淺談物理學史在大學物理教學中的作用

徐俊敏 李欣

[摘 要] 物理學史具有豐富的內涵，是人類對自然界各種物理現象的認識，是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，是人類文明的一部分，但物理學史在大學物理教學中經常因為種種原因被忽略。在大學物理教學中適度引入物理學史，有助于激發學生學習物理的興趣，有助于科學精神的培養以及幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀。

[關鍵詞] 物理學史;科學精神;大學物理教學

[作者簡介] 徐俊敏（1986—），男，安徽蕪湖人，鄭州大學物理學院，博士，主要從事新能源材料與器件及大學物理的教學科研工作。

[中圖分類號] G642.1? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0329-03? ? [收稿日期] 2020-02-10

一、引言

從物理學科的發展來看，物理學包含兩類重要的知識體系，一類是物理學的研究成果，即經過長期的歷史積淀，凝聚了無數科學家的智慧所形成的物理概念、規律和理論，我們可以稱之為靜態的知識體系;另一類是物理學的研究過程，這其中不僅包含科學家在探索、發現自然規律和構建物理知識大廈的過程中，各種理念、方法和技術的創新，還包含美學、哲學、方法論等人文科學的諸多內容，我們可以稱之為動態的知識體系，即物理學史。[1]

物理學史具有豐富的內涵，是人類對自然界各種物理現象的認識，是人類文明的一部分。在大學物理教學中，物理學史有著廣泛的應用前景，與各個學科聯系十分緊密。將物理學史融入物理課堂能促進學生的全面發展，在物理知識教學、科學精神和創新思維的培養，激發學生學習物理興趣以及樹立科學人文等方面發揮著至關重要的作用。

二、物理學史對中學物理教學的作用

1.有助于激發學生學習物理的興趣。在物理課堂中適當滲透物理學史能提高學生學習物理的興趣。孔子曾說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，一切有成效的工作都是以某種興趣為先決條件的。只有學生對物理產生濃厚興趣，才會發現生活中許多有趣的現象可以用物理知識解釋，才可以真正理解學習物理的重要性，明白物理是自然科學許多領域和工程技術的基礎。但是，初中高中階段的物理教科書，所呈現的基本概念、基本定律和基本理論被濃縮成了若干條精煉的語言，隱去了曲折復雜的思維過程，學生學習的是枯燥的概念和公式，然后做習題應付考試。對于物理學家，學生只能通過具體的物理定律或公式前面科學家的名字去了解，這會使學生覺得物理知識很死板，從而厭惡它。學生從高中過渡到大學，理工科的學生開始學習大學物理課程。大學物理課程不僅包含力學、熱學、光學、電磁學、原子物理學等經典物理學內容，而且對量子力學和相對論也有簡單的介紹。這些理論體系與其他學科的聯系十分密切，為許多新技術的完善提供了理論依據。學好大學物理可以使學生對自然界的各種現象做出合理的解釋，甚至可以使理工科的學生在他們的專業領域有新的突破。物理學是一門與其他學科聯系十分密切的科學，想要學好這門學科，要求學生擁有良好的數學物理基礎。然而大學物理課程是面向非物理專業沒有受過系統數學物理訓練的大學生所開設的，學生在學習這門課程時會感到很吃力，甚至會失去學習物理的興趣。所以在大學物理教學的過程中，首先要提高學生學習物理的興趣。為了提高學生學習物理的興趣，使學生對物理概念、定律等有更深刻的理解，讓物理為其他學科服務，這就要求教師在課堂教學中適當引入物理學史，讓學生知道物理是一門理論與實驗緊密相連的學科，讓學生慢慢愛上物理。

2.有利于學生對物理知識的掌握與理解?！度耸侨绾螌W習的》有精確論述：“學生帶著有關世界如何運作的前概念來到課堂，如果他們的初期理解沒被卷入其中，那么他們也許不能掌握所教的新概念和信息，否則他們會為了考試的目的而學習它們，但仍會回到課堂之外的前概念?！盵2]學生在初高中階段的學習過程中，教材上的知識都是前人經過多次推敲提煉出的完善的理論體系。而在物理課堂教學中，教師往往也只注重講授物理定律、公式的理解和應用，想讓學生盡可能地考高分，學生填鴨式地接受并背會這些定律、公式。由于學生缺乏對這些定律公式產生過程的了解，不利于學生對物理知識的掌握和理解，學生在中學物理課程結束后，遇到一些與日常生活有關的物理現象時，仍然會陷入課堂之外的錯誤前概念，認為肯定是重的物理下落更快。所以在大學階段，在講授大學物理課程中的重難點知識時，對學生進行必要的知識形成過程的介紹，可以使學生打破課堂之外的前概念，體會到物理知識在社會生活中的價值，有利于學生對物理知識的掌握與理解。例如：在講原子動力時，如果學生死記硬背原子的結構是由原子核和核外電子構成，不僅會使學生感到乏味，而且不利于學生對知識的理解和掌握。但是如果適時在課堂中滲入原子物理學史，卻可以達到事半功倍的效果。教師可以從古希臘原子論，原子是不能再分割的最小單位開始引入;到1897年湯姆遜利用陰極射線管發現了電子，說明原子是可再分的;再到密立根測出了電子電量，盧瑟福利用氦核散射實驗證實了棗糕模型不成立，發現了原子的核式結構;最后到查威克發現了中子，以及人們又發現了遠比質子小得多的幾種基本粒子。通過原子物理學史的引入，可以使學生理解和掌握原子不是構成物質的最小單位，原子由原子核和核外電子構成，原子核又由質子和中子組成等基本理論。

3.有助于培養學生的科學精神和創新思維?？茖W精神是一種老老實實的態度，實事求是是最起碼的要求;科學精神是一種批判的態度，要對自己和別人所作的研究無一例外地進行嚴苛的審查，不承認任何萬古不變的教條;科學精神是一種變革的勇氣，隨時準備否定那些似乎是天經地義的斷言，并接受那些好像是離經叛道的觀點。[3]

中世紀“地心說”是神學教義，稱自然界是由上帝創造和支配的，把地球置于宇宙的中心。但是，有一天哥白尼突然發現太陽每天升起和落下的地方不一樣，于是，他就留心觀察太陽每天升起和落下的地方。經過一年的觀察，他發現在每年的第一天，太陽升起和落下又回到了原點。他開始對地心說產生了質疑，經過分析和推演，創造性地提出了“日心說”這一新的宇宙觀，并寫出了《天體運行論》一書?！短祗w運行論》發表以后，立即遭到了神學界聲勢浩大的圍攻，著名的宗教改革家馬丁·路德（1483—1546年）罵哥白尼是瘋子、傻瓜。后來梵蒂岡竟蠻橫地宣布“日心說”是異端邪說，把《天體運行論》列為禁書。但是，真理終究要戰勝邪惡。到了18世紀，開普勒總結出行星運動三定律，牛頓發現了萬有引力定律，使哥白尼的學說獲得更加穩固的科學基礎，得到普遍的承認。哥白尼這種不為世俗教義束縛，勇敢追求真理，敢于挑戰傳統觀念的創新思想與方法，構成了科學精神的核心要素，對近代科學的進程產生了巨大影響。[4]

物理學史就是一個包含著許多科學和人文精神的素材，將其融入物理教學中，可以使學生以科學家為榜樣，學習他們不畏強權，敢于質疑，勇于創新的科學精神。正如楊福家在其編寫的《原子物理學》序言中提到的，“成功的教學必須誘發問題;聽了課、讀了書，只感到‘聽的舒服，讀來都懂是不夠的，真正的收獲還應該反映在有沒有產生新的問題?！盵5]可見，在教學過程中幫助學生培養質疑能力和創新思維的重要性。

4.有利于學生形成正確的人生觀和價值觀。人們做決定時，更多依賴于個人經歷和日常經驗，像亞里士多德這樣的科學家也不例外。亞里士多德從日常經驗出發，認為物體下落的速度與它的重量成正比，然而伽利略用嚴謹的數學推理和無數次實驗證明了物體下落的速度與其重量無關，并得出了自由落體運動規律。此外，亞里士多德認為，力是物體產生運動的原因，但牛頓概括和總結了伽利略和笛卡爾等前人的理論，加以改進，最終提出了牛頓第一定律：任何物體都保持靜止或勻速直線運動的狀態，直到受到其他物體的作用力迫使它改變這種狀態為止。此定律揭示了維持一個物體的勻速運動并不需要力，力只是改變物體運動狀態的原因。從這些物理學史可以看出，亞里士多德物理學中的很多具體結論都是錯誤的。

除了亞里士多德外，科學史上還有很多科學家犯過許多錯誤，我們在將物理學史應用到大學物理教學的過程中，往往避不開物理學家的一些錯誤。日本物理學家湯川秀樹曾說過：“當回顧物理學史時，我們會發現這個歷史幾乎可稱之為錯誤史。在許多科學家所想出的所有理論中，大多數是錯誤的，因而沒有生存下來，只有少數正確的理論才繼續生存。僅僅考慮這些現存的理論，會給人們形成一種不斷進步的印象。”[6]這些錯誤可以使學生了解在科學的探究過程中充滿曲折和艱辛，正確的結論往往是經歷了大量錯誤的鋪墊而取得的，也使學生意識到偉大的物理學家是普通人，也會犯錯，意識到自己也要向科學家學習，正確看待錯誤，把錯誤當成自己成功路上的墊腳石，不要因為一些失敗就自怨自艾。教師要教導學生不能因為科學家的錯誤就否定他們為科學做出的貢獻，否定他們對近代物理的奠基作用。除此之外，教師還要引導學生，正確評價一個人要結合他當時所處的時代背景和他的社會地位，科學始終適合政治，經濟乃至宗教是互相關聯的;明確科學家行為的對錯，不因為科學家的光輝而美化其所犯的錯誤;評價要同時考量他所犯的錯誤和他為社會所做的貢獻，辯證地看待這個人。[7]物理學史的引入使學生學會理性看待錯誤和辯證的評價他人，有助于學生形成正確的人生觀和價值觀，對學生在大學的學習生活中與他人的相處，以及之后的求職或者深造，都會起到很好的指導作用。

三、結語

法國著名物理學家朗之萬說，“在科學教育中加入歷史的觀點是百利而無一弊的。”[8]通過在物理教學中融入物理學史，不僅有助于提高學生學習物理的興趣，有助于培養學生的核心素養，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀，而且能夠提升教師的科學素養。正如錢三強先生所說：“物理學發展史是一塊蘊含著巨大精神財富的寶地，這塊寶地很值得我們去開墾，這些精神財富很值得我們去發掘。”為了使物理學史有效地融入課堂，取得良好的成效，教師要自主地了解物理學史，開拓自己的知識面。在選擇物理學史料時，要遵循科學性、真實性、適量性及適度原則。

參考文獻

[1]李寧.淺談物理學史在初中物理教學中的實踐作用[J].物理教學，2013（01）38-38.

[2]約翰·D·布蘭福斯特，安·L·布朗，羅德尼·R·科金，等.人是如何學習的：大腦、心理、經驗及學校[M].程可拉，孫亞玲，王旭卿，等譯.上海：華東師范大學出版社，2012：13+15.

[3]王高.融入物理學史培育核心素養[J].物理教師，2017，38（11）：26-30.

[4]蔣道平，徐飛.從哥白尼革命看科學精神的塑造——寫在《天體運行論》發表470周年之際[J].科學學研究，2013，31（09）410-425.

[5]楊福家.原子物理學[M].（第3版）北京：高等教育出版社，2000.

[6]李亞寧，張增一.科學研究中失敗與錯誤的價值[J].民主與科學，2011（06）：20-23.

[7]丁江鈴，謝元棟，紀煦.愛迪生與特斯拉之爭引入中學物理教學的意義[J].物理通報，2019（02）：115～116.

[8]陸良榮.滲透物理學史教育，提高課堂教學效益[J].物理教師，2017，38（06）：22-24.