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物理实验教学中引入物理学史的作用和方法*

2013-03-19李香莲杨明

物理通报 2013年10期
关键词:物理学家霍尔大学物理

李香莲 杨明

(华中科技大学物理学院 湖北 武汉 430074)

物理实验是理工科院校的一门基础课程,它在培养学生的动手能力、思维能力、设计能力以及数据处理能力等方面具有重要作用.但从很多学校的情况来看,这门课程通常并没有充分发挥它应有的作用,学生做实验的积极性不高、主动性不强,收获远远没有达到最大化.这其中当然有着各种各样的原因,有课程本身的,也有课程以外的.为了改善上述状况,教育工作者从教学模式(比如,从封闭式教学改为开放式教学,等等)、教学方法(比如,将过去的填鸭式教学改为启发式教学),以及教学硬件环境(如多媒体的使用)等方面进行了改革.其中部分教师从引入物理学史的角度进行了探索与实践[1,2],取得了一定成效,但引入物理学史的做法和意义还没有得到广泛、充分的重视.本文试图在分析引入物理学史作用的基础上,探讨引入物理学史的方法.

1 在物理实验教学中引入物理学史的作用

物理学史是研究人类对自然界各种物理现象的认识史,研究物理学发生和发展的基本规律,研究物理学概念以及思想发展和变革的过程,研究物理学是怎样成为一门独立学科,怎样不断开拓新领域,怎样产生新的飞跃[3].它向人们展示了前人在探索自然的过程中所体现的智慧和精神,给重温历史的人们以无尽的启迪和鼓舞.关于物理学史在通常的物理教育中的作用,已经有过不少的论述[4,5],这里不再多讲.下面仅从物理实验教学的角度谈谈物理学史的作用.

1.1 增强大学物理实验课程对学生的吸引力

引入物理学史使学生能够了解所做物理实验的相关背景,使他们认识到,一个优秀的理论和一种设计精巧的实验方法通常也是历尽曲折才得到的,著名的物理学家往往也是在一次次出错之后才发现正确的理论,找出正确的方法的.这样,漂亮的实验在学生的眼里就将不再是可望而不可及的了,他们会觉得设计出如此漂亮实验的物理学家们和自己一样,是会犯错误的人而不是令人望而生畏的神,由此,产生强烈的自信心和对大学物理实验课程的兴趣.在此基础上,他们就会更多地投入到实验之中,从实验课中得到更大的收获.可以说,引入物理学史能使学生对物理实验的学习态度更加积极、主动,以一种敬而不畏的态度对待每一个物理实验.

1.2 有助于培养学生的思维能力和创新能力

物理学史在帮助学生打破物理学及物理学家的神秘面纱之后,为他们提供丰富的“养料”,促进他们培养自己的思维能力和创新能力.因为透过物理学史,学生了解到一个理论、一个实验方案出台的全过程,了解物理学家在当时的背景下如何做出判断和选择,他们为什么这么想、为什么那么做,到山穷水复疑无路的时候,又是如何走出困境的,等等.学生能从物理学家的创造性活动中得到许多启发,而会自觉或不自觉地去模仿、学习,会像一个实验物理学家那样对待所做的实验,从而,逐渐提高自己的思维能力和创新能力.

1.3 有助于培养学生健全的人格

在物理学家取得各项成就的过程中,涉及到大量的非智力因素,通过物理学史将它们呈现出来,可以对学生产生重大影响,有助于培养他们健全的人格.比如,学生可以学习到物理学家们碰到困难时不屈不挠、坚持不懈的精神,如法拉第在做电磁感应实验时,屡做屡败,屡败屡做,始终不放弃,终于在10年之后,发现了电磁感应现象;可以学习物理学家实事求是的态度,比如,密立根,尽管不喜欢爱因斯坦的光量子理论,但在他的实验证实了该理论的时候,还是实事求是地发表了实验结果;可以学习物理学家们的合作精神,像著名的弗兰克-赫兹实验是由詹姆斯·弗兰克和古斯塔夫·L·赫兹合作完成的,迈克尔孙-莫雷实验是由阿尔伯特·迈克尔孙和爱德华·莫雷合作完成的,著名的分数量子霍尔效应是崔琦和斯托尔默等人合作发现的.最近,中国一项重要发现,量子反常霍尔效应,也是由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的团队作出的.

2 在物理实验教学中引入物理学史的方法

引入物理学史的方法和途径有很多,大体上可以归为创建具有物理学史文化的实验室环境,在教材中引入物理学史,以及在课堂教学中引入物理学史等.

2.1 创建具有物理学史文化的实验室环境

著名的前苏联教育家苏霍姆林斯基早就指出了校园环境对学生学习的重要影响,他强调通过精心布置校园来最大可能地发挥学校教育的作用。他的做法就是在教室、走廊等处布置许多有关名人名言或者书籍介绍等的布告牌、宣传板报,以达到“让学校的每一块墙壁都会说话”[6]的效果,使学生于无形之中受到影响,得到熏陶.

在物理实验教学中,我们也可以通过在实验室内墙壁上和外面走廊上布置一系列有关物理学史的宣传板报的方式,让学生得到一种潜移默化的教育.宣传板报上可以包含物理学家特别是实验物理学家的画像、名言以及事迹介绍,或者介绍某些重要理论、实验方法、实验技术等的发展历程或背景.这是物理学史介入实验教学的一种很重要的途径,因为这样的板报或者挂画营造了一种历史的、人文的环境,它们触目可及,学生在课前、课后,甚至在实验中途短憩时都可以欣赏一番.反复浸泡在这样的环境之中,学生对物理实验的态度、理解很容易发生变化,得到升华.笔者所在的大学物理实验室中,走廊上张贴了一系列关于诺贝尔物理学奖获奖者的照片及其成就介绍的板报,其中有些照片非常生活化,颇具吸引力和亲和力;在演示实验室的外面大厅墙上,则挂了一幅特大的有关“最美丽的10个物理实验”的画报.这样做的效果还是不错的,学生常常三五成群地聚集在板报前,饶有兴趣地阅读着各种史料,有时还会和老师进行讨论,他们对物理实验的热情应该说是有所提高的.笔者本学期在一个光学实验室中指导实验,经常听到非光学专业的学生发出这样的声音,“以后我们做光学实验的机会不会很多,得好好玩一玩,”表明一些学生已经有“玩”实验的激情了,相信在物理学史潜移默化的影响下,对物理实验有激情的学生会越来越多.

2.2 在教材中引入物理学史

在大学物理实验教材中引入物理学史是又一种重要且正式的途径.学生花在实验课堂上的时间毕竟是有限的,更多的时间要花在课外的预习和复习上,这时,学生利用最多的就是教材了,教材上的物理学史可以让他们反复体味,细细咀嚼,在帮助他们了解实验背景的基础上,让他们在体味中得到思维能力、创造能力的提升.事实上,这方面也有有识之士在做着相关的尝试[7].但这方面的努力还有待更多的人来参与.

2.3 在课堂教学中引入物理学史

在物理实验教学中引入物理学史的最直接、最快捷的方式,是在课堂教学中引入.这种方式可以让学生视觉和听觉并用,因而,更加形象、生动,容易给学生留下深刻的印象,从而达到教育和启发的目的.

在课堂教学中引入物理学史的途径可以是讲解、播放视频或录音以及展示历史图片等,比如,霍尔效应实验就可作为一个典型的例子,这个实验有着丰富的历史内涵,可以从霍尔发现的经典霍尔效应,讲到克利青发现的整数量子霍尔效应和崔琦等人发现的分数量子效应,再到中国物理学家薛其坤等人发现的量子反常霍尔效应.同时,配放相关物理学家和原始实验装置的图片,这样不但可以帮助学生全面了解霍尔效应及其重要性,使其从中受到教育和启发,同时还可以激发他们的爱国热情,因为其中涉及到很多华人或者华裔物理学家.在课堂教学中引入物理学史的切入点可以是相关的实验原理、实验方法、实验仪器等,有关联、有教育意义的物理学史都可以讲解.

当然,在课堂上引入物理学史也要注意简明扼要,以免用时过多,影响到学生动手的时间,那样就得不偿失了.

3 结论

在物理实验教学中,引入物理学史对提高做物理实验的热情和培养学生的思维能力、创新能力以及健全的人格等方面具有重要的作用.在物理实验教学中引入物理学史,可以采用为学生提供一种充满物理学史文化的实验室环境,为学生提供具有丰富物理学史内容的实验教材,在课堂上直接讲解或者展示物理学史背景等方法.

参考文献

1 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

2 张晓变,陈晓武.大学物理实验教学中的物理学史教育.电大理工,2009(3):51~52

3 郭奕玲.物理学史.北京:清华大学出版社,2006

4 王士平.物理学史与人文素质的培养.物理通报,1998(9):4~5

5 李艳平.物理学史与科学素质的培养.物理通报,1998(10):9~11

6 范金豹.苏霍姆林斯基的三个“书籍世界”.中国教育报,2004-9-30(8)

7 吕增建.物理学史融入《大学物理实验》教材的尝试.焦作大学学报,2007(4):50~51

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