浅谈物理学史对新课程教学的启示

（广西师范学院物理与电子工程学院，广西 南宁 530023）

1 引言

2012年随着广西进入高中新课改，至此自2004年秋广东、山东、海南和宁夏率先进入的高中新课程改革在全国范围内正式全面铺开。新的课程改变“繁、难、偏、旧”的教学内容，反对过于注重知识的传授，强调知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的“三维”目标。物理学发展史蕴藏着巨大的财富，学习与研究物理学史不但能加深对物理概念的理解，还能从中获得教益，开阔视野，从前人的经验中得到启示。因此，对于物理教师来说深入扎实的学习物理学史，对于适应新课改和实现教学“三维”目标有重要的启示。

2 牛顿力学发展史：理性思维、定量分析、数学方法

“力，刑之所以奋也”，这是墨家在《经上》中对“力”下的定义，力是物体（刑，通“形”，指“物形”、“物体”）发生运动（奋，飞，此指“运动”）的原因。像这样关于力学的表述以及力学知识应用的例子在我国古代先贤们的著作中并不少见。此外我国古代广泛应用的龙骨车、石碾、提花机、独轮车、弓弩、弧形拱桥等力学应用的范例表明我国对力学知识有深入的理解与掌握，但系统的力学知识与力学理论却没有流传在后世。

再看古希腊力学的研究，博学多才的亚里士多德，在他的《物理学》一书中，对“运动原因”进行了探讨。他将自然界的运动分为自然的和强迫的，自然运动是指重物竖直下落和轻物竖直上升的运动，强迫运动是借助推动者才能运行的运动。如果不推，物体就会停下来，处于静止状态。亚里士多德的这些推论，虽然是凭直觉观察得出，也过多地加入了自然哲学的内容，在后来被伽利略等人的科学实验及理性思维予以否定，但是他将力与运动联系起来进行思考，并力图构建定性及定量分析理论，是值得肯定的。与亚里士多德不同的是，阿基米德灵活的运动数学公理法，在《论平面的平衡》专著中说明和归纳了一些平衡与不平衡的情况和条件，以及一些平面图形中重心位置或关系，得出了杠杆平衡原理，即“平衡时，距离与重量成反比”在《论浮体》专著中讨论了页面的形状和浮体受力情况，得出了阿基米德定理。

在前人研究的基础上，1687年英国物理学家牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，创立了牛顿力学。在这部巨著中，牛顿仿照欧几里得的公理化方法，开宗名义以“定义和注释”的形式提出了八个定义和四个注释，总结了三个机械运动的定律，给出了六个推论（力的合成和分解、运动的叠加原理、动量守恒原理和力学的相对性原理）；之后用自己创立的微积分证明了均匀球体会吸引自身以外的每个物体，引力与两个球的质量之积成正比，与两个球之间的距离的二次方成反比（万有引力定理）；…至此牛顿力学成为一个比较完整的科学体系。

简单回顾牛顿力学的发展史，从亚里士多德、阿基米德等再到牛顿，牛顿力学之所以发展成为比较完整的科学体系，与科学家们的理性思维、努力从定性、定量完善自己的学说以及运用数学方法解决问题等因素密切相关。作为物理教师，在日常的教学中就应该有意识地引导学生重视数学的学习与应用，强调理性思维，注重实验观察与定量分析，鼓励学生将物理问题巧妙地转化成数学问题来解决。

3 电磁学发展史：实验探究、科学思想、科学方法

电磁现象在我国发现和应用的比较早，《吕氏春秋》中明确记载了磁石吸铁，《论衡·乱龙》等著作有关于摩擦起电和雷电现象的观察和记录，先秦时代就发现了磁性的指向，到东汉时期我国就发明了指南针，到北宋时得使以改进，使指南针得到广泛应用。

电现象的研究比较困难，因为没有找到恰当的方式来产生稳定的静电和对静电经行测量。摩擦起电机发明了之后，电现象才开始了系统研究。[1]电磁学理论发展的过程就是电磁学实验更替的过程，1660年盖里克发明了摩擦起电机之后，1720年格雷通过导电实验发现了导体和绝缘体；1733年杜菲通过实验区分出了两种电荷；富兰克林通过风筝实验证明了天电和地电的统一性；奥斯特通过实验发现了电流的磁效应；法拉第经过一系列实验，发明了发电机；安培设计了精巧的零值实验，判断了电流相互作用的特性；欧姆通过大工夫的实验得出了电路定律；还有伽伐尼通过青蛙实验研究动物电、库伦通过电扭秤实验研究库伦定律、伏打用金属叉使青蛙腿痉挛来研究动物电等。物理学家们在前人研究的基础上，进行实验探究，推动了电磁学理论的深入、系统化发展。除了这些巧妙的实验，科学家们敏锐的思想和科学的方法也闪烁着耀眼的光芒，法拉第构想出描绘电磁作用的“力线”、麦克斯韦用“位移电流”和“电磁波”描述了电磁作用的本质；库伦将万有引力与静电场中点电荷之间的相互作用力类比，设想二者之间的力与距离的二次方成反比，开尔文运用类比，把法拉第的“力线”转变为定量表述。

电磁现象尽管在古代中国就留下了许多文字记载，但大多属于定性的观察和零碎的描述，没有形成系统的理论。而反观西方电磁学的研究史，伴着严谨的科学实验、敏锐的思想和科学的方法，静电学、流电学、电动力学、电磁场感应、电磁场理论等经典理论得以发现。物理教学中，给学生更多的时间动手做实验，更多的机会提出不同的解决方法，对于训练学生的实验探究能力，培养学生的科学思想大有裨益。

4 量子力学完备性争论：敢于质疑、勇于争辩、兼容并包

量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。波恩、海森伯、玻尔、爱因斯塔、薛定谔、德布罗意、泡利、玻多尔斯基、罗森等许多著名的物理学家、哲学家乃至实验物理学家、数学家等都卷入了这场长达半个世纪的大论战，这一论战至今还未结束。一次次地争论在一步一步揭示量子力学的本质含义，争论也成为了量子力学理论发展的重要组成部分，后来者继续在争论中推动着物理学理论的研究。1953年物理学家、科学思想家玻姆提出隐参量理论，1965年贝尔在定域性隐藏量基础上提出贝尔不等式…后辈的科学家继续着这场论战。这些科学家既是严肃论战的对手，又是追求真理的战友，至死不渝地追逐科学真理。

科学争论，不是我们日常校园里热热闹闹的辩论赛，也不是流行的各种会议、论坛、开幕式、演讲，而且真正的智慧、理论、思维之间的沟通、碰撞、摩擦。物理教学中，引入科学家对具体理论的不同观点或媒体上争论的科学疑难问题，引导学生思考、质疑、争论或者举行科学争论会，让学生学会分辨，学习吸收，学会扬弃。

5 法拉第科学生涯：发现学生、培育学生、举荐学生

法拉第是物理学史上罕见的多产科学家，然而出身贫穷的他在科学生涯的开始阶段却不那么顺利，起初在一家书店做装订工，向英国皇家学院请求安排工作的时遭到了拒绝。1812年4月，法拉第在英国皇家学会作学徒工，有幸听到了当时皇家学会会长、著名的科学家戴维的四次演讲。几个月后他把戴维只有四个小时的演讲，记录了下来，并整理补充为386页的亨·戴维爵士演讲录。他把演讲录交给了戴维，并写信表达了希望到皇家学院工作和为科学服务的意愿。戴维阅读后非常感动，当天晚上就回复了法拉第。在戴维的帮助下，1813年3月，法拉第到英国皇家学院戴维的实验室担任助手，同年十月，随戴维开始了为期一年的欧洲之行，亲身参加了一系列的科学实验，并访问了欧洲各国的一流学者。此后，1821年法拉第发现了电磁转动，1823年法拉第液化氯气成功，但是法拉第的这些成绩却遭到了戴维的嫉妒，以至在1824年1月8日法拉第英国皇家学会会员选举会上戴维投下了当时唯一的反对票。据说，戴维去世前有人问他一生最大的发现是什么，他回答“我最大的发现就是发现法拉第”。

1831年11月13日，40岁的法拉第发现了电磁感应现象，不久麦克斯韦诞生了。1855年12月，麦克斯韦在剑桥大学宣读了自己的第一篇论文《论法拉第的力线》，当法拉第读了麦克斯韦的论文后感觉找到了知音（当时法拉第提出了“场论”，由于缺乏严格推到和证明而遭到轻蔑和反对，而麦克斯韦论文中的数学思想很好的阐释了法拉第的理论），立即写信给麦克斯韦，表示感谢和祝贺。1860年秋，麦克斯韦前去拜访法拉第，年近古稀的法拉第与不到30岁的麦克斯韦一见如故，马上谈论起了他们共同的话题。法拉第说“我并不认为自己的学说一定是真理，但你是第一个真正理解它的人，你不应当停留于用数学来解释我的观点” 。[2]随后，麦克斯韦又继续他中断了四年的电磁理论研究。麦克斯韦在法拉第思想的鼓舞下，于1873年出版了《电磁通论》，全面、系统、严密的论述了电磁场理论的全部精华。

科学史学家在评述法拉第为电磁学所做的贡献时，常常会提到法拉第的老师戴维和他的忘年交麦克斯韦。戴维发现了法拉第，并为法拉第的成功提供了条件保障，而麦克思维在法拉第的指导下又发展和创新了法拉第的理论。物理教师除过平时的教学，还应该到学生中去，发现他们的特长、培养他们的思维、适时的举荐他们，也许他们就是未来的发法拉第或麦克斯韦。

6 小结

物理学史记载了人类揭开世界奥秘的探索旅程，再现了物理学家们面对新困惑、新问题怎样实现观念的转变、方法的更新等丰富而多彩的内容。学习、研究物理学史可以给物理教师带来许多启示。参照新课标，结合物理学史，反思我们的教学思路、教学方法、教学理念、教学行为，纠正我们在历史上、现实中存在的问题，不断尝试、不断更新，努力为我们科学事业的发展培养更多后备人才。

[1]郭奕玲,沈慧君.物理学史（第2版）[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]王力邦.中学物理教师的学习与思考[M].北京:科学出版社,2009.

[3]吴海源.浅议教学中运用物理学史培养中学生的科学素养[J].科教导刊,2012,(2).

[4]塔拉,陶亚萍.物理学史对科学研究的启示[J].内蒙古师范大学学报自然科学版(汉文)版,2003,32(4).