從教材中一則物理學史例的呈現談談物理科學方法的教學

薛鈺康

（蘇州工業園區星海實驗中學，江蘇 蘇州 215021）

電磁感應是人類歷史上極其重要的偉大發現，由于該發現才使人類社會步入電氣化時代成為可能，中學物理教材中有專門章節討論.參閱了多本教材，關于電磁感應現象發現的歷史往往都是僅僅數語：英國物理學家法拉第經過10年不懈的努力，在1831年終于發現電磁感應現象.而對法拉第發現過程中歷經的艱難與挫折只字不提，倒是有輔導材料上有關于科拉頓跑失電磁感應發現的故事：1820年，奧斯特的磁效應發表后，科學家想既然“電能生磁”，反過來“磁也能生電”.1825年，科拉頓做了這樣一個實驗，他將一個磁鐵插入連有靈敏電流計的螺旋線圈，來觀察在線圈中是否有電流產生.但是在實驗時，科拉頓為了排除磁鐵移動時對靈敏電流計影響放到另一間房里.他想，反正產生的電流應該是“穩定”的，插入磁鐵后，如果有電流，跑到另一間房里觀察也來得及，就這樣，科拉頓開始了實驗.然而無論他跑得多快，他看到的電流計指針都是指在“0”刻度的位置，科拉頓失敗了.法拉第也在研究同一個問題，并于在1831年8月，觀察到了電磁感應現象，并得出了著名的“法拉第電磁感應定律”.而大多數的材料中論及科拉頓時，總是認為其方法有問題，且表示出一種可惜與同情的心態，甚至有的材料中呈現出一種嘲諷的味道.筆者以為這樣的看法是不對的.因為科拉頓的“磁生電”的研究方法設計本身是合適且恰當的，他甚至比法拉第考慮得更為仔細與全面，那么為什么科拉頓沒有先發現呢？這是由于早期的物理學研究往往是許多有經濟能力和對物理科學充滿興趣與熱愛的人在從事，以個體研究為主，科拉頓就屬于此類情形，如果是有助手協助他或者用現代的觀點來說，注重團隊協助研究的話，科拉頓就不會丟失電磁感應現象的發現權了.因此，我們不應該用嘲笑的觀點來看待科拉頓，而應該將科拉頓和法拉第的研究進行對比，指出其實驗與方法的合理與不足，抓住時機對學生進行科學方法的教學，我們應該像尊敬法拉第那樣，對科拉頓表示同樣的敬意.再回到教材，教材中沒有重視法拉第發現的過程也不是很恰當，因為這是體現科學方法的非常好的實例，也是進行科學方法教學的有利時機.類似忽視科學方法實例的情形，在教材中還有，從教學來說，這不利于學生形成正確的物理知識觀，也不利于學生形成正確的物理科學方法觀.因此，筆者提出以下幾點建議，與大家商榷.

1 師范物理教育要重視物理學史的教學

還記得20世紀70～80年代在大學師范學習的時候，學校為大三、大四開設選修科目的時候，物理學史就是作為選修課提供給學生學習的，而作為學生的我們，考慮的往往是，喜歡理論的會選擇四大力學的深入課程；喜歡應用的往往會選擇電子技術方面的課程，總是有這樣的看法，物理學史想了解的話，今后通過自己閱讀就可以了，因此選修物理學史課程的學生一般不是很多.可見當時對物理學史的教學與學習是不夠重視的，最主要的是對學習物理學史的認識不到位，以為僅僅是了解一些物理學發展的時間編年情況，而沒有認識到從物理學史中去認識學習物理科學方法的知識.當然，這也有其他的一些原因，比如，就書籍來說也不是很多，記得在圖書館可以查到較多的是德國勞厄的《物理學史》，我們學校采用的好像是北京物理學會編寫的《物理學史專題講座》，而這恐怕也是人們對物理科學方法教學的不夠重視的因素之一吧.后來，隨著國內更多的專家學者在自然辯證法、科學哲學方面研究的開展，物理學科學思想與方法方面的專著與譯著逐漸增多，如楊仲耆和申先甲先生的《物理學思想史》、戴念祖先生的《中國物理學史大系》、申先甲和束炳如先生的《物理學史教程》、郭奕玲先生的《物理學史》、美國卡約里《物理學史》等等.雖然書籍是多了，研究的專家與成果也多了，但是，中學物理教育界對物理學史與物理科學方法方面的認識無多大的變化，雖然也有一些中學的學者型教師在積極開展這方面的研究與普及，如王溢然、束炳如主編了一套《中學物理思維方法叢書》等.但是，就從中學物理教學來說，影響還是不夠大.而近幾年隨著張憲魁教授的《物理學方法論》等一系列課題與著作，特別由中國教育學會物理教學專業委員會組織的多次“全國物理科學方法教育學術”專題研討會的召開，席新課程標準對科學方法目標要求之風，物理科學方法的教育在中學物理教學界逐漸重視起來.但是，相應地對教師原有的知識結構提出了更高的要求，從這幾年接觸的新畢業的物理師范生來看，他們在大學學習時對物理科學方法方面接受的教學同樣不是很多，因此，筆者呼吁師范教學應該將物理學史的教學納入其必修課程中去，物理學史是蘊藏物理科學方法的巨大寶庫，通過物理學史的學習來繼承與發展物理科學方法的教學，繼續推進物理新課程改革的深化.

2 物理科學方法教學是物理教育的內涵之一

2011版義務教育《物理課程標準》“課程性質”指出：“義務教育物理課程作為科學教育的組成部分，是以提高全體學生科學素養為目標的自然科學基礎課程.此階段的物理課程不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，而且應注重對學生學習興趣、探究能力、創新意識以及科學態度、科學精神方面的培養.”“義務教育物理課程是一門注重實驗的自然科學基礎課程.此階段的物理課程應注意讓學生經歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題和解決問題的能力.”

課程標準中明確了科學方法也是科學知識的組成部分，物理科學方法教學目標就是發展學生如何解決問題的能力，包含實驗方法、理論分析和運算方法等等多種能力.美國學者勞厄說過，教育無非是一切已學過的東西被遺忘后所剩下來的東西.這剩下的東西是什么？無非是態度、方法與精神.還是以法拉第與科拉頓對電磁感應現象的研究為例，他們10年的研究中，經歷了怎樣典型的實驗探索、思維分析，如何從彎路中走出，或者是怎樣無心插柳柳成陰的，這一些都是物理學習中的寶貴內容.方法的形成不是一蹴而就的，都是經歷了艱難曲折的心路歷程和千萬次的實驗探究，而且，我們可以從法拉第與科拉頓研究的對比中認識科學研究方法的趨同性與差異性.在此基礎上，再經歷自己親身的實驗探究過程，更有利于他們自身科學方法能力的形成，站在巨人的肩膀上讓他們能看得更遠更清，繼承與發展科學的精神.

通過物理課的學習，要讓學生明白科學研究是存在失敗的，而且失敗的遠比成功的多，所有的科學知識都是在不斷糾正錯誤認識的過程中建立起來的，而且還在不斷的糾正與發展中.尤其讓現在的學生明白這個道理很重要，當前，我們教育教學中把這一塊寶貴的東西給丟棄了，教育的功利性很強.如今的教材編寫、課堂教學中，很少有失敗事例的教育，好像容納不了失敗；各種平時的練習、測驗、考試更是如此，均分設置很高，斤斤計較在一兩個小分上，做著無盡頭的分值排序.為了習題的分數而忽視甚至放棄內容與實驗中的科學方法教育，想方設法縮短形成知識概念、規律的過程，擠出時間進行操練，達成所謂的顯性有效，而忽視了科學方法與能力的隱性發展.筆者聽過一些精彩的展示課，他們利用現代DIS的新型實驗手段后，用一節課的時間能完成原來兩節課的教學工作，而節省出來的時間，還是用來做習題操練.因此，筆者希望大家都要關注這個問題，要明白物理科學方法教學也是物理教育的內涵，方法的教學有時顯得更為重要，要想回答錢學森之問，還是必須要在這方面做更多的工作才行.

3 物理教材應該成為提供科學方法教育的范本

我們通常說的物理教材，主要就是指學生使用的物理課本.物理課本是學生學習物理最主要的依據，也是學生學習科學方法的主要來源.還是以上面說的法拉第電磁感應的發現來說，學生看了書上這么簡單敘述法拉第發現的經歷，然后做一個電磁感應的實驗，就能有很大的科學方法的收獲嗎？而對比一下杰拉爾德.霍爾頓等編寫的《光學與電磁學》中相應的內容：

法拉第用力線形象地描繪電場和磁場以后，就從事于探索用磁產生電流的方法.在他1824年以后的日記里有許多關于這種實驗的描述.每一實驗都以“不起作用”或“無結果”結束.

1831年終于出現了突破.像許多發現那樣，經過一段初步的研究和科學家間的討論，這次發現，是由兩位科學家幾乎同時分別在不同的國家里獨立完成的.法拉第并不準確地是第一個用磁產生電的人.現在所稱的電磁感應實際上是由美國科學家約瑟夫.亨利最先發現的.……

法拉第被認為是電磁感應（用磁產生電流）的發現者，不單是因為他第一個發表論文而首先獲得公認，主要還是因為他對論題的各個方面進行了徹底的研究.……

他們是從法拉第的日記寫到亨利的工作，再寫到為什么法拉第被認為是電磁感應現象的發現者，有著詳細與精彩的描述.這僅僅是我們課本中的一個例子而已.希望專家們在教材中，能增加一些有關物理學史中科學方法內容編寫的量，增加教材的可閱讀性與可閱讀量，讓課本成為提供科學方法教育的范本.

4 物理學史研究中要加強科學方法的案例化記錄

筆者在上面提到了大學師范物理教學中要加強物理學史的學習，這也是受張憲魁教授倡導科學方法教育工作的影響，使筆者開始關注科學方法的教學與資料問題.原來雖然也對科學家的奇聞異事比較感興趣，也喜歡閱讀一些科技史料方面的東西，但從沒有從教學方面去思考.而從這幾次與張教授的接觸之后，深切感受到物理科學方法教學的重要性.但也深感好的科學方法方面的書籍不是很多，而關于科學方法的主流書籍還是物理學史和科學技術方面的為主.而一般的物理學史與技術史的編寫方式，主要采用的是歷史編年史的書寫形式，就好像是我們生活中的流水賬，記錄了隨紀元年的變化，物理、科學技術的發展.多數記錄了各個事件發生的時間與進程，而對每一件事件發生的前因后果、變化過程等，特別是物理學家的研究原始過程記錄很少.因此，才會出現說牛頓引力研究得于受蘋果落地、伽利略比薩斜塔鐵球實驗的傳說，寄托了人們無限的遐想，也將科學家的研究經歷變得神化了，遮掩了其原始的科學思維與科學方法.因此，筆者希望用案例性的記錄方式，或者是物理學家對話型方式，來書寫我們的物理學史與科學方法史，將物理學家的原始思維記錄下來，讓我們的學生與讀者能深受其益.記得，楊振寧先生在《幾個科學家的故事》中講述了費米、泰勒、玻爾等的研究風格，在《美與物理學》中講述了海森堡、狄拉克等不同的研究風格；李政道先生在懷念導師費米時，總是要敘述“計算尺”的故事，表達了費米研究方法、風格對他的深刻影響.如果，我們的物理學史、課本的編寫中多多運用如哈佛醫學案例剖析的方法，那對物理科學方法的教學與普及是非常有利的.

1 謝東，王祖源編著.人文物理［M］.北京：清華大學出版社，2006.

2 杰拉爾德.霍爾頓.光學與電磁學［M］.北京：文化教育出版社，1980.