借助電磁學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)美學(xué)觀念

丁學(xué)成 馮曉敏

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071000)

電磁學(xué)是面向理工科學(xué)生開展的一門十分重要的基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)方法和思維方式中起著關(guān)鍵作用.然而，傳統(tǒng)教學(xué)過程往往過多強調(diào)已有知識的傳授，對物理定律的建立過程關(guān)注不夠，這就導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生僅處于一種被動接受知識的狀態(tài)，主動學(xué)習(xí)意識不強.電磁學(xué)史的缺乏還可能導(dǎo)致學(xué)生對物理定律建立過程的理解出現(xiàn)偏差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)方法和科學(xué)思維.例如，如果學(xué)生不了解電磁學(xué)發(fā)展的歷史，往往會認為法拉第(Faraday)電磁感應(yīng)定律的定量表達式是由Faraday給出的；兩電荷之間的作用力與兩者之間的距離平方成反比是Coulomb實驗直接給出的；變化的電場產(chǎn)生磁場是由理論推導(dǎo)得出的.然而事實上，F(xiàn)araday電磁感應(yīng)定律的定量表達式是由諾依曼(Neumann)和韋伯(Weber)先后給出；兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比最初是由普利斯特里(Priestley)利用類比的方法猜測的，庫侖對此結(jié)論進行了驗證；變化的磁場產(chǎn)生電場也是Maxwell在沒有任何實驗依據(jù)的情況下預(yù)言的.因此，在電磁學(xué)的教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)匾腚姶艑W(xué)史是十分有必要的.一方面可以豐富學(xué)生知識，開闊學(xué)生視野，讓學(xué)生準確地獲知物理定律的產(chǎn)生過程.更主要的是，電磁學(xué)史再現(xiàn)了科學(xué)家在創(chuàng)造物理定律過程中所采用的物理思想和科學(xué)研究方法，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維和科學(xué)美學(xué)觀念起到卓有成效的作用.

1 通過學(xué)習(xí)Coulomb定律建立的歷史過程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

由Coulomb定律建立的歷史過程可以看出，一個物理定律的建立需要經(jīng)歷以下過程：發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，猜測形成原因，做實驗驗證，定義新的物理量，建立新的物理定律，給出定量表達式，討論成立條件、適用范圍及理論地位等.對于Coulomb定律而言，發(fā)現(xiàn)靜止電荷之間存在相互作用力之后，Priestley猜測電場力與距離的平方成正比，Coulomb利用電斥力扭秤實驗和電引力單擺實驗證實了Priestley猜測的正確性，隨后定義了“電量”這個物理量，并推導(dǎo)得到Coulomb定律的描述形式，最后討論成立條件、適用范圍及理論地位等.

通過了解Coulomb定律建立的歷史，學(xué)生能夠真實感受到物理規(guī)律的產(chǎn)生、形成和發(fā)展的過程，明確科學(xué)研究的思路，學(xué)會自主學(xué)習(xí)和思考，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維有一定的促進作用.

2 通過學(xué)習(xí)Maxwell方程組建立的歷史過程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)美學(xué)觀念

偉大的英國物理學(xué)家Maxwell總結(jié)前人的經(jīng)驗，將當(dāng)時已知的Coulomb定律、高斯(Gauss)定律、安培(Ampere)定律和Faraday電磁感應(yīng)定律用數(shù)學(xué)語言表達出來

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這就是著名的Maxwell方程組的雛形，其表達形式與目前用參考書[2]中的寫法有一些區(qū)別，是由于該方程組是在真空條件下得到的，且使用了不同單位制的結(jié)果.觀察此時的Maxwell方程組，它不僅完美地給出了電磁場的規(guī)律，而且在形式上具有著一種令人心儀的對稱美，被愛因斯坦譽為“牛頓之后，物理史上最重要的發(fā)現(xiàn)”.值得指出的是，上述方程組中，Maxwell是在沒有任何實驗的基礎(chǔ)上，僅從對稱美的角度就大膽地提出假設(shè)：既然變化的磁場能夠產(chǎn)生電場，那么變化的電場也應(yīng)該產(chǎn)生磁場[3].這個假設(shè)的正確性后期被赫茲(Hertz)通過實驗加以證實.

Maxwell為什么僅依據(jù)對稱美就能夠得到正確的結(jié)論呢？從物理定律的層次來看，Maxwell方程組是統(tǒng)帥整個電磁學(xué)的定律，而對稱性原理是物理學(xué)中的憲法，是跨越物理學(xué)各個領(lǐng)域的普遍法則[4].由此可見，對稱性原理的層次比Maxwell方程組要高，根據(jù)高層次的物理定律來構(gòu)建物理定律是合理的.從科學(xué)美學(xué)觀念來看，科學(xué)研究總是將求真與求美統(tǒng)一起來的，其動力主要源于美.正如外爾(Weyl)曾說：“我的工作總是力求把真和美統(tǒng)一起來，但是當(dāng)我必須兩者選一時，我通常選擇美.” 由此可見，科學(xué)研究的最終目標是求美.Maxwell給出的具有對稱形式的Maxwell方程組，就是憑借審美直覺，依據(jù)對稱美提出來，最終被Hertz證實是真的理論.正如濟慈(Keats)所說：“凡想象為美的東西必然是真實的——不管它以前是否存在.”

在電磁學(xué)教學(xué)中，大量的數(shù)學(xué)公式會讓學(xué)生感到枯燥，而學(xué)生對大自然的美是容易感受到的，這種美的某些方面為科學(xué)所共有，如對稱美、簡單美及和諧美等.如果能夠借助物理學(xué)史，突破傳統(tǒng)觀念束縛，將科學(xué)美學(xué)觀念引入到教學(xué)中，那么會促進學(xué)生在學(xué)習(xí)客觀規(guī)律的同時發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的美，賞識物理學(xué)的美，從而達到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率的目的.

3 結(jié)束語

本文通過Coulomb定律和Maxwell方程組建立的歷史過程介紹了電磁學(xué)史在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)美學(xué)觀念，以及提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面的積極作用.Coulomb定律建立的歷史過程包含了物理定律建立的所有步驟，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的一個典型實例.而Maxwell方程組建立的歷史過程體現(xiàn)了對稱在物理學(xué)中的重要性，是引導(dǎo)學(xué)生欣賞科學(xué)美，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的一個重要途徑.