物理學(xué)史與物理教育研究

李升健

(韓山師范學(xué)院，廣東 潮州 521041)

大學(xué)階段的物理學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)習(xí)者的物理知識(shí)基礎(chǔ)、思維能力等提出了較高的要求，以往的物理學(xué)習(xí)主要圍繞公式、定理展開(kāi)，缺乏對(duì)于理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所產(chǎn)生的過(guò)程的了解。而通過(guò)物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，可以有效借助角色代入領(lǐng)會(huì)到相關(guān)知識(shí)推理演繹的過(guò)程，在夯實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)也有助于培養(yǎng)物理思維能力。

一、物理學(xué)史所傳遞出的教育功能

基于美國(guó)認(rèn)知教育心理學(xué)家Ausubel所提出的有意義學(xué)習(xí)理論視角，物理學(xué)史發(fā)揮著物理教育的“先行組織者”功能，通過(guò)回顧歷代學(xué)者關(guān)于某一物理概念的探索歷程，幫助學(xué)習(xí)者建立起宏觀認(rèn)知基礎(chǔ)，明確物理概念與理論的由來(lái)、推導(dǎo)方式、所能解決的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展前景，有效深化學(xué)習(xí)者對(duì)于物理知識(shí)的認(rèn)知[1]。同時(shí)，物理學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)一系列耗時(shí)數(shù)年、耗材大量的物理實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)史可以幫助學(xué)習(xí)者了解到實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的背景、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與試驗(yàn)方法，深入實(shí)驗(yàn)當(dāng)中厘清設(shè)計(jì)思想與問(wèn)題解決策略，有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的觀察力與分析能力，降低物理實(shí)驗(yàn)失誤問(wèn)題的發(fā)生概率。此外，物理學(xué)史與物理教育的結(jié)合能夠?qū)⑾嚓P(guān)物理觀念、思想的發(fā)展變革過(guò)程進(jìn)行清晰梳理，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在接受新理論的同時(shí)也能夠轉(zhuǎn)變?cè)械乃季S模式，進(jìn)一步站在宏觀角度培養(yǎng)物理學(xué)科思維模式，領(lǐng)會(huì)物理學(xué)的思想真諦。

二、物理學(xué)史與物理教育相關(guān)性分析

(一)關(guān)于氣體狀態(tài)方程的物理學(xué)史

在我們學(xué)習(xí)氣體狀態(tài)方程這一知識(shí)時(shí)，常常在熱力學(xué)溫標(biāo)、熱力學(xué)參量等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)中產(chǎn)生一定的困惑，不明白為什么必須要應(yīng)用熱力學(xué)溫標(biāo)構(gòu)建理想氣體狀態(tài)方程，也難以明確溫度、壓強(qiáng)、體積之間的變化關(guān)系。而通過(guò)了解物理學(xué)史相關(guān)知識(shí)，可以發(fā)現(xiàn)氣體狀態(tài)方程的出現(xiàn)最早可以追溯到大氣壓實(shí)驗(yàn)，托里拆利借助水銀柱實(shí)驗(yàn)論證了大氣具有壓力這一物理事實(shí)，并由此延伸到所有氣體中；在此基礎(chǔ)上，波義耳通過(guò)加熱氣體的實(shí)驗(yàn)論證氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，由此創(chuàng)設(shè)了波義耳定律；到了18世紀(jì)，華倫海特通過(guò)酒精在毛細(xì)管中的熱脹冷縮原理發(fā)明出世界上第一個(gè)酒精溫度計(jì)，并創(chuàng)設(shè)了華氏溫標(biāo)，隨后經(jīng)瑞典學(xué)者林奈的改造形成了當(dāng)今社會(huì)通用的攝氏溫標(biāo)；在19世紀(jì)，查理定律與蓋呂薩克定律針對(duì)氣體壓強(qiáng)、體積與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，并給出了-273.15°C這一溫度軸指標(biāo)；隨后化學(xué)家阿伏伽德羅通過(guò)提出假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)論證得出了這一表達(dá)式，經(jīng)由常數(shù)k的引入構(gòu)成了理想氣體狀態(tài)方程。通過(guò)物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，我們可以更加明確熱力學(xué)溫標(biāo)的形成過(guò)程，認(rèn)識(shí)到學(xué)科理論是經(jīng)歷數(shù)代物理學(xué)者不斷推理演繹、借助實(shí)驗(yàn)事實(shí)得以論證、總結(jié)而來(lái)的，有效實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科思維模式的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。

(二)關(guān)于熱力學(xué)理論的物理學(xué)史

在利用物理學(xué)史重構(gòu)熱力學(xué)理論的形成過(guò)程時(shí)，首先可以從瓦特改良蒸汽機(jī)這一知識(shí)點(diǎn)入手，當(dāng)時(shí)學(xué)者為提高蒸汽機(jī)效率設(shè)法擴(kuò)大機(jī)器容量，但卻以失敗告終；卡諾基于理想的熱力學(xué)循環(huán)視角提出“蒸汽機(jī)效率是由高低溫?zé)嵩礈囟葲Q定的”這一觀點(diǎn)，并形成了卡諾定理，證實(shí)了100%效率熱機(jī)實(shí)則是一個(gè)悖論；在此基礎(chǔ)上，開(kāi)爾文于1851年將卡諾循環(huán)理論進(jìn)行了完善，證實(shí)了單一熱源吸熱的不合理性，并提出了熱力學(xué)第二定律。通過(guò)這一物理學(xué)史內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們可以明確物理學(xué)基本定律的提出并非是空想，而是物理學(xué)家通過(guò)觀察現(xiàn)象受到啟發(fā)，經(jīng)由大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證所得來(lái)的，理論創(chuàng)設(shè)的根源實(shí)則是為解決社會(huì)生產(chǎn)問(wèn)題，這也就說(shuō)明了運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的重要性，也證實(shí)了社會(huì)問(wèn)題的出現(xiàn)可以反作用于物理學(xué)科發(fā)展。

(三)關(guān)于相對(duì)性原理的物理學(xué)史

當(dāng)學(xué)習(xí)愛(ài)因斯坦的相對(duì)性原理時(shí)，可以先重新回顧牛頓相對(duì)性原理的提出過(guò)程，尋求理論與生活經(jīng)驗(yàn)之間的契合點(diǎn)；接下來(lái)進(jìn)入到麥克斯韋的理論研究范疇中，依托電動(dòng)力學(xué)原理推翻牛頓的相對(duì)性原理，指出真空中的光速與參考系之間并無(wú)明確關(guān)聯(lián)；隨即借助1904年洛倫茲變換理論的提出進(jìn)行鋪墊，推翻伽利略變換；最后進(jìn)入1905年，愛(ài)因斯坦在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上進(jìn)一步論證了牛頓相對(duì)性原理的錯(cuò)誤性，提出了狹義相對(duì)論等兩條假設(shè)。通過(guò)物理學(xué)史的研究可以明確推翻牛頓理論的必要性，也能夠更加清晰的認(rèn)識(shí)到牛頓相對(duì)性原理所存在的主要誤區(qū)，從而構(gòu)建更加完整的知識(shí)思維體系[2]。

三、結(jié)論

總而言之，物理學(xué)作為一門(mén)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、思維延展性較強(qiáng)的系統(tǒng)學(xué)科，經(jīng)由一代又一代物理學(xué)家的設(shè)想、推理、討論、否定與重建，最終形成了完整的學(xué)科體系。學(xué)習(xí)物理學(xué)史能夠更加深入的了解物理學(xué)大師發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的方式，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者掌握物理學(xué)的思考模式，進(jìn)一步提升教育價(jià)值。