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物理学史在大学物理教学中的作用

作者:未知

   摘  要:物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史,它包含了物理学发展的一般规律。文章讨论在大学物理教学中引入物理学史的必要性,并从几个方面分析了物理学史在培养学生各方面素质起到的一些作用。
  关键词:物理学史;物理学美;科学研究方法;科学精神
  中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2019)11-0120-03
   Abstract: The history of physics is the history of human understanding of various physical phenomena in nature, and it contains the general laws of the development of physics. The article discusses the necessity of introducing the history of physics in university physics teaching, and analyzes the role of physics history in cultivating students' various aspects of quality from several aspects.
  Keywords: history of physics; the beauty of physics; scientific research method; scientific spirit
   随着科学技术的发展,学科中的交叉特征显著。物理学作为一门严格的基础学科,它的基本概念和基本理论已经渗透到其他学科和技术领域。学好物理是学好各自然科学和工程技术科学的前提。大学物理是工科大学生一门重要的基础课,它一方面为学生提供了后续课程的必要物理基础,另一方面能使学生初步认识现代科学研究的基本思想方法。然而,大学物理课程更多的是向学生讲授物理学定律及其应用,而忽略了这些物理定律的发现和诞生过程。这就导致了学生在对物理概念理解不深的情况下,经常是被动性地接受教材中直接给出的物理定律,缺乏对物理定律形成和发展过程的理解,从而使学生对物理定律有了误解,认为什么结论都可以由数学推导出来,将物理当做一门死板的学科,失去了对物理的兴趣。
  事实上,物理学在发展过程中,提供了丰富鲜活的史料。物理学史不仅包含着物理科学的产生和发展的过程,展现着物理学的美,也包含着科学家们探索研究过程中各种艰辛曲折,体现着科学家们可贵的品质。若能在日常的大学物理教学中随时穿插着相关物理学史的讲解,不仅能将学生的注意力拉回课堂,使学生了解物理学建立过程和各种科学研究方法,对物理科学有更深刻的认识,也能让学生走进科学家们的精神世界,培养其科学精神和科学品质。以下将从几个方面介绍物理学史在大学物理教学过程中的渗透式引入,以及其在培养学生素质起到的一些作用。
  一、引导学生欣赏物理学的美
  科学与艺术是人类文化长河的两个源头,都是人类社会实践的结果。艺术的美是直观的,通常可被人们所直接感受。物理学中的美是隐藏在表面下的理性美,是需要审美者通过逻辑思维来理解和想象,才能体会到的以简洁、和谐、对称和统一等形式所展现出来的美[1]。
  在物理学中并不缺少美的例子,而是缺少对美的揭示。在大学物理教学过程中,通过对物理学史的引入,引导学生体会物理学的简洁美、对称美与和谐美。利用各种例子,让学生认识到自然界除了各种表面可直接观察到的感性美之外,通过理性思考,可以感受到表面背后潜藏的各种理性美。物理学追求用简单的方程来统一地描述自然中纷乱纷杂的各种现象,如牛顿的力学方程、麦克斯韦方程组、薛定谔方程、狄拉克方程等等,这些方程从复杂的现象中抽象出简洁的本质,用来描述自然界中的各种运动和相互作用,极为深刻的体现了物理学的简洁美与统一美。
  在教学中讲到相应内容时,引入相关物理学史,可以让学生对这些伟大物理学家提出的高度统一优美方程有更深的理解,也能激发起他们学习的兴趣。例如讲到牛顿的运动方程时,介绍牛顿慢慢建立其三大定律和万有引力定律的历程,并举例说明天上、地下各种宏观物体的运动,无不包容在牛顿力学体系范畴内。让学生体会这样简单优美的方程却能够描述万物运动这样简单的深邃美。在讲到电磁学内容,可介绍麦克斯韦在前人基础上以深邃的洞察力建立起电磁场理论的方程组,并从他的方程组出发推导出电磁波的速度,惊奇地发现电磁波与真空中的光速相同,从而做出光就是一种电磁波的假设,随后赫兹在实验中证实了麦克斯韦的假设。光和电磁这种之前看起来完全不相关的东西,竟然是同一个东西,并且都能由简洁优美的一个方程组来深刻描述。在课堂教学中,可以引导学生理解这种物理学的高度统一和内在自洽性,让学生体会物理学的和谐美。
  物理学中还处处存在着守恒与对称美。学生在高中阶段已经学过能量守恒和动量守恒定律,对其也较为熟悉。在大学物理中,讲授到角动量守恒时,可以介绍女数学家诺特所提出的诺特定理。诺特定理称每一个守恒定律都有一个与其相对应的对称性,能量守恒定律来源于时间平移对称性、动量守恒定律来源于空间平移对称性、角动量守恒定律来源于空间选择对称性等。当学生了解到自己很熟悉的各守恒定律背后更深刻的是对称性时,必然会对物理学中的对称性产生很大兴趣。再从通常表面上物体对称性所呈现出的美,引导学生细心体会物理学中形式上的对称性、性质上的对称性、以及规律上的对称性等各种对称美。
  通过物理学史中的各种例子,引导学生去发掘和欣赏物理学的各种美,使学生在学习过程中感受到物理学的魅力,从而激发学习物理的兴趣。
  二、帮助学生树立正确的科学研究方法
  学生在高中阶段和大学低年级学习过程中,教材上给出的都是前人经过多次精简形成的完善的理论体系。而在物理课堂教学上,教师往往也只注重讲授物理定律的理解和应用,学生缺乏对这些定律产生过程的了解。事实上,每个基本物理概念和物理定律的产生都是无比艰辛的,除了需要多年的知识积累、许多人走过无数的弯路、还需要某个天才灵感突发的临门一脚,最终才能慢慢完善其中某个正确的科学结論。   在課堂教学时渗透着介绍相应的物理学史,可让学生充分了解物理学家们如何发现问题,如何思考问题,以及走了哪些弯路,最终采用了什么方法来解决问题。例如,力学发展的早期,伽利略发现了亚里士多德理论中物体下落速度与物体重量成正比的错误结论,做了比萨斜塔的落体实验和斜面实验来验证自己的想法,并出版了不朽著作《两门新科学》。后人在研究伽利略的著作及其信件中,总结出伽利略研究运动学的方法。伽利略把实验和理论结合在一起,既注重逻辑推理,又靠实验验证,其方法大致如下:对现象的一般观察,接着提出假设,再运用数学和逻辑进行推理,通过实验进行验证,最终形成理论。爱因斯坦对伽利略评价极高,认为伽利略所采用的科学研究方法被广泛采用之后,才有了物理学发展的开端。在讲授力学知识时,对伽利略所发展的研究方法的介绍,可让同学了解早期物理学发展历程,更重要的是让同学们知道物理学是一门理论结合实验的科学。只有在实验的基础上建立起的经得起检验的理论,才能由表及里对客观事物有正确的认识。
  在介绍物理学史时,要提醒同学们物理学的研究方法不是唯一的,既有先提出理论假设,然后通过实验验证理论的正确性;也有在实验中发现了新现象,为了解释新的实验现象,而发展了新的理论。例如前面提到的,伽利略是先提出假说,然后实验验证,最终完善理论;麦克斯韦在统一电磁学理论过程中,也是先提出了位移电流,建立了方程组,又从方程组预言光是一种电磁波,而后赫兹证实了电磁波的存在。这都是属于先理论后实验的例子。而在另一方面,物理学史中也有许多先实验后理论的例子,比如在给学生讲量子力学时,介绍量子力学的诞生过程,是由于黑体辐射和光电效应等现象用经典物理学办法解释,从而普朗克提出能量量子化假设、爱因斯坦提出光子论等,这导致了早期量子论的诞生。
  通过物理学史中一些实例的介绍,让学生清楚物理学是理论与实践相结合的学科之外,还需要同时注意介绍一些常用科学研究方法,如假说、归纳、演绎、类比、综合等。物理学的各种研究方法和思维方式影响着许多其他领域,掌握这些方法,对学生今后的学习和工作有着重要的作用。
  三、培养学生的科学品质和科学精神
  物理学史中除了包含物理学发生和发展的基本规律、物理学的思想发展和变革,还包含着无数科学家在探索科学中所体现出的坚韧不拔、勇于创新、不畏艰难、以及为科学献身的精神。爱因斯坦曾经说过:“科学对于人类事务的影响有两种方式。第一种方式是大家熟悉的,科学直接地,并且在更大程度上间接地生产出完全改变了人类生活的工具。第二种方式是教育性的,它作用于心灵。尽管草率看来,这种方式不大明显,但至少同第一种方式一样锐利。”物理学史是一块蕴藏着巨大精神财富的地方,发掘这些精神财富并从中吸取营养,对学生有重要的科学教育意义[2,3]。
  在课堂教学中,穿插着介绍一些物理学家的小故事,不仅能吸引学生的课堂注意力,更重要的是让学生体会物理学家们成长道路和为人处世。物理学家们对待困难和逆境的态度、对名誉地位的看法、顽强不懈和努力拼搏的毅力、为人类和国家的奉献精神等等,都值得我们学习和借鉴。
  物理学史上从不缺乏物理学家们坚韧不拔和艰苦奋斗的例子,从为了捍卫“日心说”,被关进监狱审讯长达八年的布鲁诺,到为了测量热功当量而耗费二十余年,做了四百多次实验的焦耳;从埋头实验室五十余年之久,测量引力常数和验证电力平方反比定律的卡文迪许,到花费三年多时间从成吨矿渣中提炼出0.1克镭,并且因此受到放射性元素危害而献身科学的居里夫人;从出生在贫苦铁匠家庭而历经艰辛,坚持十余年矢志不渝探索电磁感应现象的法拉第,到全身瘫痪必须通过语音合成器与人沟通,仍在宇宙学做出重要贡献的霍金。科学之路是无数物理学家用才智和心血铺就的,教学中利用物理学史丰富的素材,让学生走入物理学家们的内心世界,可以培养学生吃苦耐劳的精神。
  物理学的发展史也是一部不断否定和创新的历史,在日常教学中,引入相应的物理学史,展现一些物理学家勇于打破权威和大胆创新的史料,也可以引导学生培养自己的批判和创新意识。例如,在课堂教学中讲到牛顿力学时,可以介绍马赫对牛顿绝对时空观的批判,爱因斯坦对马赫的批判精神有高度的评价,把他称为相对论的先驱。而爱因斯坦本人更是充满了批判与创新精神,狭义和广义相对论完全颠覆了牛顿力学,并把牛顿的力学体系纳入了相对论范畴。相对论以极具创新的理论改变了人类对宇宙的认识。在量子力学创建过程中,各种创新思想和概念更是层出不穷,如能量量子化假设、波粒二象性等等,其诞生历史就是一个极具创造力的历史。若在给学生讲授量子力学过程中,融合各种物理学史料介绍这段历史,其中各种革命性的思想将会给学生带来一定的冲击,鼓励学生的质疑和创新精神。此外,物理学史中丰富的素材,对学生正确人生观和价值观的树立也可起到启示和塑造的作用。
  四、物理学与其他学科的联系
  物理学是一门基础科学,也是在不断发展中的科学。它是许多科学和技术的基础,提供了许多新技术更新发展的理论依据。课堂教学中引入物理学史的介绍,可以使学生对物理学与技术之间的关系有深入的认识。由于学习大学物理课程的基本上是工科专业的学生,让学生明白物理学是各种工程技术的基础,并且和学生们今后的专业课程紧密相关,也会激发学生学习大学物理的热情。
  大学物理课程包含了力学、热学、光学、电磁学等经典物理学的内容,对相对论和量子力学也有简单的介绍。这些内容理论体系已经完善,现代科技的发展也基本离不开这些内容。在课程中渗透相关物理学史的内容,会使学生对本专业的知识脉络有更清晰的认识。例如在讲授电磁学内容时,可以介绍电磁学发展历史和在现代科技中的作用,现在人类生活中的一切电器,包括手机、电脑、通信设备等等,无不是以电磁学理论作为基础发展起来的。在认识到光是一种电磁波之后,光学在许多方面的技术应用,其基础理论依据也是电磁学理论。力学更不必说,在牛顿力学诞生的几百年时间里,人们已经发展出流体力学、弹性力学、分析力学等分支,并广泛应用在人类生活的各个领域。人类文明同样也广泛受益于热学在实际中的应用,热学发展的早期就伴随着热机的出现,有了蒸汽机的发明,才有了第一次工业革命,而到现在的各种内燃机、冰箱、空调等,也都依赖于经典热力学的基础理论。此外,在上个世纪量子力学诞生后,以量子力学为基本理论基础,才有了激光技术、超导技术、纳米技术、半导体技术、晶体管的发明等,这些科技的发展,极大地促进了人类文明的发展。通过对物理史料的讲解,让学生懂得物理学的重要地位,学生才能端正学习态度,认真学好物理。
  此外,在引入物理学史时,还应提醒学生物理学与其他自然科学的关系。数学是物理学用来描述自然的工具,没有数学,就没办法严格精确的表达自然规律。例如,没有微积分,牛顿就无法得出万有引力定律;没有统计学,也就很难发展出分子运动论,没有黎曼张量,广义相对论也不能完善。物理学与化学、生物学、地质学等学科结合,也产生了一些很有生命力的学科,如物理化学、生物物理、地球物理等等。通过这些内容的介绍,可以让学生开阔眼界,了解物理学在整个科学发展史中的重要地位。
  五、结束语
  在课堂教学中引入物理学史,有利于帮助学生理解物理学发展的规律,加深对物理概念和物理定律的理解,并进一步发现物理学的美、了解物理学科特点、以及物理学和技术的关系,引导学生树立正确的科学研究方法、培养学生的科学品质和科研精神。但是也应该注意到,物理学史的引入并不能代替物理的课题教学,它应该只是起到辅助作用,让学生通过对物理学史的了解形成促进自己前进的动力。
  参考文献:
  [1]沈致远.科学是美丽的:科学艺术与人文思维(第2版)[M].上海教育出版社,2004.
  [2]董彦.利用物理学史培养学生的核心素养[J].物理教学探讨, 2016,34(8):4-7.
  [3]李艳平.物理学史与科学素质的培养[J].物理通报,1998(10):9-11.
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