解物理學的前沿發展趨勢，確定今后的發展方向．

專題報告可以把某一個問題集中進行講解，由基本理論層層展開．例如,德布羅意物質波理論非常簡單，但是它卻是量子力學和相對論形成的橋梁[7]，對于該部分知識就可以作為一個專題的形式由淺入深介紹量子力學和相對論的發展基礎．

而對于物理學前沿學科領域的發展史可以由相關研究領域的專家或者本系其他教師給學生做一場專題報告，既能夠使學生了解該理論的發展過程，更能夠使學生掌握該理論的發展趨勢．

5 考核方式的改變

由于該課程具有文科的性質，對于物理學專業的學生來說，關鍵問題不在于學生能夠記住在什么年代發生了什么事情，而是要從基本上把握住理論發展的前因后果和科學的思想方法論．為達到這樣的目的，就需要對考核方式進行一下改變．首先，平時作業從單純的書面作業逐步演變到一些驗證性實驗，例如,可以讓學生自己動手制作指南魚、用類比法驗證庫侖平方反比定律等．其次，多布置一些開放性的作業題目，例如,讓學生搜集著名物理學家的名言警句．這個題目看似簡單，學生能夠增長一些基礎知識，更深層次的則是希望學生通過搜集名言警句，能夠自發地去尋找名言背后的物理背景，蘊含的物理思想，表現出的人格魅力等．

對于期末考試，從最開始的書面閉卷考試首先變化到書面開卷考試，但是效果不是很理想，現在采用課程論文的形式相對來說效果要好一點，學生也樂于接受．通過論文的書寫，使學生初步了解論文的寫作過程和寫作方法，為畢業論文奠定基礎．但是論文的難易程度要把握到位，緊扣課程目的．例如往年采用的一個題目“思想方法論在物理學發展中的作用”，從上交的論文來看，題目有些偏難，但大部分學生完成得還是相當不錯．同時，對于課程論文的書寫一定要有明確的書寫規定、論文結構、字數要求和評分標準，盡量避免分數的隨意性．

6 結語

鑒于物理學史課程目前的教學狀況及課程自身的重要性，在課程調查問卷反饋結果的基礎上，主要從教學內容、教學手段、教學方法、教學模式和考核方式等方面，在實際的教學過程中進行了探索．從實施效果來看，學生評教成績從三年前的89分提高到現在的95分；學生的平時出勤率從90%左右上升到約99%；期末考核成績平均成績提高到80分左右，不及格率在5%以下；近兩年的畢業生中，選題和物理學史相關的學生共有5人，完成得都很出色．以上的效果能夠說明對于該課程教學方面的各項改革還是具有一定的積極意義，當然，對于教學的探索是永無止境的，希望該文能夠起到拋磚引玉的作用，對大家的課程教學有一定的幫助．

參考文獻

1 郭奕玲，沈慧君.物理學史.北京：清華大學出版社，2005.2～3

2 弗·卡納里，戴念祖.物理學史.桂林：廣西師范大學出版社，2008.1～2

3 胡化凱.物理學史二十講.合肥：中國科技大學出版社，2009.1～2

4 李艷平，申先甲.物理學史教程.北京：科學出版社，2006.1～2

5 青峰.簡明物理學史.南京：南京大學出版社，2007.1～2

6 J. Needham. The Grand Titration: Science and Society in East and West. Toronto: university of Toronto Press, 1969. 235～236

7 A. Elitzur, S. Dolev. Becoming as a Bridge Between Quantum Mechanics and Relativity. London: World Scientific Publishing company, 2005. 124～125