物理学史在大学物理教学中的应用*

申梓刚 潘立军

(郑州师范学院物理与电子科学系 河南 郑州 450044)

目前，大学物理课程不仅是各高校理工科学生的必修课，而且是某些注重创新和综合能力的高校文科学生的必修课.因此，大学物理已经成为大学生的一个重要的通识性课程.现在的大学物理教材都是按照物理学科的逻辑关系安排内容，这样的安排虽然有严格的逻辑递进关系，但只注重了知识的传授，忽视了教学中学生的科学素养和人文素质的提高.与此同时，大学教育正在面临学校教育怎么和社会接轨的问题，教育机构和用人单位希望毕业学生能尽快适应工作岗位的要求，就使得大学教育越来越重视学生的能力培养，而不是简单的学习知识.

物理学史从历史的角度讲述人类揭示物理规律的过程，引人深思，这中间包含了很多宝贵的研究经验和方法.如果在大学物理的教学中安排合适的物理学史相关内容，则可以有效地培养学生分析问题和解决问题的能力，并且物理学家的人格魅力也可以潜移默化地影响学生，使学生不仅在学术能力上得到提高，而且在人文素质上得到升华[1].

1 有助于学生理解和掌握物理概念和定律

物理学是人类在不断探索未知世界的过程中，通过概念和定律建立起来的知识体系.学生如果仅仅学习有关内容的理论、概念、定律、定理、公式和计算方法，并不等于理解和掌握了这些内容的深刻本质和丰富内涵，从而,难以从更深的角度理解物理内容和主动运用物理知识处理问题，也很难得到超出定律和公式的许多启示.在《大学物理》中，某些章节和现实联系紧密，逻辑关系传承紧密，学生理解和接受起来并不困难，但是在其他章节中就有所不同.

例如，由于狭义相对论研究的内容和结论与日常的生活有很大区别，所以，在学习这部分课程时，学生理解和接受起来较为困难.现实中，狭义相对论是在很大的科学背景下建立起来的，它并不是爱因斯坦一人独立完成的，也不是爱因斯坦忽然脱离现实，突发奇想提出的，而是物理学发展的必然结果.在大学物理教学过程中，我们选择了一个专业的两个班作对比实验，一个班在教学中基本不添加有关相对论提出和发展的背景资料，从伽利略变换在处理接近光速问题的局限性和力学相对性原理入手，引出狭义相对论的基本假设和洛伦兹变换；另一个班在教学过程中，通过展现物理学发展的原貌引入和讨论相对论，从讨论光在以太中传播的矛盾,麦克斯韦方程组不具备伽利略变换的不变性,迈克尔孙-莫雷实验和为解决以太问题得出的洛伦兹变换入手，引出爱因斯坦的基本假设及由此推出的洛伦兹变换，介绍后来的相对论质量和静止质量的比值测量实验结果，孪生子佯谬怎么变成孪生子效应等实验结果.通过对学生调查问卷结果分析，发现如果引入相对论发展的背景和历史，认为相对论的提出是历史的必然的学生比例从35%上升到92%；认为相对论的结论难于接受的学生比例从64%降低到22%；认为物理学史有助于理解相对论的学生比例从32%上升到85%；认为爱因斯坦是天才的学生比例从95%降低到82%.第一个问题说明物理学史的引入使学生了解物理定律和物理概念不是凭空产生的，它们的产生和发展是有逻辑传承关系的.第二个问题说明学生在了解理论的产生和发展后，更容易接受这个理论并且也更愿意主动运用理论处理问题.第三个问题说明了物理学史引入的重要性，即了解与理论相关的概念和原理的建立对学习是有帮助的.第四个问题说明物理学史的引入减少了学生的盲目崇拜心理，当然，这些并没有降低爱因斯坦创造性工作的价值.从以上分析可以看出，物理学史对学生理解和掌握物理内容是有很大帮助的.

2 有助于培养学生的能力

物理学的发展遵循一定的模式，即在观察和观测现象的基础上，实验和再现现象，然后通过建立概念和定律或者定理解释复杂的物理现象和物理过程.这些内容不是一个或者某些科学家一下子建立的，而是许多科学家经过长期不断的否定之否定的结果.从这个意义上，物理学可以分为两种知识体系，一个是物理学的研究成果，即物理学静态知识；一个是物理学的研究过程和方法，即动态的物理学知识.物理学静态知识是动态知识的结果，静态知识又是动态知识的基础.掌握静态知识固然可以提高学生的知识面，但是动态知识的掌握更加重要，这涉及到学生能力的培养和内化.现在的大学物理课程内容基本是物理学的研究成果和它的应用，而物理学史可以提供丰富的动态知识，在为学生理解和掌握物理学静态知识提供有效途径的同时，通过了解和学习物理学动态知识，培养了学生的能力.

从物理学史中可以看出，物理学每前进一步，都蕴含着物理学家的思考和重要方法的应用，这些必然会对学生的学习和能力的培养产生影响.比如，在力学中，伽利略关于落体的研究具有开创性，他开创了动力学方面的研究，用实验和数学逻辑的方法验证和证明了落体运动的特点，成为以后物理学研究中最主要的方法.在讲授动力学内容时,如果能够引入相关内容，可以培养学生独立思考并提出问题，研究和分析问题的能力.在热学中，热力学第二定律的学习和理解对学生来说是个难点，实际上人类认识热力学第二定律也是一个曲折的过程，要不然就不会有很多人去设计第二类永动机.麦克斯韦妖的提出和2010年日本研究人员[2]对麦克斯韦妖的实验验证不仅可以使学生更加深入了解热力学第二定律，而且也可以培养学生科学地提出问题并解决问题的能力，同时也可以培养学生的创新性思维.在学习原子结构时，汤姆孙“葡萄干布丁”式的原子结构提出和卢瑟福(汤姆孙的学生)发现原子的核式结构，是物理学史中的一个非常典型的例子.卢瑟福独立思考的能力及研究和分析问题的能力都可以给学生很好的启示和榜样作用.在教学中引入物理学史的一些重要事例时，学生不仅会学到物理学家的研究方法，而且在潜意识中体会到物理学家也会犯错误，在以后的研究和学习中就敢于提出问题，不迷信权威，这种能够独立思考的能力对一个研究者来讲是很重要的.

在教学中，我们对学生进行了一个调查，让学生选择大学物理课程中哪些内容对自己的能力培养有帮助.表1是调查的统计结果，调查学生来自于数学、化学和生物专业.

表1 调查统计结果

从表1中可以看到，认为波动(即振动和波)部分内容对能力培养有帮助的比例最小，这部分内容讲授时很少引入物理学史的内容；认为力学和电磁学对能力培养有很大的帮助，主要原因是这两部分是大学物理的主要内容，讲授时添加了一定数量的物理学史内容；近代物理虽然在大学物理课程内容所占比例不大，但是讲授时大量引入物理学史的相关内容，极大地开阔了学生的视野，可以看到，学生认为这一部分对能力培养有很大帮助；认为热学和光学对培养能力有帮助的学生比例适中，教学中也是适当地引入了物理学史的内容.从以上的分析可以看出，学生认为大学物理课程内容对能力培养有帮助的部分和教学中加入物理学史的多少是有关联的.另外，在回答物理学史是否对能力培养有帮助时，有76%的学生认为有帮助，11%的学生认为没有帮助，还有13%的学生不知道有没有帮助.在回答有帮助的学生中，认为对培养提出问题能力有帮助的比例是23%，认为对培养独立思考能力有帮助的比例是21%，认为对培养解决问题能力有帮助的比例是18%，认为对培养创新性思维有帮助的比例是31%，认为对其他能力有帮助的比例是7%.从调查结果分析，大部分学生认为物理学史的引入对学生能力的培养是有帮助的，不同的人可能受益的方面不同.

3 有助于培养学生的人文素养

从理论上讲，教育的目标和作用可以分为3个层次，第一个层次是直接传授知识和培养学生的能力，被称为即效作用；第二个层次是培养学生的思维能力和创造力，被称为中效作用；第三个层次是培育学生正确的情感态度与价值观，被称为长效作用.目前我国的教育过于偏重知识和能力的培养，而忽视了对学生长效作用的培育，从而造成一些社会问题，比如,三聚氰胺和瘦肉精事件都有高级研究人员的参与.因此，在传授学生专业知识的同时，更应该注意培养学生正确的情感态度与价值观.如果在大学物理教学中添加合适的物理学史内容，可以潜移默化地影响和引导学生树立正确的情感态度与价值观.

物理学史中有很多科学家为了追求真理，克服种种困难，依靠坚韧不拔的意志和毅力最终取得成功.比如，伽利略在晚年面对严重的眼疾和教会对其生命的威胁，仍顽强写完了具有划时代意义的《两门新科学》一书；牛顿从开始思考万有引力到发表《自然哲学的数学原理》整整用了20年，他集成了笛卡儿、惠更斯、哥白尼、伽利略、胡克、哈雷和玻列利等前辈的思想，奠定了物理学大厦的基础；由于坚信磁能产生电，法拉第经过10年的时间才终于在一个偶然的实验中发现电磁感应现象；居里夫妇认为自然界存在比铀的放射性更强的元素，花费了4年的时间，亲自动手从400 t矿渣中提炼出1 g的镭.这些科学家百折不饶的精神、坚持不懈的工作态度都对学生产生心灵上的震撼并起到榜样的作用.

在人类对放射性还不是很了解的情况下，居里夫人由于长时间接触放射性物质，受到过量的放射线照射，从而得了白血病，令人敬佩的是，她得知自己生病后，在日记里详细记录了自己身体的变化，她的日记成为人们认识放射性物质另一面的第一手资料，避免更多的人受到伤害[3].伦琴因为发现X射线于1901年12月获得首届诺贝尔物理学奖时，他不仅拒绝在授奖典礼上发表演讲，而且谢绝了各种盛情邀请，迅速回到德国，将5万瑞典克郎的奖金全部献给沃兹堡大学作为科研费用.许多商人想用高价购买X射线的专利权，牟取暴利，巴伐利亚的王子甚至以贵族爵位来笼络伦琴，然而都被一概拒绝.伦琴将X射线的专利权毫无保留地公诸于世，让它为全人类服务[3].这些科学家高尚的人格，淡泊名利的心态必然会使学生在精神上受到冲击，也将引起学生的思索和共鸣，从而影响和塑造学生正确的价值观和人生观.

在大学物理教学中适当地引入一些科学家的生活片段，有意识地引导学生并培养和塑造正确的情感态度与价值观，必然会使学生终生受益.在随后的调查问卷中，学生印象深刻的物理学家排名靠前的分别是爱因斯坦、牛顿、伽利略和居里夫人.学生印象深刻的原因有他们伟大的成就、高尚的人格、坚强的意志和优秀的品格等.

除了以上谈到的内容，学生通过物理学史的内容也了解一些科研中的原则和技巧.比如，科研中不要闭门造车，学会合作和分享，这样才有可能有突破性的发现.物理学中很多师徒都是诺贝尔奖获得者或者都有巨大成就，学生在选择导师时，尽量选择名师或者选择研究方向时，选择当今的研究热点.调查显示，有23%的学生认为大学物理中加入的物理学史对自己有很大影响，有68%的学生认为有影响，有9%的学生认为没有影响.可以看出，有91%的学生认为物理学史对自己是有帮助的.

参考文献

1 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, 19(12)：37～39

2 Shoichi Toyabe, Takahiro Sagawa, Masahito Ueda，Eiro Muneyuki and Masaki Sano，Experimental demonstra-

tion of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality. Nature Physics, 2010, 6 :988～992

3 郭奕玲，沈慧君.物理学史. 北京:清华大学出版社，2001