关于在大学物理教学中引入物理学史的探讨

邓浩亮

（天津职业技术师范大学理学院，天津 300222）

《大学物理》是面向理工科专业学生开设的一门必修课。作为一门公共基础课，该课程担负着双重使命：其一，使学生对物理学的基本概念、基本理论有比较全面、系统的理解和掌握，提高学生分析问题、解决问题的能力，为后续专业课程的学习打下良好的基础；其二，培养学生的科学探索精神、创新思维及实事求是的科学态度，帮助学生建立辩证唯物主义的世界观。然而，要实现这两个目标却并不那么容易。一方面，大学物理只是一门公共基础课而非专业课，许多学生认为物理与今后从事的专业关系不是很大，因而对其重视不够；另一方面，物理学中的许多概念、定律、定理比较抽象，不容易理解和掌握，再加之微积分和矢量运算的引入，容易使学生产生畏难情绪。此外，传统的大学物理教学模式以传授基本的物理知识为主要目的，只将现成的概念、定律、定理教给学生，而忽视了告知学生这些概念、定律、定理是如何建立起来的。学生搞不清所学物理知识的来龙去脉，面对那些抽象、枯燥的公式，自然提不起学习的兴趣。

作为改革传统物理教学模式的一种手段，在物理教学中引入物理学史一直以来受到国内外学者的广泛关注[1-12]。物理学史是研究物理学产生和发展规律的一门科学[13]，其中包括了物理学家们发现物理规律的传奇故事和曲折过程，物理学新旧观念、新旧学说之间的争论，以及唯物主义和唯心主义之间的斗争。美国著名的科学史学家弗·卡约里在《物理学史》的第一版序中提到：“读一点科学史有助于对科学产生兴趣，并且由阅读科学史而得到的关于人类知识发展的总的观念本身是鼓舞人心并有助于解放思想的”[14]。传统的大学物理教学模式主要是从现有物理规律的逻辑性角度出发来组织教学，这样做虽然可以使学生比较快速有效地掌握现有的物理知识，但是忽略了对物理规律获得的历史过程的介绍。在大学物理教学中引入物理学史，可以将物理规律的“逻辑性”和“历史性”有机地结合起来。

1 在大学物理教学中引入物理学史的重要意义

1.1 引入物理学史有助于激发学生的学习兴趣

一提到物理学，许多学生首先想到的是抽象的公式和复杂的数学计算，所以很容易产生学习上的畏难情绪。如果教师在讲授物理规律时仍采用满黑板公式推导的授课方式，无疑会加深学生对物理学的恐惧，从而影响学生的听课效率和学习积极性。如果在物理教学中能够适当地穿插一些与课程内容相关的物理学史知识，可以有效地活跃课堂气氛，从而激发学生的学习兴趣。例如，在导入新课时可以介绍一下相关物理学家的生平简介、逸闻趣事，或者历史背景、曾经出现的争论等等。目前许多大学物理教材也有意识地引入了物理学史的内容，如张三慧编写的《大学基础物理学》中就开辟了“今日物理趣闻”专栏，介绍如基本粒子、宇宙发展、能源与环境、超导、全息等课题[15]，以开阔学生的学术视野，激发学生的学习兴趣。此外，在物理教学中引入物理学史，还可以使学生认识到物理学不仅是一门纯粹的理论学科，而且还是与人类社会发展密切相关的科学，例如蒸汽机的发明与改良加速了工业革命的进程；电磁学的发展产生了电气时代；量子物理的发展加快了信息时代的到来等等。明白了物理学的重要性以后，学生才可能更加积极、主动地投入到物理学的学习中去。

1.2 引入物理学史有助于学生理解物理概念和物理定律

在物理教学中引入物理学史，可以帮助学生理解和掌握所学的物理概念、物理定律的本质。仅记住物理概念的定义和物理定律的数学形式，能够运用物理公式求解相应的习题，还不等于已经理解了这些物理概念、物理定律的本质和丰富内涵。通过引入物理学史可以让学生认识到，物理学的发展不是一蹴而就的，而是一个漫长而又曲折的过程。每一个物理概念的建立、每一条物理定律的发现，都是物理学家们对自然界长期探索并经过抽象概括获得的。回顾每一个重要的物理概念、物理定律的酝酿、产生和发展的历史过程，可以使学生了解物理学家们是如何建立物理概念、发现物理规律的，循着物理学家的思维方法和探索途径来重新建立物理概念和发现物理规律，可以让学生更深刻地理解这些物理概念和物理定律。例如在赵凯华、陈熙谋[16]编写的《电磁学》中“稳恒磁场”一章，编者通过引用物理学史料详细讲述了安培定律的发现与建立的全过程。这为学生更好地理解和掌握安培定律提供了帮助，是一个将物理学史引入物理教学的典型案例。

1.3 引入物理学史有助于学生掌握科学研究方法

“授人以鱼，不如授人以渔。”在大学物理教学中，除了讲授物理学知识外，科学研究方法的培养也是非常重要的教学目标，而物理学史的引入可以帮助学生认识和掌握物理学中研究问题的方法。物理学的研究方法是经过一代又一代物理学家在长期的科学研究中逐步摸索、积累起来的。从亚里士多德时代的哲学思辨法，到伽利略时代的实验法，以及类比法、对称法、守恒法、统计方法，还有爱因斯坦开创的思想实验法等等，这些研究方法在物理学的发展过程中都起到了非常重要的作用。在物理学的发展史上，许多伟大科学家的发明创造，都与他们找到了正确合理的方法密切相关。例如，运用假说、实验与数学相结合的方法，伽利略揭示了自由落体运动的规律；通过将电流与热传导相类比，欧姆总结出了著名的欧姆定律；根据对称法，法拉第由奥斯特小磁针实验揭示的“电生磁”提出了“磁能否生电”的问题，经过近10年的实验研究最终概括出了电磁感应定律。因此，在物理教学中引入物理学史，有助于学生了解物理学家们是如何思考和研究问题的，引导学生逐渐认识和掌握物理学的研究方法，从而提高学生的科学研究水平。

1.4 引入物理学史有助于培养学生的科学精神和创造性思维

物理学史中有许多关于物理学家的感人故事，如第谷·布拉赫坚持30多年观察恒星的运动，获得了详细的第一手天文资料，为开普勒三定律的发现铺平了道路；居里夫妇不畏实验条件的简陋和实验工作的繁重，经过近4年的不懈努力才从数吨沥青铀矿渣中提取出0.1 g镭；发明家爱迪生在经历了近8 000次的失败后才成功找到合适的灯丝材料；从提出“磁生电”的设想到实验上发现电磁感应现象，法拉第经过了近10年的努力，等等。这些伟大科学家们所具有的一丝不苟的科学态度、持之以恒的探索精神、不畏艰辛的坚强意志，都会给学生留下深刻的印象。在物理教学过程中，结合讲授的具体内容引入一些相关物理学家的故事，可以为学生树立学习的榜样，激励学生努力学习，培养学生的科学态度和科学献身精神。

此外，物理学史的引入还有助于培养学生的创造性思维。创造性思维就是不迷信学术权威和教科书，不局限于传统的观念和理论。当现有的理论无法解释实验现象时，谁能摆脱传统观念的束缚，勇于提出新的思想，谁就有可能做出创造性的工作。如普朗克为了解释黑体辐射现象提出了“能量子”假说，爱因斯坦为了解释光电效应提出了“光子”假说等等。几乎每一个物理学的重大发现都是从物理学家对已有理论的怀疑开始的，如伽利略对亚里士多德的“重的物体比轻的物体下落快”的怀疑促成了“自由落体定律”的发现，爱因斯坦对经典力学中“同时性”的怀疑促成了狭义相对论的产生等。怀疑精神的具体表现就是敢于提出科学问题。杨福家[17]在其编写的《原子物理学》序言中提到，“成功的教学必须诱发问题；听了课、读了书，只感到‘听得舒服，读来都懂’是不够的，真正的收获还应该反映在有没有产生新的问题。”物理学史中包含了大量物理学家的创造性工作案例，将其穿插在物理教学中不仅可以使课程内容更加生动，也有助于培养学生的创造性思维。

2 在大学物理教学中引入物理学史可能存在的问题

目前，物理学史在物理教学中所起的重要作用已得到人们的普遍认可。但是，在具体的实施过程中也会出现一些问题。作为一门独立的学科，物理学史有其自身的知识体系结构。在物理教学中引入物理学史，实际上是将物理学史作为一种辅助手段来期望得到更好的教学效果。因此，在引入物理学史的过程中，很可能会出现有意无意地歪曲历史的现象，形成所谓的“准历史”[18]。在一些物理教材中就存在这样的“准历史”，如由经典物理学理论得出的瑞利—金斯公式无法解释黑体辐射规律，从而促成普朗克提出了“能量子”假说；迈克尔逊——莫雷实验的零结果促成了爱因斯坦狭义相对论的诞生，等等。“准历史”的产生存在两方面的原因：在客观方面，广大物理教师手头缺少详细准确的物理学史资料，也没有太多的时间和精力进行深入的查阅和核实，这方面问题的解决有待于物理学史研究的不断发展和相关物理学史著作的发表；在主观方面，教师或教材的编者常常按照某种思维模式或教学要求去选取和安排历史材料。经过人为裁剪、取舍的历史就是“准历史”，它会给学生一种假象，似乎物理学就是沿着一个既定的方向发展到今天这个样子的。此外，由于教学大纲和课时的限制，在课堂上教师只能把一些物理学史的片断讲给学生听，而且许多教科书也是这样编写的，仅仅通过很少的几个物理名人来描述物理学的发展过程。这样做的后果就是忽略了其他众多物理学工作者在物理学发展中所起的作用，而这是不符合物理学的真实发展过程的。要发挥物理学史在大学物理教学中的积极作用，就应该消除“准历史”现象，把真实的物理学史讲给学生听。要想达到良好的教学效果，就要求物理教师必须具备与之相适应的素质和知识结构。物理教师要对物理学史有比较全面的了解，除了教材中的物理学史知识外，还要补充与课程中物理知识相关的物理学史内容。此外，由于现代科学技术的日新月异，物理教师还应该不断关注并搜集与课程内容相关的科技信息，这些信息是延伸已有的物理学史的最好素材。

3 结语

物理学史是一座丰富的知识宝库，是大学物理教学中不可缺少的一部分。在物理教学过程中结合教学内容适当地引入一些物理学史知识，既有助于激发学生的学习兴趣，又有助于学生理解和掌握所学的物理知识；既能促进学生掌握科学的研究方法，又能培养学生的科学精神和创造性思维。然而，在大学物理教学中引入物理学史，并不是一件容易的事，需要物理教师具备丰富的物理学史知识，并且能够在教学过程中合理运用。只有在具体的教学过程中不断摸索和改进，才能最大限度地发挥物理学史在物理教学中的重要作用。