物理學史在大學物理教學中的作用

謝鴻

摘 ?要：物理學史是人類對自然界各種物理現象的認識史，它包含了物理學發展的一般規律。文章討論在大學物理教學中引入物理學史的必要性，并從幾個方面分析了物理學史在培養學生各方面素質起到的一些作用。

關鍵詞：物理學史;物理學美;科學研究方法;科學精神

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）11-0120-03

Abstract： The history of physics is the history of human understanding of various physical phenomena in nature， and it contains the general laws of the development of physics. The article discusses the necessity of introducing the history of physics in university physics teaching， and analyzes the role of physics history in cultivating students' various aspects of quality from several aspects.

Keywords： history of physics; the beauty of physics; scientific research method; scientific spirit

隨著科學技術的發展，學科中的交叉特征顯著。物理學作為一門嚴格的基礎學科，它的基本概念和基本理論已經滲透到其他學科和技術領域。學好物理是學好各自然科學和工程技術科學的前提。大學物理是工科大學生一門重要的基礎課，它一方面為學生提供了后續課程的必要物理基礎，另一方面能使學生初步認識現代科學研究的基本思想方法。然而，大學物理課程更多的是向學生講授物理學定律及其應用，而忽略了這些物理定律的發現和誕生過程。這就導致了學生在對物理概念理解不深的情況下，經常是被動性地接受教材中直接給出的物理定律，缺乏對物理定律形成和發展過程的理解，從而使學生對物理定律有了誤解，認為什么結論都可以由數學推導出來，將物理當做一門死板的學科，失去了對物理的興趣。

事實上，物理學在發展過程中，提供了豐富鮮活的史料。物理學史不僅包含著物理科學的產生和發展的過程，展現著物理學的美，也包含著科學家們探索研究過程中各種艱辛曲折，體現著科學家們可貴的品質。若能在日常的大學物理教學中隨時穿插著相關物理學史的講解，不僅能將學生的注意力拉回課堂，使學生了解物理學建立過程和各種科學研究方法，對物理科學有更深刻的認識，也能讓學生走進科學家們的精神世界，培養其科學精神和科學品質。以下將從幾個方面介紹物理學史在大學物理教學過程中的滲透式引入，以及其在培養學生素質起到的一些作用。

一、引導學生欣賞物理學的美

科學與藝術是人類文化長河的兩個源頭，都是人類社會實踐的結果。藝術的美是直觀的，通常可被人們所直接感受。物理學中的美是隱藏在表面下的理性美，是需要審美者通過邏輯思維來理解和想象，才能體會到的以簡潔、和諧、對稱和統一等形式所展現出來的美[1]。

在物理學中并不缺少美的例子，而是缺少對美的揭示。在大學物理教學過程中，通過對物理學史的引入，引導學生體會物理學的簡潔美、對稱美與和諧美。利用各種例子，讓學生認識到自然界除了各種表面可直接觀察到的感性美之外，通過理性思考，可以感受到表面背后潛藏的各種理性美。物理學追求用簡單的方程來統一地描述自然中紛亂紛雜的各種現象，如牛頓的力學方程、麥克斯韋方程組、薛定諤方程、狄拉克方程等等，這些方程從復雜的現象中抽象出簡潔的本質，用來描述自然界中的各種運動和相互作用，極為深刻的體現了物理學的簡潔美與統一美。

在教學中講到相應內容時，引入相關物理學史，可以讓學生對這些偉大物理學家提出的高度統一優美方程有更深的理解，也能激發起他們學習的興趣。例如講到牛頓的運動方程時，介紹牛頓慢慢建立其三大定律和萬有引力定律的歷程，并舉例說明天上、地下各種宏觀物體的運動，無不包容在牛頓力學體系范疇內。讓學生體會這樣簡單優美的方程卻能夠描述萬物運動這樣簡單的深邃美。在講到電磁學內容，可介紹麥克斯韋在前人基礎上以深邃的洞察力建立起電磁場理論的方程組，并從他的方程組出發推導出電磁波的速度，驚奇地發現電磁波與真空中的光速相同，從而做出光就是一種電磁波的假設，隨后赫茲在實驗中證實了麥克斯韋的假設。光和電磁這種之前看起來完全不相關的東西，竟然是同一個東西，并且都能由簡潔優美的一個方程組來深刻描述。在課堂教學中，可以引導學生理解這種物理學的高度統一和內在自洽性，讓學生體會物理學的和諧美。

物理學中還處處存在著守恒與對稱美。學生在高中階段已經學過能量守恒和動量守恒定律，對其也較為熟悉。在大學物理中，講授到角動量守恒時，可以介紹女數學家諾特所提出的諾特定理。諾特定理稱每一個守恒定律都有一個與其相對應的對稱性，能量守恒定律來源于時間平移對稱性、動量守恒定律來源于空間平移對稱性、角動量守恒定律來源于空間選擇對稱性等。當學生了解到自己很熟悉的各守恒定律背后更深刻的是對稱性時，必然會對物理學中的對稱性產生很大興趣。再從通常表面上物體對稱性所呈現出的美，引導學生細心體會物理學中形式上的對稱性、性質上的對稱性、以及規律上的對稱性等各種對稱美。

通過物理學史中的各種例子，引導學生去發掘和欣賞物理學的各種美，使學生在學習過程中感受到物理學的魅力，從而激發學習物理的興趣。

二、幫助學生樹立正確的科學研究方法

學生在高中階段和大學低年級學習過程中，教材上給出的都是前人經過多次精簡形成的完善的理論體系。而在物理課堂教學上，教師往往也只注重講授物理定律的理解和應用，學生缺乏對這些定律產生過程的了解。事實上，每個基本物理概念和物理定律的產生都是無比艱辛的，除了需要多年的知識積累、許多人走過無數的彎路、還需要某個天才靈感突發的臨門一腳，最終才能慢慢完善其中某個正確的科學結論。

在課堂教學時滲透著介紹相應的物理學史，可讓學生充分了解物理學家們如何發現問題，如何思考問題，以及走了哪些彎路，最終采用了什么方法來解決問題。例如，力學發展的早期，伽利略發現了亞里士多德理論中物體下落速度與物體重量成正比的錯誤結論，做了比薩斜塔的落體實驗和斜面實驗來驗證自己的想法，并出版了不朽著作《兩門新科學》。后人在研究伽利略的著作及其信件中，總結出伽利略研究運動學的方法。伽利略把實驗和理論結合在一起，既注重邏輯推理，又靠實驗驗證，其方法大致如下：對現象的一般觀察，接著提出假設，再運用數學和邏輯進行推理，通過實驗進行驗證，最終形成理論。愛因斯坦對伽利略評價極高，認為伽利略所采用的科學研究方法被廣泛采用之后，才有了物理學發展的開端。在講授力學知識時，對伽利略所發展的研究方法的介紹，可讓同學了解早期物理學發展歷程，更重要的是讓同學們知道物理學是一門理論結合實驗的科學。只有在實驗的基礎上建立起的經得起檢驗的理論，才能由表及里對客觀事物有正確的認識。

在介紹物理學史時，要提醒同學們物理學的研究方法不是唯一的，既有先提出理論假設，然后通過實驗驗證理論的正確性;也有在實驗中發現了新現象，為了解釋新的實驗現象，而發展了新的理論。例如前面提到的，伽利略是先提出假說，然后實驗驗證，最終完善理論;麥克斯韋在統一電磁學理論過程中，也是先提出了位移電流，建立了方程組，又從方程組預言光是一種電磁波，而后赫茲證實了電磁波的存在。這都是屬于先理論后實驗的例子。而在另一方面，物理學史中也有許多先實驗后理論的例子，比如在給學生講量子力學時，介紹量子力學的誕生過程，是由于黑體輻射和光電效應等現象用經典物理學辦法解釋，從而普朗克提出能量量子化假設、愛因斯坦提出光子論等，這導致了早期量子論的誕生。

通過物理學史中一些實例的介紹，讓學生清楚物理學是理論與實踐相結合的學科之外，還需要同時注意介紹一些常用科學研究方法，如假說、歸納、演繹、類比、綜合等。物理學的各種研究方法和思維方式影響著許多其他領域，掌握這些方法，對學生今后的學習和工作有著重要的作用。

三、培養學生的科學品質和科學精神

物理學史中除了包含物理學發生和發展的基本規律、物理學的思想發展和變革，還包含著無數科學家在探索科學中所體現出的堅韌不拔、勇于創新、不畏艱難、以及為科學獻身的精神。愛因斯坦曾經說過：“科學對于人類事務的影響有兩種方式。第一種方式是大家熟悉的，科學直接地，并且在更大程度上間接地生產出完全改變了人類生活的工具。第二種方式是教育性的，它作用于心靈。盡管草率看來，這種方式不大明顯，但至少同第一種方式一樣銳利。”物理學史是一塊蘊藏著巨大精神財富的地方，發掘這些精神財富并從中吸取營養，對學生有重要的科學教育意義[2，3]。

在課堂教學中，穿插著介紹一些物理學家的小故事，不僅能吸引學生的課堂注意力，更重要的是讓學生體會物理學家們成長道路和為人處世。物理學家們對待困難和逆境的態度、對名譽地位的看法、頑強不懈和努力拼搏的毅力、為人類和國家的奉獻精神等等，都值得我們學習和借鑒。

物理學史上從不缺乏物理學家們堅韌不拔和艱苦奮斗的例子，從為了捍衛“日心說”，被關進監獄審訊長達八年的布魯諾，到為了測量熱功當量而耗費二十余年，做了四百多次實驗的焦耳;從埋頭實驗室五十余年之久，測量引力常數和驗證電力平方反比定律的卡文迪許，到花費三年多時間從成噸礦渣中提煉出0.1克鐳，并且因此受到放射性元素危害而獻身科學的居里夫人;從出生在貧苦鐵匠家庭而歷經艱辛，堅持十余年矢志不渝探索電磁感應現象的法拉第，到全身癱瘓必須通過語音合成器與人溝通，仍在宇宙學做出重要貢獻的霍金。科學之路是無數物理學家用才智和心血鋪就的，教學中利用物理學史豐富的素材，讓學生走入物理學家們的內心世界，可以培養學生吃苦耐勞的精神。

物理學的發展史也是一部不斷否定和創新的歷史，在日常教學中，引入相應的物理學史，展現一些物理學家勇于打破權威和大膽創新的史料，也可以引導學生培養自己的批判和創新意識。例如，在課堂教學中講到牛頓力學時，可以介紹馬赫對牛頓絕對時空觀的批判，愛因斯坦對馬赫的批判精神有高度的評價，把他稱為相對論的先驅。而愛因斯坦本人更是充滿了批判與創新精神，狹義和廣義相對論完全顛覆了牛頓力學，并把牛頓的力學體系納入了相對論范疇。相對論以極具創新的理論改變了人類對宇宙的認識。在量子力學創建過程中，各種創新思想和概念更是層出不窮，如能量量子化假設、波粒二象性等等，其誕生歷史就是一個極具創造力的歷史。若在給學生講授量子力學過程中，融合各種物理學史料介紹這段歷史，其中各種革命性的思想將會給學生帶來一定的沖擊，鼓勵學生的質疑和創新精神。此外，物理學史中豐富的素材，對學生正確人生觀和價值觀的樹立也可起到啟示和塑造的作用。

四、物理學與其他學科的聯系

物理學是一門基礎科學，也是在不斷發展中的科學。它是許多科學和技術的基礎，提供了許多新技術更新發展的理論依據。課堂教學中引入物理學史的介紹，可以使學生對物理學與技術之間的關系有深入的認識。由于學習大學物理課程的基本上是工科專業的學生，讓學生明白物理學是各種工程技術的基礎，并且和學生們今后的專業課程緊密相關，也會激發學生學習大學物理的熱情。

大學物理課程包含了力學、熱學、光學、電磁學等經典物理學的內容，對相對論和量子力學也有簡單的介紹。這些內容理論體系已經完善，現代科技的發展也基本離不開這些內容。在課程中滲透相關物理學史的內容，會使學生對本專業的知識脈絡有更清晰的認識。例如在講授電磁學內容時，可以介紹電磁學發展歷史和在現代科技中的作用，現在人類生活中的一切電器，包括手機、電腦、通信設備等等，無不是以電磁學理論作為基礎發展起來的。在認識到光是一種電磁波之后，光學在許多方面的技術應用，其基礎理論依據也是電磁學理論。力學更不必說，在牛頓力學誕生的幾百年時間里，人們已經發展出流體力學、彈性力學、分析力學等分支，并廣泛應用在人類生活的各個領域。人類文明同樣也廣泛受益于熱學在實際中的應用，熱學發展的早期就伴隨著熱機的出現，有了蒸汽機的發明，才有了第一次工業革命，而到現在的各種內燃機、冰箱、空調等，也都依賴于經典熱力學的基礎理論。此外，在上個世紀量子力學誕生后，以量子力學為基本理論基礎，才有了激光技術、超導技術、納米技術、半導體技術、晶體管的發明等，這些科技的發展，極大地促進了人類文明的發展。通過對物理史料的講解，讓學生懂得物理學的重要地位，學生才能端正學習態度，認真學好物理。

此外，在引入物理學史時，還應提醒學生物理學與其他自然科學的關系。數學是物理學用來描述自然的工具，沒有數學，就沒辦法嚴格精確的表達自然規律。例如，沒有微積分，牛頓就無法得出萬有引力定律;沒有統計學，也就很難發展出分子運動論，沒有黎曼張量，廣義相對論也不能完善。物理學與化學、生物學、地質學等學科結合，也產生了一些很有生命力的學科，如物理化學、生物物理、地球物理等等。通過這些內容的介紹，可以讓學生開闊眼界，了解物理學在整個科學發展史中的重要地位。

五、結束語

在課堂教學中引入物理學史，有利于幫助學生理解物理學發展的規律，加深對物理概念和物理定律的理解，并進一步發現物理學的美、了解物理學科特點、以及物理學和技術的關系，引導學生樹立正確的科學研究方法、培養學生的科學品質和科研精神。但是也應該注意到，物理學史的引入并不能代替物理的課題教學，它應該只是起到輔助作用，讓學生通過對物理學史的了解形成促進自己前進的動力。

參考文獻：

[1]沈致遠.科學是美麗的：科學藝術與人文思維（第2版）[M].上海教育出版社，2004.

[2]董彥.利用物理學史培養學生的核心素養[J].物理教學探討， 2016，34（8）：4-7.

[3]李艷平.物理學史與科學素質的培養[J].物理通報，1998（10）：9-11.