借助電磁學史培養學生的科學思維與科學美學觀念

丁學成 馮曉敏

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071000)

電磁學是面向理工科學生開展的一門十分重要的基礎課程，在培養學生學習方法和思維方式中起著關鍵作用.然而，傳統教學過程往往過多強調已有知識的傳授，對物理定律的建立過程關注不夠，這就導致多數學生僅處于一種被動接受知識的狀態，主動學習意識不強.電磁學史的缺乏還可能導致學生對物理定律建立過程的理解出現偏差，不利于培養學生的自主學習方法和科學思維.例如，如果學生不了解電磁學發展的歷史，往往會認為法拉第(Faraday)電磁感應定律的定量表達式是由Faraday給出的；兩電荷之間的作用力與兩者之間的距離平方成反比是Coulomb實驗直接給出的；變化的電場產生磁場是由理論推導得出的.然而事實上，Faraday電磁感應定律的定量表達式是由諾依曼(Neumann)和韋伯(Weber)先后給出；兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比最初是由普利斯特里(Priestley)利用類比的方法猜測的，庫侖對此結論進行了驗證；變化的磁場產生電場也是Maxwell在沒有任何實驗依據的情況下預言的.因此，在電磁學的教學過程中適當地引入電磁學史是十分有必要的.一方面可以豐富學生知識，開闊學生視野，讓學生準確地獲知物理定律的產生過程.更主要的是，電磁學史再現了科學家在創造物理定律過程中所采用的物理思想和科學研究方法，對激發學生的學習興趣，培養學生的科學創新思維和科學美學觀念起到卓有成效的作用.

1 通過學習Coulomb定律建立的歷史過程培養學生科學思維

由Coulomb定律建立的歷史過程可以看出，一個物理定律的建立需要經歷以下過程：發現新現象，猜測形成原因，做實驗驗證，定義新的物理量，建立新的物理定律，給出定量表達式，討論成立條件、適用范圍及理論地位等.對于Coulomb定律而言，發現靜止電荷之間存在相互作用力之后，Priestley猜測電場力與距離的平方成正比，Coulomb利用電斥力扭秤實驗和電引力單擺實驗證實了Priestley猜測的正確性，隨后定義了“電量”這個物理量，并推導得到Coulomb定律的描述形式，最后討論成立條件、適用范圍及理論地位等.

通過了解Coulomb定律建立的歷史，學生能夠真實感受到物理規律的產生、形成和發展的過程，明確科學研究的思路，學會自主學習和思考，對培養學生的科學思維有一定的促進作用.

2 通過學習Maxwell方程組建立的歷史過程培養學生科學美學觀念

偉大的英國物理學家Maxwell總結前人的經驗，將當時已知的Coulomb定律、高斯(Gauss)定律、安培(Ampere)定律和Faraday電磁感應定律用數學語言表達出來

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這就是著名的Maxwell方程組的雛形，其表達形式與目前用參考書[2]中的寫法有一些區別，是由于該方程組是在真空條件下得到的，且使用了不同單位制的結果.觀察此時的Maxwell方程組，它不僅完美地給出了電磁場的規律，而且在形式上具有著一種令人心儀的對稱美，被愛因斯坦譽為“牛頓之后，物理史上最重要的發現”.值得指出的是，上述方程組中，Maxwell是在沒有任何實驗的基礎上，僅從對稱美的角度就大膽地提出假設：既然變化的磁場能夠產生電場，那么變化的電場也應該產生磁場[3].這個假設的正確性后期被赫茲(Hertz)通過實驗加以證實.

Maxwell為什么僅依據對稱美就能夠得到正確的結論呢？從物理定律的層次來看，Maxwell方程組是統帥整個電磁學的定律，而對稱性原理是物理學中的憲法，是跨越物理學各個領域的普遍法則[4].由此可見，對稱性原理的層次比Maxwell方程組要高，根據高層次的物理定律來構建物理定律是合理的.從科學美學觀念來看，科學研究總是將求真與求美統一起來的，其動力主要源于美.正如外爾(Weyl)曾說：“我的工作總是力求把真和美統一起來，但是當我必須兩者選一時，我通常選擇美.” 由此可見，科學研究的最終目標是求美.Maxwell給出的具有對稱形式的Maxwell方程組，就是憑借審美直覺，依據對稱美提出來，最終被Hertz證實是真的理論.正如濟慈(Keats)所說：“凡想象為美的東西必然是真實的——不管它以前是否存在.”

在電磁學教學中，大量的數學公式會讓學生感到枯燥，而學生對大自然的美是容易感受到的，這種美的某些方面為科學所共有，如對稱美、簡單美及和諧美等.如果能夠借助物理學史，突破傳統觀念束縛，將科學美學觀念引入到教學中，那么會促進學生在學習客觀規律的同時發現物理學的美，賞識物理學的美，從而達到激發學生學習興趣，提高學習效率的目的.

3 結束語

本文通過Coulomb定律和Maxwell方程組建立的歷史過程介紹了電磁學史在培養學生科學思維與科學美學觀念，以及提高學生學習興趣等方面的積極作用.Coulomb定律建立的歷史過程包含了物理定律建立的所有步驟，是培養學生科學思維的一個典型實例.而Maxwell方程組建立的歷史過程體現了對稱在物理學中的重要性，是引導學生欣賞科學美，提高學生學習興趣的一個重要途徑.