科技史引入工科教學的實踐

周艷霞　周毅

摘? 要：傳統工科教育主要是基于數學、物理等基礎知識開展的理論與實驗相結合的具體專業教學。科技史研究的是科學技術發展的社會歷史條件，解決何時何地何人如何做出了怎樣的成果的問題。將科技史引入到工科教學，可解決理工科學生人文素養缺乏和思維模式單一的問題，也可使學生更加多元化地理解公式與定理。分析將科技史引入工科教學的現實需要，結合《電磁場與電磁波》的課程，在教學實踐中帶入電磁學發展史的講授，找到適合的教學方法，并論述此項教學改革的意義。

關鍵詞：教學;科技史;電磁學發展史;思維培養

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0103-04

Abstract： Traditional engineering education is mainly based on mathematics， physics and other basic knowledge to carry out theory and experiment combined with specific professional teaching. The history of science and technology studies the social and historical conditions of the development of science and technology， and solves the problem of when， where， who made what achievements. The introduction of science and technology history into engineering teaching can solve the problems of lack of humanistic quality and single thinking mode of science with the engineering students， and make them understand formulas and theorems more diversified. This paper analyzes the practical need of introducing the history of science and technology into engineering teaching， combines the course of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave， and introduces the teaching history of electromagnetism in teaching practice， finds the suitable teaching method， and discusses the significance of this teaching reform.

Keywords： teaching; the history of science and technology; history of electromagnetism; training of thinking

引言

工科課程多理論與公式，較枯燥晦澀，對于高等數學、大學物理、普通化學等基礎學科知識儲備要求比較嚴格，課程中抽象的物理概念與復雜的計算都比較艱澀難懂，時常引發學生的畏難情緒，使得學生對一些課程逐漸喪失學習興趣。通過引入科技史的教學，學生的學習興趣會不會有所提高？教學效果是否會有所提升？學生的思維模式是否能得到更全面的培養？這些問題都是以期能夠通過將科技史引入課堂的這種教學改革模式解決的問題。

一、科技史引入工科教學的現實需要

（一）注重綜合素質的培養

1. 注重人文情感。提及理科工科，第一印象可能是邏輯性強、分析能力強，而學習理工科的學生確實具備這些素質，但是人文素養的缺乏也是一大弊端，現目前綜合發展的大趨勢使得我們應該看到文理兼修，邏輯與感性兼備的重要性，在教學中引入科技史的內容，使得學生更加多維化地理解理論知識。對于典型科學家的事跡、人物經歷進行介紹，鮮明的個人性格，給人以歷史的直觀感覺，體會他們創造的不易，了解這些定理背后的故事，方知歷史發生的必然性和未知性，提高人文素養。

2. 注重思維模式的培養。單一的理論教學會培養出學生對“真”的探求，思維往往聚焦在正確的結論，但是卻忽略了過程，科技史的引入使得學生更加完整地了解學者們是如何通過實驗、處理數據、計算分析一步步地驗錯總結才得出我們現階段所學到的正確理論，學習他們的發散思維，也有助于學生多向性思維的培養。把每一位科學家具有鮮明個人特征的研究方法融入到教學中，學習他們的處世為人，鉆研態度，體驗他們的創造過程，對于學生完整人格的培養也是大有裨益的。

3. 注重通識教育的開展。單一的理論學習會顯得枯燥乏味，工科課程多輔以實驗教學，注重動手能力的培養，科技史則是注重對這門學科的興趣養成和思維模式的形成，它們都可作為教學中不可或缺的方法。現階段傳統的教學手段已經不能完全滿足課堂中的需求，多種教學形式的結合、多學科交叉的互動、更多新的教學方法等著我們在教學實踐中去探索、去發現。清華大學的吳國盛教授開辦科技史系提到科技史是為通識教育而生[1]，通識教育的目的則是完善學生的素質，更好地達到教學效果。

（二）為何以《電磁場與電磁波》作教學實踐

現階段西藏大學工學院電子信息工程系開設的《電磁場與電磁波》課程是通信工程專業學生的必修專業課，為此特意征求之前學完這門課程的學生的意見，普遍反映數學工具應用較多、理論知識抽象，尤其是在大一大二時基礎課程學得不夠扎實的同學，在進入到專業課程的學習往往力不從心，課程趣味性不強，在過去的教學實踐中，從成績直接反映出教學效果并不好，那么以此門課程開展將科技史引入工科教學的實踐也是具有現實意義的。

對于該門課程，主要就是將電磁學的發展史融入教學實踐當中。物理學的一大分支——電磁學雖然是在近代科學技術的發展中興起的，但電和磁現象的觀察以及磁的應用卻有著極為悠久的歷史。現有的電磁學教材中，課本中關于電磁學發展史幾乎是寥寥幾筆帶過，無法在其中學到嚴格清晰的科學家們的創造過程，只能看到純粹的公式與計算，學生往往迷失在這些理論中，逐漸喪失興趣。如何將電磁學發展史更好地融入《電磁場與電磁波》的課程教學的方法研究都是我們所必須關注到的問題。比如如何進行有效且準確的內容設計？根據學生實際與教學大綱的匹配度，如何選擇合適的學時數來達到教學目的？除了課堂講授之外，是否可以運用其他方式開展更加多維化的課堂？通過教學實踐，找到這些問題的答案。

二、科技史引入《電磁場與電磁波》的教學方法

（一）針對性強地選擇，有的放矢地講解

電磁學史內容十分龐雜，宋德生、李國棟教授為此作專著《電磁學發展史》，他們運用自然力統一的思想，總結出一條清晰的歷史線索，為教學提供了大量可借鑒的翔實史料[2]，有效且準確的內容選擇才能達到最好的教學效果。

電理論的創立？磁理論的完善？什么時候電磁理論才進入了我們的視野？這些問題的完整講解是不切實際的，我們需要在內容的選擇上更加審慎。實際的教學中我們以電磁學中偉大的科學家作為主線，根據高中課程和大學物理的知識積累，回憶同學們印象中的電磁學單位，因為我們知道很多單位都是以有相關貢獻的科學家來命名的，比如庫侖、安培、歐姆、亨利、奧斯特、法拉、赫茲等等，這些單位串連起來就是一部電磁簡史，再添加比如楞次定律的發現過程、麥克斯韋又是如何在這些巨人的肩膀上，通過精妙的數學語言得到科學史上最偉大的公式的，整個講授的過程既讓學生回憶已掌握的知識，在此基礎上加以補充，使得學生的知識體系更加完備。

（二）合適的講解時機，恰當的學時數量

以往在《電磁場與電磁波》的課堂上將理論知識與歷史進行穿插教學，提到如麥克斯韋方程組時只是將麥克斯韋生平簡單介紹，便匆匆進入理論講解，雖簡單提及但并不深刻，學生并不能將麥克斯韋是如何得出這些偉大方程的來龍去脈了解透徹。

在新的教學實踐中，我們采用在正式授課前用9個學時左右提綱挈領地給學生梳理電磁學發展脈絡，并對具有劃時代意義的科學家和實驗進行詳細講解，如奧斯特的電流磁效應的發現，法拉第打開了磁生電（電磁感應）的大門，秉承郭奕玲教授對物理學史事例闡述的6個“W”原則[3]，結合他們的生平事跡，論證發生在那個時期的必然性與偉大的時代意義。

傳統的課堂對于抽象的電磁理論教學存在一定困難，現階段我們可以通過多媒體輔助、播放錄像、演示實驗等多種手段結合進行教學，具象且高效率地完成課程任務，那么利用課程總學時的1/8講解電磁學發展史，不會影響到整個課程基于大綱的課程進度，總括性的發展史授課反而使得學生對于電磁產生了好奇與求知的興趣。

（三）古籍、應用的分析，演示實驗的設計

電磁學的蓬勃發展主要陣地集中在二次工業革命之后的歐洲，反觀我們的祖先對于電現象和磁現象的記錄，囿于當時人們認識的局限性，對于許多現象給不到本質的剖析，但這些記錄也是電磁學發展史不可或缺的。比如《夢溪筆談》中沈括對于指南針的實驗以及發現磁偏角的記載，為我國古代特別是科學技術發展最為繁榮的北宋添上了濃墨重彩的一筆，單一磁現象的應用并不是大潮流，電磁感應現象的發現促進了大功率發電機的實現，馬可尼的無線電實驗也將電磁波的應用帶到了通信的領域，打開了信息時代的大門，這些都是電磁學發展史上不得不提的改變我們生活方式的發明創造。

為了讓學生更加直觀地了解一些理論與現象，對具體內容結合演示物理實驗進行講解，可以帶來更好的教學效果。例如講解俄國科學家楞次發現的如何判斷感應電流方向的規律，在課堂上用一根長約20cm，內徑為1.6cm的銅管、一個直徑1cm的磁鐵以及一顆相同大小的紐扣進行演示。將紐扣放入銅管，它會實現自由落體運動，1s左右物體掉出，而放入小磁鐵掉落需要4.5s的時間，直觀感受到“來拒去留”的意義，把銅管看作是一個無限密集的閉合線圈，一個永磁體向它運動，此時線圈切割磁感線，內部會產生感應電流，因為感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，即阻礙磁鐵的運動，通過這個實驗可以使學生將楞次定律更加融會貫通。

在電磁理論中，“場”是一個很重要的概念，它由法拉第在發現電磁感應之后提出，并且用實驗證明磁力線的存在。電場、磁場、電磁場這些無法具體感受到的概念，我們通過一個簡單的實驗對“場”有直觀的體驗。如圖1所示，是帶有許多小鐵片的磁感線演示裝置，未受到磁場作用時，小鐵片呈不規則排列。通過插入條形磁鐵，小鐵片受到了磁場的作用，顯現出磁感線的形狀，如圖2所示。實驗現象可以使學生對看不見、摸不著的磁場、磁感線有一個具體的印象，而不再是單純基于想象。

（四）深入挖掘，論文撰寫

結合電磁學史的典型事例，比如電磁學中經典的高斯定理，針對高斯如何在整理前人的成果之后形成自己的理論的？比如經典的安培環路定理是安培在畢奧——薩伐爾定律的基礎上怎樣提出的？它們為什么會在那個時代出現、它們的出現給電磁學的發展帶來了什么積極的意義、他們是怎樣得出這些結論的、通過怎樣復雜的論證、經歷了哪些挫折和失敗、我們從中是否能有一些啟發？一連串的問題，都是對電磁學發展史的深入剖析，課堂教學只是用有限的時間對其進行大局的講解，不會將實驗、理論的來龍去脈說的一清二楚。那么可以安排學生根據自己的興趣所在，選取一個切入點，自行查閱書籍和文獻資料，課上安排討論或者課后撰寫小論文進行詳盡分析[4]，搜集資料就是一個消化大量知識融會貫通的過程。

三、科技史引入《電磁場與電磁波》的教學實踐效果

（一）培養學習興趣，克服畏難情緒

將電磁學發展史引入課程教學，增加學生全面學習電磁學理論的方法，將每一位科學家具有鮮明個人特征的研究方法融入到教學中，把電磁學理論建立過程以歷史故事的方式呈現給學生，使學生在生動、形象的教學過程中了解有關概念、規律的形成過程，將歷史背景、實際過程、遇到困難、解決方法、意義啟示、物理思想等方面進行剖析，體驗科學家們天馬行空的創造過程，提升學生興趣，結合相應的教學方法，變被動學習為主動探索。

（二）鍛煉自學能力，增強文化自信

《電磁場與電磁波》課程結合電磁學發展史的講授，并通過創設必要的物理情景，進行演示實驗的直觀展示，利用現象的分析和歸納，建立概念、總結規律、擴展知識，培養學生的科學探索意識。借助多媒體、通過實驗、圖片、視頻、講解、演示、公式推導直觀地展示動態的過程，融入科學家們精巧的設計、多次失敗的經歷、對問題的種種推測、他們的趣聞軼事等等，使得學生從多個角度掌握知識點。課下安排學生自行查閱資料，對典型個例進行深入挖掘，撰寫小論文，提升自主學習的能力。

雖然電和磁的研究集中在19世紀的歐洲，但是對于電和磁現象的記錄卻時常出現在我國的各類古籍中，比如東漢時期哲學家王充的《論衡》講到“頓牟掇芥，磁石引針”，北宋沈括的《夢溪筆談》記載的指南針的實驗與磁偏角的發現等等，對于這些現象的講解和認識，使學生更好更全面地對電磁學發展的早期有深入的認識，將科學與傳統文學結合起來，用更自信的態度和更新奇的角度認識傳統文化，雖然電磁學的領域多是西方科學家的貢獻，但是早期的電磁想象的記載和應用也是不可忽視的。

（三）端正學習態度，重視思維培養

理工科學生一般邏輯思維較強，習慣“求同求真”，缺乏創造性。在教學中引入科技史部分，還原科學家們的研究過程，對于知識的產生和發展作出詳盡的歷史敘述，了解他們的探索過程，學習他們的“求異求變”，對于一個問題的多種研究方法，不受現成知識的局限，跳出正確答案的束縛，還原尋求真知的過程，有利于培養學生的發散性思維。

傳統的教育多局限于書本中的已知概念，學生對于那些定律理論的來龍去脈和具體發展過程并沒有更深層次的理解和掌握，書中也缺乏對發現過程的描述，往往帶來一些弊端，學生似乎覺得偉大成果的發現就這樣波瀾不驚地出現在歷史的長河中[5]，其實不然，不斷地試錯、實驗、論證且面臨許多未知的后果才是科學家探索的常態。

“以史為鏡”，可以正態度，可以明思維，電磁學發展史的引入，學習這些物理學家在鉆研過程的思維方式和對真理追求的孜孜不倦的求證態度，多維求證，類比前人的研究成果，大膽假設，小心求證，比如電動力學的發展離不開卡文迪許、庫侖等人將牛頓的引力定律和超距作用的哲學觀點應用于電學和磁學，庫侖根據這個觀點設計了扭秤實驗，測量了電荷之間的作用力，用類比的方法得到了電荷相互作用力與距離的平反成反比的規律，他從牛頓的萬有引力規律得到啟發，成就了庫侖定律。此后電磁學的發展慢慢將數學定律總結經驗形成理論，使電學從此進入理論發展的階段，成為一門定量的科學。新的研究方法、勇于創新的科學態度，在教授過程中潛移默化地影響著學生的學習態度和思維方式。

四、結束語

課程內容設計以及課程教學實施的全過程，最終要達到的目的和意圖，是提升學生的學習效果。所謂提升學習效果，并不單單只是學習成績的提高，綜合能力和素質的加強、學習能力和思維方式培養才是最根本的。通過將電磁學發展史引入《電磁場與電磁波》教學實踐，選擇最為合適的課時數、教學方法、課程設計實現了學生對課程興趣的提升、自主學習能力的培養，并在此過程中鍛煉了思維能力，學生的期末成績也有所改觀，并且能從電磁學發展史中得到有益的啟示，對他們的工作生活都有很強的指導意義，可見此次教學改革有一定成效。以此為出發點，可以為其他工科課程引入科技史的教學實踐帶來一些小的啟示。

參考文獻：

[1]吳國盛.科學史為通識教育而生[N].中國社會科學報，2017-07-20（006）.

[2]宋德生，李國棟.電磁學發展史[M].廣西：廣西人民出版社，1996.

[3]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]張靈振.電磁學理論建立過程的探究與教學實踐[J].教育教學論壇，2015（03）：107-108.

[5]潘彩娟，黃紅強.在電磁學教學中引進物理學史的嘗試[J].廣西右江民族師專學報，2002（06）：32-34.