物理學史與物理教育研究

李升健

(韓山師范學院，廣東 潮州 521041)

大學階段的物理學習對于學習者的物理知識基礎、思維能力等提出了較高的要求，以往的物理學習主要圍繞公式、定理展開，缺乏對于理論知識、實驗現象所產生的過程的了解。而通過物理學史的學習，可以有效借助角色代入領會到相關知識推理演繹的過程，在夯實知識基礎的同時也有助于培養物理思維能力。

一、物理學史所傳遞出的教育功能

基于美國認知教育心理學家Ausubel所提出的有意義學習理論視角，物理學史發揮著物理教育的“先行組織者”功能，通過回顧歷代學者關于某一物理概念的探索歷程，幫助學習者建立起宏觀認知基礎，明確物理概念與理論的由來、推導方式、所能解決的問題與未來發展前景，有效深化學習者對于物理知識的認知[1]。同時，物理學的發展離不開一系列耗時數年、耗材大量的物理實驗，物理學史可以幫助學習者了解到實驗創設的背景、實驗條件、實驗過程與試驗方法，深入實驗當中厘清設計思想與問題解決策略，有助于培養學習者的觀察力與分析能力，降低物理實驗失誤問題的發生概率。此外，物理學史與物理教育的結合能夠將相關物理觀念、思想的發展變革過程進行清晰梳理，引導學習者在接受新理論的同時也能夠轉變原有的思維模式，進一步站在宏觀角度培養物理學科思維模式，領會物理學的思想真諦。

二、物理學史與物理教育相關性分析

(一)關于氣體狀態方程的物理學史

在我們學習氣體狀態方程這一知識時，常常在熱力學溫標、熱力學參量等知識點的學習中產生一定的困惑，不明白為什么必須要應用熱力學溫標構建理想氣體狀態方程，也難以明確溫度、壓強、體積之間的變化關系。而通過了解物理學史相關知識，可以發現氣體狀態方程的出現最早可以追溯到大氣壓實驗，托里拆利借助水銀柱實驗論證了大氣具有壓力這一物理事實，并由此延伸到所有氣體中；在此基礎上，波義耳通過加熱氣體的實驗論證氣體壓強與體積的關系，由此創設了波義耳定律；到了18世紀，華倫海特通過酒精在毛細管中的熱脹冷縮原理發明出世界上第一個酒精溫度計，并創設了華氏溫標，隨后經瑞典學者林奈的改造形成了當今社會通用的攝氏溫標；在19世紀，查理定律與蓋呂薩克定律針對氣體壓強、體積與溫度之間的關系進行了實驗論證，并給出了-273.15°C這一溫度軸指標；隨后化學家阿伏伽德羅通過提出假說、實驗論證得出了這一表達式，經由常數k的引入構成了理想氣體狀態方程。通過物理學史的學習，我們可以更加明確熱力學溫標的形成過程，認識到學科理論是經歷數代物理學者不斷推理演繹、借助實驗事實得以論證、總結而來的，有效實現物理學科思維模式的動態培養。

(二)關于熱力學理論的物理學史

在利用物理學史重構熱力學理論的形成過程時，首先可以從瓦特改良蒸汽機這一知識點入手，當時學者為提高蒸汽機效率設法擴大機器容量，但卻以失敗告終；卡諾基于理想的熱力學循環視角提出“蒸汽機效率是由高低溫熱源溫度決定的”這一觀點，并形成了卡諾定理，證實了100%效率熱機實則是一個悖論；在此基礎上，開爾文于1851年將卡諾循環理論進行了完善，證實了單一熱源吸熱的不合理性，并提出了熱力學第二定律。通過這一物理學史內容的學習，我們可以明確物理學基本定律的提出并非是空想，而是物理學家通過觀察現象受到啟發，經由大量實驗進行論證所得來的，理論創設的根源實則是為解決社會生產問題，這也就說明了運用物理學知識解決實際問題的重要性，也證實了社會問題的出現可以反作用于物理學科發展。

(三)關于相對性原理的物理學史

當學習愛因斯坦的相對性原理時，可以先重新回顧牛頓相對性原理的提出過程，尋求理論與生活經驗之間的契合點；接下來進入到麥克斯韋的理論研究范疇中，依托電動力學原理推翻牛頓的相對性原理，指出真空中的光速與參考系之間并無明確關聯；隨即借助1904年洛倫茲變換理論的提出進行鋪墊，推翻伽利略變換；最后進入1905年，愛因斯坦在麥克斯韋方程組的基礎上進一步論證了牛頓相對性原理的錯誤性，提出了狹義相對論等兩條假設。通過物理學史的研究可以明確推翻牛頓理論的必要性，也能夠更加清晰的認識到牛頓相對性原理所存在的主要誤區，從而構建更加完整的知識思維體系[2]。

三、結論

總而言之，物理學作為一門體系結構復雜、思維延展性較強的系統學科，經由一代又一代物理學家的設想、推理、討論、否定與重建，最終形成了完整的學科體系。學習物理學史能夠更加深入的了解物理學大師發現問題、思考問題、解決問題的方式，引導學習者掌握物理學的思考模式，進一步提升教育價值。