利用通識課程《物理學史》來傳遞物理文化和培養物理思維——通識課程《物理學史》建設及改革初探

(哈爾濱工業大學物理系　黑龍江 哈爾濱　150001)

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利用通識課程《物理學史》來傳遞物理文化和培養物理思維——通識課程《物理學史》建設及改革初探

(哈爾濱工業大學物理系黑龍江 哈爾濱150001)

摘 要：通過問卷調查深入了解學生對《物理學史》課程的需求，分析了將《物理學史》建設為本科生通識課程的可行性．根據學生對該課程的需求，對物理學史課程的教學理念、教學內容和考核手段等方面都做了改革，實踐結果表明：物理學史課程的教學可以實現其傳遞物理文化、培養物理思維模式的教學目標．

關鍵詞：通識課程物理學史教學內容教學目標

1引言

物理學史是人類對自然界各種物理現象的認識史，主要研究物理學發生和發展的基本規律，包括物理學概念、思想的發展和變革，物理學發展與社會背景關系，各個分支學科間聯系以及與其他學科的聯系．近年來，人們對物理學史的素質教育功能及其在大學物理、大學物理實驗教學中的作用進行了深入的探討和教學實踐研究．很多高校的物理專業，都將物理學史設為通識性的基礎必修課或選修課程．可以說物理學史的教育地位已經被廣大物理教師和教育學家認可．但是，作為通識課程的物理學史應該具有怎樣的教學理念？究竟應該講什么怎么講？這些內容是否對學生有吸引力？如何能讓這門既有科學性又有文化性的課程擔負起其素質教育的責任？這些都是需要我們進行深入探討的．

2問卷調查

為了解決這些問題，我們面向哈爾濱工業大學2013年入學的本科生發放了調查問卷，共發放2 560份問卷，收回有效問卷2 115份．問卷內容涉及本課程的選修意愿、課程內容和學習方式等幾個方面，目的是為了了解學生對物理學史的需求情況．問卷涉及的問題以及調查結果如表1所示．

表1　調查問卷

調查結果表明，多數同學對《物理學史》這門通識課程有興趣，會選擇選修．還有一部分同學沒有明確的反對．這就是說，針對全校開設這樣一門通識選修課程具有可行性．在對該課程教學手段的調查(2題)結果表明，認為學習過程不需要老師參與的同學(選擇A的)約為12.8%，而35.6%的學生(選擇B和D的)不想采取自學或網上Mooc的方式進行學習；需要老師參與，但可以自學的同學(選擇C和E)占52.6%．針對這一結果，我們認為這門課程還是要以課堂教學為主，但應該為學生提供一些明確的主題，讓學生自學，在課堂上進行討論，這樣的教學方式更有利于激發學生的學習興趣．針對教學內容的調查(3題)結果表明，學生希望了解的內容依次為：物理學家的思維習慣和物理思想、物理學發展史上的趣事、了解物理學前沿、能激發學習物理興趣的內容、物理學的研究方法．根據這一調查結果，我們對通識課程《物理學史》的教學理念、教學內容、教學手段都做了調整，并在2013年級物理系學生中試行．下面，介紹一下我們在通識課程《物理學史》的教學過程中一些嘗試．

3改革嘗試

3.1教學理念改革——利用物理學史傳播物理文化和物理學思想方法

從調查問卷的結果可以看出，很多學生認為物理學史應該成為拓展學習興趣的課程，學生們對物理學史的教育功能和重要性認識明顯不足．我們認為：物理學史教學目標應該定位在“兼有史學性質和科學素質教育功能，同時還應擔負著傳遞物理文化、傳播科學思維方式的作用”．應通過展示人類揭開物理世界奧秘和令人興奮的探索過程，使學生了解科學大師們的科學創造思路，最終實現訓練科學思維方式、培養提出問題能力的目的．

物理學史和自然科學史告訴我們，重要的發明創造并不是前人研究內容的簡單重復，而是前人研究方法、思維特征的重現，并且它更是螺旋式上升的．物理學史的教學應該使學生掌握物理學發展過程中已形成的研究方法、思維特性和思想方法，深入理解物理學所揭示的機械觀、時空觀、因果性、對稱性、和諧性、守恒性，以及絕對與相對、無序和有序等物理文化．因此，在物理學史的教學中, 應將重點放在物理學思想方法和物理文化的傳揚上來，在傳授“史實”的同時，深入體現物理文化和物理思想方法的特征，避免在課程講述過程中以講述科學家的傳記和發明過程的小故事為主，使得聽學生“聽史興嘆”．而應通過展示人類揭開物理世界奧秘和令人興奮的探索過程，使學生了解科學大師們的科學創造思路，對學生進行科學方法和科學思維的訓練，最終實現訓練科學思維方式、培養提出問題能力的目的．

3.2教學內容改革——旨在培養學生物理思維模式和發現問題能力

為了實現“傳播物理文化和物理思維模式，為學生指明發現問題、提出問題的方向”，我們把物理學史的內容作了較大的調整．圖1分別給出了2013年前物理學史的教學內容和2014年內容改革后的教學內容．從圖中可以看出，內容改革前物理學史的教學是以時間順序為主線，以物理學所屬二級學科的建立過程為主要內容，介紹物理學產生和發展的歷史[1]．這種模式的特點是：思路清晰、順序感強．為了將物理學史建設為通識課程，我們對該課程的教學內容重新進行了設計．除了第四章“經典物理學的建立和發展”延續了原來的教學內容外，我們將其他內容的變化概括為以下3個方面．

圖1　改革前后物理學史教學內容對照圖

(1)強調物理學是科學也是文化，展現“科藝交融”

教學內容的設計打破了按時間的分類模式，概括性選擇了施大寧教授的“物理與藝術”這本教材的內容[2]，從物理家和西方藝術家兩個角度闡述了人類對空間、時間和光(包括本性和色彩)的認知過程，強調西方前衛藝術作品中表現出來的科學性，同時也介紹了經典和現代物理學中體現出來的藝術美．告訴學生，客觀世界只有一個，但是認識它的方式卻有很多種，只有不斷開闊自己的眼界，才可能有活躍的思維模式．

(2)以諾貝爾物理學獎為主線，引導學生認識、把握物理學發展前沿

諾貝爾物理學獎是物理學界的最高榮譽，每一獎項的頒發都能充分體現出研究成果的社會價值和歷史價值．諾貝爾獎所涉及的研究成果，都是物理學領域的里程碑，其發展能夠顯示現代物理學的發展軌跡和脈絡．因此，了解和掌握諾貝爾物理學獎得主和他們的獲獎原因，從社會背景、技術發展和獨特思維方式幾個并行角度分析現代物理學的發展進程，能夠引導學生關注物理學發展前沿，學會從諾貝爾物理學獎所涉及的領域中尋找物理學科的發展趨勢，預測并尋找前沿領域的研究方向，為研究性學習開拓更廣闊的視野．比如，介紹1901年諾貝爾獎物理學獎時，可以引導學生認識到：X射線的發現，開啟了醫學影像的革命、打開了研究晶體結構的大門；對X射線的應用導致了放射性、電子以及α和β射線的發現，最終完善了原子核模型，同時也為物質波假設的驗證提供了重要的依據[3]．

(3)從物理學發展史中總結物理學的研究方法、思維模式和物理思想

在“物理學研究方法和物理思維模式”章節中，我們分別介紹了：物理學中基本概念的演化、物理學思維方法和物理學研究方法這3個專題．

基本概念的演化專題中，主要以質量、能量和動量等幾個基本概念的提出、歷史演變過程、發展和完善等幾個角度介紹基本概念的演化過程，讓學生體會到物理學本身是一門不斷發展、逐漸完善但永遠不會完美的科學，鼓勵學生敢于挑戰權威、敢于創新．

物理學思維方法專題中，我們主要介紹了對稱性思維、有條件批判思維、統一性思維等物理學中的主要思維方法，并以物理學發展史中具體的實例來說明這些思維方法．如：利用庫侖定律、物質波假設和波函數的提出來說明對稱性思維的重要性；利用愛因斯坦的狹義相對論的基本假設、電子自旋的提出，來說明有條件批判思維在物理學發展中的重要地位．

物理學研究方法專題中，主要介紹了理想化方法、類比法和觀察實驗法．分別討論這幾種方法的定義、應用范圍和物理學史中相關實例．如通過詳細介紹電磁學理論的發展過程、薛定諤方程的提出過程來說明物理學家是如何利用類比的研究方法來探索未知世界的．

3.3考核方式改革——針對不同內容進行多樣化考核

在考核方式上，我們采取了累加式考核的方式．具體的做法是：針對不同的教學內容，采用不同的考核方式．針對物理發展主線和經典物理學的發展部分內容，采用開卷筆試的方式，主要考查學生對發展史的了解程度和學生自主總結、歸納的學習能力．針對諾貝爾物理學獎這一部分內容，我們以“通過深入分析各階段諾貝爾物理學獎項所涉及的研究領域分布及發展趨勢，預測今后20年來諾貝爾物理學獎項會涉及那些研究領域”為題，讓學生做深度課程論文，指導學生進行自主討論，目的是鍛煉學生發現問題能力、培養物理思維模式．針對物理學基本概念、思維模式等方面，我們將學生分成7組，每組5人，教師為每組規定一個專題(如質量的演化、批判思維在物理學發展史中的應用等)、規定討論要素后進行分組討論，并以報告的形式為其他同學講解，考查學生團結合作、邏輯思維等多方面能力．

4結論

物理學史教學理念、教學內容和考核方式的改革，收到較好的教學效果．從學生的反饋意見可以看出，學生對第2，3，6，7部分[圖1(b)所示]內容非常感興趣，認為該課程的學習，使自己“感受到了不一樣的物理”、“系統地了解了物理思維、研究方法”；學生對分組討論的考核方式也很感興趣，認為這種考核方式“可以增強團隊意識，培養協作精神”．這些反饋結果都說明，通過教學理念、教學內容和考核方式的改變，通識課程《物理學史》可以實現其“傳授物理知識、傳播物理文化、培養科學思維方式和發現問題能力”的教學目標．

參 考 文 獻

1郭奕玲，沈慧君.物理學史.北京：清華大學出版社,1993

2施大寧.物理與藝術.北京：科學出版社,2005

3郭奕玲，沈慧君.諾貝爾物理學獎(1901~2010).北京：清華大學出版社,2012

孟慶鑫侯春風李助鵬張 宇韓 權**教育部高等學校大學物理課程指導委員會教學研究立項項目：DWJZW201504db,DWJZW201402db；黑龍江省教育科學研究團隊專項課題：GJG1214007作者簡介：孟慶鑫(1972-)，女，博士，副教授，主要從事基礎物理教學、教學研究和光電功能材料與器件的研究.

(收稿日期：2015-12-01)