大學(xué)物理與物理學(xué)史相結(jié)合的教材編寫探討

龍乾新　姚青榮　盧照

[摘 要] 分析大學(xué)物理與物理學(xué)史教學(xué)現(xiàn)狀，討論大學(xué)物理和物理學(xué)史相結(jié)合的教材編寫的必要性，并就大學(xué)物理與物理學(xué)史之間的有機(jī)結(jié)合進(jìn)行探討。認(rèn)為大學(xué)物理和物理學(xué)史相結(jié)合的教材對(duì)于教學(xué)具有非常重要的導(dǎo)向作用。

[關(guān)鍵詞] 大學(xué)物理;物理學(xué)史;教材編寫

[作者簡介] 龍乾新（1981—），男，廣西梧州人，博士，講師，研究方向：相圖相結(jié)構(gòu)、第一性原理計(jì)算。

[中圖分類號(hào)] G714? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）25-0311-03? ? [收稿日期] 2020-02-27

一、大學(xué)物理和物理學(xué)史教學(xué)現(xiàn)狀

大學(xué)物理是研究物理現(xiàn)象及其規(guī)律的一門自然科學(xué)，是高等院校各理工科專業(yè)所必修的一門重要的通識(shí)性公共基礎(chǔ)課。它的知識(shí)體系和思維方法貫穿人們學(xué)習(xí)自然科學(xué)知識(shí)的始終，培養(yǎng)人的科學(xué)精神，陶冶人的科學(xué)思維，教人應(yīng)用科學(xué)方法解決具體問題[1]。

物理學(xué)史再現(xiàn)了人類探索物理世界的過程，屬于綜合性學(xué)科，是人類探索自然科學(xué)的歷程，其所涵蓋的內(nèi)容包括物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的探索，科學(xué)家的思維方式以及物理學(xué)的研究方法，等等。記述的任何一個(gè)物理研究成果都具有階段性和連貫性特點(diǎn)，都是多個(gè)研究成果的匯集。一個(gè)物理研究成果往往要經(jīng)歷幾年、幾十年甚至一個(gè)多世紀(jì)才會(huì)有突破性進(jìn)展，可見物理學(xué)研究是一個(gè)漫長而艱辛的過程[1]。

在當(dāng)前高等院校中普遍重視大學(xué)物理理論知識(shí)學(xué)習(xí)，忽視物理學(xué)史的學(xué)習(xí)。大學(xué)物理通常是作為理工科必修的基礎(chǔ)課程，而物理學(xué)史則通常不做要求，或者以選修課的形式出現(xiàn)，甚至有的學(xué)校連選修課程都沒有。在考核方式上，大學(xué)物理作為公共基礎(chǔ)必修課，通常以考核的方式來獲得學(xué)分，而物理學(xué)史作為選修課程，通常以考查的方式獲取學(xué)分。另外，科任老師也只重視大學(xué)物理的理論教學(xué)，普遍重視對(duì)定理公式的推導(dǎo)，重視對(duì)復(fù)雜例題的講解，而對(duì)于大學(xué)物理中所蘊(yùn)含的物理學(xué)史知識(shí)，則往往一帶而過。一提到物理學(xué)，許多學(xué)生首先想到的是抽象的公式和復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，所以很容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)上的畏難情緒。如果教師在講授物理規(guī)律時(shí)仍采用滿黑板公式推導(dǎo)的授課方式，無疑會(huì)加重學(xué)生對(duì)物理學(xué)的恐懼，從而影響學(xué)生的聽課效率和學(xué)習(xí)積極性。

如何提高大學(xué)物理的教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性，很多學(xué)者做了大量探討。有的研究者從課堂教學(xué)的模式變革入手，探討提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性，如OBE模式[2]、SPOC[3]、BOPPPS模式[4，5]、PagamO模式[6]、CDIO理念[7]、CUPT模式[8]、“閉環(huán)教學(xué)”模式[9]、翻轉(zhuǎn)課堂[ 10 ]、“互聯(lián)網(wǎng)+翻轉(zhuǎn)課堂”混合模式[ 11 ]、多模式結(jié)合[ 12 ]等。近年來，越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到物理學(xué)史對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣、活躍課堂氣氛以及提高大學(xué)生綜合素質(zhì)的重要作用[1][ 13，14 ]。

教材作為大學(xué)物理和物理學(xué)史的載體，對(duì)大學(xué)物理和物理學(xué)史課程安排、學(xué)校及學(xué)生對(duì)大學(xué)物理和物理學(xué)史的重視程度具有重要的導(dǎo)向作用。然而，對(duì)于大學(xué)物理與物理學(xué)史相結(jié)合的教材編寫方面的探討卻很鮮見。有的教材大學(xué)物理和物理學(xué)史通常以分離的形式存在，或者物理學(xué)史以碎片化的形式存在于大學(xué)物理教材中，不利于物理學(xué)史對(duì)于大學(xué)物理的學(xué)習(xí)。

二、物理學(xué)史與大學(xué)物理的辯證統(tǒng)一

（一）引入物理學(xué)史有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

一提到大學(xué)物理，許多大學(xué)生首先想到的是抽象的概念和復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，大學(xué)物理課堂通常是滿板書的物理公式的推導(dǎo)，往往讓他們產(chǎn)生畏難情緒，不利于大學(xué)物理的教學(xué)，也影響到學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性和效率。

在大學(xué)物理中引入物理學(xué)史，會(huì)使得學(xué)生認(rèn)識(shí)到大學(xué)物理不僅僅是一門純粹的科學(xué)，而是來源于我們的生產(chǎn)、生活，是生活生產(chǎn)中遇到的物理現(xiàn)象的概況和總結(jié)。例如，萬有引力無處不在，牛頓通過蘋果落地的思考，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。另外，物理學(xué)史的引入，也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，我們對(duì)于世界的物理規(guī)律認(rèn)識(shí)得越充分，越有利于人類社會(huì)的進(jìn)步。比如，蒸汽機(jī)的發(fā)明讓人類進(jìn)入了一個(gè)機(jī)械化的時(shí)代，是人們對(duì)熱學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的結(jié)果;電氣化時(shí)代是人們對(duì)于電磁學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的結(jié)果;信息化時(shí)代是人們對(duì)于量子物理認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的結(jié)果。正是由于對(duì)我們生活的世界的不斷認(rèn)識(shí)，不斷概括總結(jié)、演繹推斷，使得人類不斷進(jìn)步。明白了學(xué)習(xí)大學(xué)物理的重要意義和作用以后，才能不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣和積極性。

（二）引入物理學(xué)史有助于學(xué)生理解物理概念和物理定律

物理學(xué)史和大學(xué)物理的結(jié)合，可以將大學(xué)物理的基本概念、公式和定理的來龍去脈講清楚，學(xué)生學(xué)習(xí)起這些公式定理時(shí)就不會(huì)覺得抽象，而是變得有趣和令人記憶深刻。很顯然，大學(xué)物理教育的核心目標(biāo)并不是為了讓學(xué)生記住基本的物理概念、公式和定理，而是要培養(yǎng)學(xué)生觀察、思考和分析問題的能力。回顧整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展過程可知，物理學(xué)中的基本概念、公式和定理的提出不是一朝一夕的事情，而是經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家不斷探索，長時(shí)間觀察、思考和總結(jié)而最終得到的。例如，人們對(duì)于力的認(rèn)識(shí)就經(jīng)歷了漫長曲折的過程。在伽利略之前的科學(xué)家都認(rèn)為，力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，比如馬拉車，一旦馬不再對(duì)車施力，車子很快就停下來了。這是人們對(duì)力的分析不全面造成的，他們沒有看到摩擦力的存在。直到后來，伽利略通過大量的實(shí)驗(yàn)才總結(jié)出力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而不是維持狀態(tài)的原因。牛頓進(jìn)一步提煉和總結(jié)得出著名的牛頓第一定律。科學(xué)家們不斷觀察、思考和分析的辯證思維過程會(huì)深深印在學(xué)生們的腦海中，因此這些基本的概念、公式和定理不再是一個(gè)個(gè)枯燥無味的知識(shí)點(diǎn)，而是包含豐富歷史元素有血有肉的知識(shí)點(diǎn)。因此，將物理學(xué)史和大學(xué)物理相結(jié)合必將大大加深他們對(duì)知識(shí)的記憶、理解和生產(chǎn)生活中的運(yùn)用，這是我們所期盼的。

（三）引入物理學(xué)史有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維方法

我們看到，有媒體經(jīng)常批判中國的學(xué)生缺乏創(chuàng)造性思維，這也引起教育部門的反思。很多學(xué)生記憶知識(shí)點(diǎn)有一手，但是不能將這些知識(shí)靈活運(yùn)用于實(shí)際生活之中，缺乏創(chuàng)造性思維。其實(shí)，物理學(xué)史中包含著豐富的創(chuàng)造性思維元素，物理學(xué)史和大學(xué)物理相結(jié)合會(huì)有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的思維方法。比如：除牛頓三大定律外，牛頓的另一大貢獻(xiàn)是他的萬有引力理論。任意兩個(gè)物體間都有相互作用力，這種力稱為萬有引力。萬有引力的大小與兩個(gè)物體質(zhì)量成正比，與它們之間距離的平方成反比。但是萬有引力到底有多大呢？18世紀(jì)末，英國科學(xué)家亨利·卡文迪許決定要找到一個(gè)計(jì)算方法。他把兩頭帶有金屬球的6英尺木棒用金屬線懸吊起來，再用兩個(gè)350磅重的皮球放在足夠近的地方，以吸引金屬球轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使金屬線扭動(dòng)。然而，金屬細(xì)絲扭轉(zhuǎn)的角度如此細(xì)微，如何能夠精確測(cè)量呢？卡文迪許創(chuàng)造性地想到了一個(gè)絕妙方法，他將一個(gè)鏡子固定在金屬線上，這樣鏡子就能隨著金屬絲扭動(dòng)而一起扭動(dòng)。然后，他將光照射到鏡子上讓其發(fā)生反射，反射光照到遠(yuǎn)處的刻度尺上，通過刻度尺上的讀數(shù)變動(dòng)，由此計(jì)算出金屬絲扭過的角度。卡文迪許用這種方法測(cè)得的結(jié)果驚人的準(zhǔn)確，他測(cè)出了萬有引力的參數(shù)恒量。其實(shí)，物理學(xué)史上有非常多這樣充滿創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)，如伽利略的自由落體試驗(yàn)、羅伯特·密立根的油滴試驗(yàn)以及盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)等，無不充滿讓人嘆為觀止的創(chuàng)造性，這些對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維是寶貴的財(cái)富。

（四）引入物理學(xué)史有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神

鍥而不舍和懷疑批判精神是科學(xué)得以發(fā)展到今天最重要的兩種精神，它們始終貫穿于物理學(xué)發(fā)展的始終。例如：第谷·布拉赫30多年始終如一堅(jiān)持觀察恒星的運(yùn)動(dòng)，收集到了詳盡的天文學(xué)資料，為開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);居里夫人為了從數(shù)噸瀝青鈾礦渣中終提煉0.1克的鐳，花了超過4年的時(shí)間;愛迪生為了找到適合做燈絲的材料，經(jīng)歷了8000多次實(shí)驗(yàn)的失敗后才獲得成功;法拉第經(jīng)過近10年時(shí)間研究，終于證實(shí)了自己當(dāng)初“磁生電”的設(shè)想。這些物理學(xué)家們的故事，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的肥沃土壤。批判性思維也是物理學(xué)得以發(fā)展的非常重要的精神，如果沒有伽利略對(duì)于力是維持物體運(yùn)動(dòng)原因的批判，就不會(huì)有他著名的加速度實(shí)驗(yàn)，而牛頓也就不能站在巨人的肩膀上了。愛因斯坦如果沒有批判的精神，迷信牛頓的學(xué)術(shù)權(quán)威，就不會(huì)有狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的產(chǎn)生。將物理學(xué)家們追求科學(xué)真理孜孜不倦的奮斗歷史和大學(xué)物理學(xué)相結(jié)合，對(duì)于學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)會(huì)起到潛移默化的作用。

三、如何將物理學(xué)和物理學(xué)史有機(jī)結(jié)合

（一）從教材的變革入手

要達(dá)到真正的大學(xué)物理和物理學(xué)史相互促進(jìn)的效果，需要重新編寫教材。在大學(xué)物理的相應(yīng)的每章中增加相應(yīng)的物理學(xué)史的小節(jié)，或者將物理學(xué)史融合在相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)里面，避免簡單的拼湊，這就要求教材的編寫者加大對(duì)大學(xué)物理和物理學(xué)史融合的研究。

（二）變革課程設(shè)置

大學(xué)物理和物理學(xué)史相結(jié)合，就由原來的兩門課程變成了一門課程，這需要教學(xué)管理部門對(duì)這門新的綜合課的重新認(rèn)識(shí)。在課程設(shè)置方面，需要重新編寫教學(xué)大綱，課時(shí)、教學(xué)要求以及學(xué)分也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（三）變革教學(xué)過程

融合了大學(xué)物理和物理學(xué)史的課程教學(xué)過程應(yīng)該是能將知識(shí)性和趣味性、歷史和現(xiàn)實(shí)、知識(shí)和方法等融為一體的課堂。這就要求教師加強(qiáng)課堂設(shè)計(jì)，加強(qiáng)備課，既要避免有血有肉的故事干癟癟的一句話帶過，又要避免為了講故事而純粹講故事。要達(dá)到良好的效果，首先要求物理教師必須具備與之相適應(yīng)的素質(zhì)和知識(shí)結(jié)構(gòu)。

在整個(gè)課程學(xué)習(xí)過程中，適當(dāng)穿插讓學(xué)生講述關(guān)于物理學(xué)史的故事，或者課后作業(yè)讓學(xué)生就某個(gè)專題撰寫物理學(xué)史的論文，也是課堂設(shè)計(jì)一種有益的嘗試。無論讓學(xué)生講述物理學(xué)史的故事還是撰寫物理學(xué)史的論文，都需要學(xué)生查閱相關(guān)專題資料，這就使得學(xué)生在查找資料過程中，能對(duì)物理學(xué)史有全面的了解，或者對(duì)某個(gè)方面有更加深入的研究。在整理收集、閱讀資料過程中不知不覺培養(yǎng)了他們科學(xué)研究的方法，在集中性整理科學(xué)家或者是物理規(guī)律的發(fā)展史過程中，深受科學(xué)家的不畏艱難的科學(xué)精神熏陶;在整理學(xué)習(xí)物理規(guī)律發(fā)展史過程中發(fā)掘其中的思維方法。

（四）變革考核方式

課程的考核方式?jīng)Q定了學(xué)生對(duì)該課程的認(rèn)知和重視程度。根據(jù)實(shí)際情況，在考試中設(shè)置合理的大學(xué)物理和物理學(xué)史的分值，會(huì)避免物理學(xué)史放在教材中成為一種擺設(shè)。讓學(xué)生撰寫物理學(xué)史的論文以及在考試中設(shè)置物理學(xué)史的開放性的題目，都有利于讓學(xué)生真正將物理學(xué)史和大學(xué)物理的理論學(xué)習(xí)統(tǒng)一起來。

總之，物理學(xué)與物理學(xué)史是辯證統(tǒng)一的，大學(xué)物理和物理學(xué)史課程的有機(jī)融合有望擺脫學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的厭學(xué)情緒，使得大學(xué)物理課堂變成具有知識(shí)性和趣味性的課堂，使得學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)，學(xué)會(huì)科學(xué)的思維方法，受到良好的人文熏陶。大學(xué)物理和物理學(xué)史相結(jié)合的教材的編寫對(duì)于促進(jìn)二者的有機(jī)結(jié)合會(huì)起到關(guān)鍵的導(dǎo)向作用。

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Abstract：The paper analyzes the teaching status of University Physics and the History of Physics，discusses the necessity of compiling textbooks combining University Physics and the History of Physics，and explores the organic combination between them.It is believed that the textbooks combining College Physics and the History of Physics play a very important guiding role for teaching and learning.

Key words：College Physics;History of Physics;textbooks compilation