大学物理学史课程的教学内容和教学方法的改革

黄志平 林 钦 贾谊明 李洪才

（福建师范大学物理与光电信息科技学院物理系，福建福州350007）

大学物理学史课程的教学内容和教学方法的改革

黄志平 林 钦 贾谊明 李洪才

（福建师范大学物理与光电信息科技学院物理系，福建福州350007）

当前物理学史的教学和研究是物理教育改革趋势之一，为了发挥物理学史的素质教育功能，我们对教学内容和教学方式进行适当的改革和实践，从多个角度为学生展示物理学史的教学内容，并采用了多媒体教学和物理学史专题研究方式，让学生积极参与到教学当中，提高教学效率.

物理学史；教学内容；教学方法；多媒体教学；专题研究

1 引言

自20世纪80年代，我国物理学史的教学和研究积极推动了物理学史与物理教学的结合，成为了物理教育改革趋势之一［1］.近年来，人们对物理学史的素质教育功能［2］及其在大学物理、大学物理实验、中学物理教学中的作用进行了理论探讨和教学实践研究［3－6］.尤其是随着中学新课程改革的推进，一些相关的物理学史内容写进了现有的中学物理教材［7］，把握好物理学史中的科学思维、方法和情感价值观的教育功能，将促进中学物理教学目标的实现.

物理学史的教育地位已经被物理学家、教育家和广大物理教师所认可，越来越多的师范类院校开设了物理学史选修课.然而由于学生对物理学史的教育功能和重要性认识不足，很多人认为容易得到学分才选修了这门课.还有，传统的物理学史教材在内容上是以时间为顺序按学科分支来进行编排的，传统的教学方式也是按该顺序进行讲解，这对学生的吸引显然是不足的，不能很好地让学生参与到这门课的教学中，也就无法实现物理学史的素质教育功能.

因此，我们将在物理学史原有的教学基础上，对该课程的教学内容和教学方法进行适当的改革和实践.面对繁多的物理学史料，仍以教材为基础，但对教学内容进一步的提炼，避免重复和平铺直叙，从不同的角度剖析出包含在教材之内但又未被教材明确阐述的教学内容.在教学方法上，采用了多媒体教学和物理学史专题研究方式，让学生积极参与到教学当中，使学生在学习物理知识的同时也得到了科学素质、创造素质、品德修养等方面的培养.

2 教学内容的剖析

一般说来，科学教育包含3个层次：第1个层次是传授知识和培养能力；第2个层次是教给学生如何思维、激发学生创造精神；第3个层次是培养学生正确的价值观和人生观［2］.

物理学史是一门既有史学性质又有物理科学教育性质的课程，这就决定着它的教学内容具备以上3个层次.为了更好体现这3个层次，教学内容除了按历史顺序对物理各分支学科知识的建立和发展进行介绍以外，还需要对这门课程的内容进一步提炼，从教材中剖析出有别于历史顺序这一视角的教学内容，并贯穿于整个教学当中.

2.1 物理知识的建立

物理知识包括物理现象、物理概念、物理规律、物理公式及其应用等方面.首先，在教学中按照历史顺序介绍物理各分支学科知识的建立和发展，但应当避免与物理各分支学科教学内容的简单重述.其次，应对现有物理知识进行历史考察，注意物理概念、规律的形成和发展过程的背景，认识到物理学知识的相对性和动态性［1］，使学生真正懂得它们的本质，并得到超出定律和公式的许多启示.

例如，对于原子结构，学生在初中就开始接触，但对于原子结构概念的起源、发展过程以及现状却知之不详.早在公元前4世纪，古希腊哲学家德谟克利特提出原子的概念；1803年道尔顿提出原子说，并认为原子是不可分割的；1897年英国科学家J.J.汤姆孙发现了电子，提出了实心带点球模型；1909年完成了α粒子散射实验，导致了卢瑟福于1911年提出了原子核式结构模型；19世纪末一系列的原子光谱的实验规律，促进了玻尔于1913年提出了定态跃迁原子模型；之后索末菲全面推广和发展了玻尔的原子理论，提出了椭圆轨道模型；直到量子力学建立之后，人们才对原于结构和原子内电子的运动有了基本正确的了解；但至今对于高激发态、高电离态的原子结构及原子与粒子碰撞时的行为，仍然存在很多有待解决的问题.

此外，对于速度、加速度、力、能量转化与守恒定律、电磁场理论、光的本质等物理学知识的建立和发展过程都可以进行详细的探索.

2.2 物理实验的发展

实验与理论是物理学的两大部分，相辅相成，缺一不可.物理实验的主要作用为提供事实、验证理论、测定常数、推广应用4个方面［8］.因此，物理实验的发展应成为物理学史教学的重要内容，尤其是新规律探索实验、物理理论判决性实验、常数测定实验等的实验方法和实验设计思想，并且以其内在的联系统一成一条线索展示给学生，使学生在获得知识的同时，逻辑思维能力和创造性思维能力也得到锻炼.

例如，光的微粒说和波动说一直争论不休，成为了光学发展的一条主线，实验在提供事实和验证理论方面起了至关重要的作用.19世纪以前，牛顿等人主要倾向于微粒学说，笛卡儿和惠更斯主张以太波动说，但由于牛顿力学得到广泛拥护，使粒子说处于统治地位.19世纪初，由于杨氏双缝干涉实验和菲涅耳干涉实验的完成，尤其是泊松亮斑的出现，使波动学说赢得了胜利；1850年傅科测定了光在水中和空气中的速度，给粒子说以最后的打击，使光的波动说占据了统治地位.1887年，美国物理学家迈克尔逊－莫雷实验，否定了以太存在，使波动说面临严重的危机；与此同时赫兹在实验中发现了光电效应，使光的粒子说又暂时占据了上风.直到1924年，德布罗意提出了光的波粒二象性理论，而后1927年戴维森和汤姆孙电子衍射实验的完成才彻底平息了光本性的争论，同时为量子力学理论建立了实验基础.

类似地，还可以给出各种常数（如光速c、引力常数G、基本电荷e等）的测定实验、伽利略的实验研究、量子力学建立的实验基础、广义相对论的实验验证等实验的方法和设计思想的历史探索.理想实验和示零实验是两类特殊的实验，具有特殊的启发意义，其历史情况更应理清［9］.

2.3 物理观念的变革

爱因斯坦曾指出：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用”.物理学史其实也是物理观念不断变革的历史.物理学上每一次重大的发展，总是以物理观念、物理思想的突破为先导的.不同的物理基本观念，描绘出的物理图景必然有所不同.因此，在教学中有必要把相关的不同阶段的物理观念作为一个整体描述出来，并作相应的比较，让学生认识到在学习一个新的理论时，必须改变自己的思想观念和思维方法.

例如，在热辐射的研究中，利用经典物理理论得到的维恩公式和瑞利—金斯公式都无法与事实相吻合，甚至出现了“紫外灾难”现象.1900年普朗克用能量量子化假设从理论上推导出了符合整个波长范围的黑体辐射公式，能量量子化的提出，具有划时代的意义.但是由于量子化的概念同经典物理严重背离，因而在此后的十余年内，普朗克自己也感到不安，总想回到经典理论的体系中，企图用连续性代替不连续性，但最后证明这种企图是徒劳的.与此同时，爱因斯坦却明确地认识到普朗克的发现标识了物理学的新纪元，发展了普朗克能量子概念，提出了光量子假说，很好地解释了光电效应等现象.

类似地，我们还可以给出宇宙观、时空观、相对性、对称性、波粒二象性、决定论与非决定论等基本物理观念的历史变革，并贯穿于物理学史课程的教学之中.

2.4 科研方法的渗透

物理学的科学研究方法，是伴随着物理学发展而不断积累和发展起来的，现在已经应用到物理学科及其他学科的研究当中.科研方法的掌握将有利于学生以后的学习和工作，因此在教学中要做到知识的教授和科研方法的传教相统一.在回顾历史过程中，可以适时地、合理地渗透科研方法，使课堂教学更加生动、丰富，使学生在自然的学习状态下潜移默化地获得方法的熏陶，促进学生创造素质的培养.

物理学的科研方法主要有观察、实验、科学抽象、类比、理想实验、建模、归纳和演绎、分析和综合以及数学方法、控制论、系统论等等［10］.在古代物理学中，人们主要通过直观观察、猜测和简单推理物理现象，得出自己的理论.在经典物理学中，人们除了注重对自然物理现象观察外，还更加注重科学实验与数学逻辑；其次分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展，也促进了物理学理论建构和完善.在现代物理学，大型、精密仪器的研制和计算机的广泛应用，使物理实验在精密、快速和自动化方面都达到新水平；而物理理论的数学化特征日益突出，创造性思维在建立新理论中的作用更加突出，如科学想象、理想实验、类比、大胆猜测以及直觉和灵感等方法［4］.

2.5 人文素质的培养

从科学教育的3个层次可知，科学知识的传授和人文素质的培养同样重要.然而长期以来，科学知识的功利性和效益性被放在首要位置，而其人文素质价值没有得到应有的体现.物理学史以其特有的精神价值，在学生的人文素质教育中可发挥重要的作用.这种精神价值，包括科学家们的科学理想、献身精神，光辉言行和高尚品格，也包括中华民族的文明［2］.因此，可以把这些内容有机地、系统地渗透到教学中，提升学生的人文素质修养.

大量的物理史实表明，追求科学真理是需要科学理想的支撑，要经过多年的艰苦奋斗，要能够耐得住寂寞和贫穷.伽利略大约于1589年开始研究自由落体问题，直到1638年才系统得出自由落体运动是匀加速直线运动的结果，前后长达49年.牛顿大约从1665年思考引力问题，到1687年才完整地得出万有引力定律，时间长达20多年；爱因斯坦大约经过10年的思考，到1905年才成功地创立狭义相对论，而后又经过十年的思考与努力才最终于1915年建立起广义相对论.更有甚者，在物理学研究中可能会受到各种各样的伤害，也可能因此付出生命的代价.意大利思想家布鲁诺因信奉和宣扬哥白尼日心说体系，提出“怀疑原则”来反对教会权威和神学教条，有力地冲击了教会的教义，而被处以火刑，活活烧死；第一个完整地提出能量转化与守恒定律的德国科学家迈尔由于他的思想不合当时流行的观念，不断遭到人们的诽谤和讥笑，并曾被关进精神病院，备受折磨；玻尔兹曼因为 “原子论”和“唯能论”的争论和别人的不认可，极大地损害了他的生理和心理健康，由于无法从中解脱，最终以自杀结束生命.在核物理的研究中，为了加速粒子轰击各种原子，乌尔班在最初几次大气高压电实验中竟遭闪电袭击而丧生.

我们在教学内容中加入这些事例的讲解，可以让学生清楚地看到物理研究的艰苦过程，进而认识到不但要重视科学，也要尊重科学家和科学家的努力奋斗.在学习和研究中要广泛吸收前人和他人的成果，善于进行学术交流，排斥独断论和专制主义.在科学原则上可进行激烈讨论，在生活上要友善和相互尊重，才能更好地共同推动科学的进步.

2.6 与其他学科的关系

物理学是一门重要的基础学科，它不仅仅揭示了客观世界的物理规律，还在成长过程中形成了特有的思想方法体系.这些物理思想与方法不仅对其本身有价值，而且对整个自然科学和社会科学的发展有着重要的贡献.因此，物理学史除了介绍各个分支学科的发展历史，还可渗透式地介绍物理学与数学、化学之间相互促进的历史，以及物理学与其他学科交叉发展的历史.这可使学生认识到物理学并非是一个自我封闭的体系，而是一门有着广阔应用天地的开放学科，同时也为学生从物理学走向其他学科打开一个窗口，扩展学生对其他学科的了解.

例如，牛顿力学的直接基础是天文学中的开普勒三定律，牛顿的《自然哲学之数学原理》则是天文学、数学和力学历史发展的产物；原子论起源于化学，近代化学中分子的结构和性能、结构与性能之间的关系、分子与分子之间的相互作用等问题却要依靠量子理论来解释.从物理与生物学的关系可得出，如果物理学赠给生物学以显微镜，则生物学报答物理学以能量守恒定律［9］.而从物理学史和科技史可知，物理学和其他自然科学相结合，往往产生出很有生命力的边缘科学，例如生物物理、激光化学、天体物理、地球物理等等.

3 教学方法的改革

对于传统的物理学史教学方法主要采用讲授法.在这种教学方法下，学生只能被动地接受教师讲解的知识，很难参与到教学当中，最多就是提提问题而已.又由于教学方法的单一，学生对这门课的感觉是枯燥，甚至认为史学性质的课程，只需看看书本即可.为了避免教学方法的单一性和被动性，我们将对教学方法进行改革和创新，采用讲授法和多媒体教学相结合，要求学生适当地进行物理学史专题研究，让学生参与到教学中.

3.1 采用多媒体教学方式

我们原先采用的教学方式为课件放映结合口头讲解，课件制作也比较粗糙，课件上内容多为文字和图片，难以吸引学生.在一次偶然的教学中，放映了一个关于牛顿的视频，主要介绍了牛顿的成长、成就、晚年的工作以及和其他科学家的关系.结果学生认真观看，并在课后对牛顿一生中的功过是非进行热烈的讨论.

那一次课给我们的教学提供了一个启发，于是我们就对教学课件进行全面的改写.在教学内容上，在教材的基础上进一步提炼出以上所介绍的6个方面内容.在课件制作上，不再是粗糙的文字和图片的简单组合，而是对文字进行精简，插入适当的图片，在适当的位置播放视频或动画.在图片方面，可插入科学家的肖像图或工作图片，或插入相关的理论模型图，或插入实验装置图，或插入实验或计算结论图.在视频方面，播放了牛顿、爱因斯坦、居里夫人等人的生平介绍，或播放了哥白尼与地心说、宇宙大爆炸、光的故事、电磁通信的发展、光纤通讯技术、量子革命、优雅的宇宙等科普资料，或播放了中国古代文明、中国原子弹爆炸背后的故事等我国科技发展的资料.这样把文字、图片、视频或动画有机组合起来的多媒体教学方式，再结合传统的讲授法，显然大大地提高了教学效率、激发了学生的学习兴趣，达到较好的教学效果.

3.2 进行物理学史专题研究

在以前的期末考核方式中，我们会根据期末考试和学生撰写的小论文评定成绩.后来为了避免小论文抄袭现象，进一步要求学生按小论文的内容制作课件，然而这样的教学还是缺少师生互动.为了克服原先教学方式的被动性，我们做了进一步的教学改革.实践证明，让学生进行物理学史专题研究，并在课堂做研究报告，能更好地促进师生互动.具体做法如下：开课之初，每3位学生自由组合为一组，选择一个感兴趣且不重复的物理学史专题题目，查阅相关的文献资料，接着撰写研究论文和制作课件，在教学中结合教学内容和题目安排学生在课堂上介绍其研究内容.对于在课堂上无法安排题目，则会在课程结束前找出专门的时间让学生做报告.

专题研究的题目主要有以下几个方面：

（1）科学家的介绍.如伽利略、牛顿、麦克斯韦、居里夫人、爱因斯坦、玻尔、吴健雄等.给出各位科学家的简历，介绍其主要科学贡献，谈谈对你的启示.

（2）物理实验.如望远镜对物理发展的贡献、平方反比定律的实验验证、光速的测量、“以太漂移”的实验探索、X射线的发现和应用、原子力显微镜等.探讨其实验或仪器的发明过程；分析科学仪器、科学实验在科学发现或实际应用中的作用.

（3）物理思想或方法.如伽利略的科学思想方法、对比法在物理研究中的优缺点、物理美学之探讨、理想实验在物理研究中的应用等.举出若干个与物理思想或方法相关的例子，探讨物理思想或方法的来源，说明此思想或方法对科学研究的意义，进一步对你学习的影响.

（4）物理前沿学科或交叉学科.如天文学与物理学的相互促进、量子光学简史、霍尔效应的研究、超导电性的研究、物理与医学、激光在生物医学的应用、量子信息的发展等.给出其学科发展的起源，介绍此学科的内容和相关科学家的工作、分析此学科对科学研究或实际应用的贡献.

为了灵活起见，学生还可以根据自己的兴趣爱好拟定题目，在我校物理教育专业2007级的学生中就出现了以下题目：单位制与基本常数简史、华人与诺贝尔奖、中国古代磁学发展史、东汉大科学家张衡、飞天神器－火箭、激光美容之人体皮肤光吸收作用等.

由于本课程教学方式的改变，则成绩考核方式也必须跟着改变，在这里我们引入了学生互评环节.原来的期末考试仍然保留，但其比例只占总成绩的50%；小组研究论文占20%，这部分成绩由教师负责批阅给分；小组研究报告占30%，这部分成绩由学生互评给分.这样的考核方式，既调动了学生的互动性，又体现了公平性，避免了同一小组的学生分数完全相同的现象.在学生做专题研究报告和学生互评之间，学生对物理学史的某方面知识有了较为深入的了解，也对自己和他人有了更为全面的认识，同时在调研能力、合作能力、演讲能力等方面也得到较好的锻炼.

4 总结

随着当前中学新课程改革的推进，尤其是一些相关的物理学史内容写进了现有的中学物理教材，对于高师院校物理师范教育专业，无论是教师还是学生，都应当重视物理学史课程的教学.学生通过物理学史课程的学习，将促进自身科学素质、创造素质和人文素质的培养，也为将来的教学能力打下较好的基础.而作为物理学史课程的教师，应当深入分析物理学史料，认真钻研教学方法.如果在教学中为学生多个方面地介绍物理学史，那么学生将会对物理学有一个全面的认识，不但会使学生对所学物理学知识融会贯通，也会让学生得到超出定律和公式的许多启示.教学方法也应当适当地改革，相信采用多媒体教学和物理学史专题研究，会更加激发学生的兴趣，使之主动地参与到教学当中，提高教学效率.

1 李艳平，王士平.教师教育中的物理学史.中国科技史杂志，2007（4）：440－443

2 申先甲，李艳平，刘树勇，王士平.谈谈物理学史在素质教育中的作用.大学物理，2000（11）：36－40

3 付静，梁路光，姜广军.把物理学史引入大学物理实验教学的研究.大学物理实验，2009（1）：114－116

4 黄熙，陈飞明，许明耀，吴瑜.物理学史在大学物理教学中的意义.湖北师范学院学报（自然科学版），2008（2）：104－106

5 许静.物理学史与物理教材内容重构.山东师范大学学报（自然科学版），2009（2）：159－161

6 何晶晶，吴维宁.HPS理念下物理学史的内容构建及教学策略初探.物理教师，2010（11）：3－8

7 彭征，范佳午，谭晓.关于高中物理教科书中物理学史内容的比较.物理教师，2010（3）：19

8 郭奕玲，沈慧君.物理学史.北京：清华大学出版社，2005.99－102

9 蔡厚贵.物理学史的课程功能及其应有的教学维度.毕节学院学报，2010（4）：117－122

10 王丽萍.结合物理学史史料教给学生研究方法.物理教学探讨，2009（12）：69－71

福建省教育厅基金（JA09042）资助.

2011－08－29）