物理学史课程的教学改革与实践①*

刘云虎 曹海宾

(石河子大学理学院物理系 新疆 石河子 832003)

邵建新

(石河子大学师范学院课程与教学系 新疆 石河子 832003)

物理学是一门自然基础学科，其研究内容大体上可以分为两大领域：探索物质微观结构学科和研究物质相互作用、相互转化规律学科．按照具体研究对象又可分为力学、热学、光学、电学、磁学等，内容丰富，层面广泛，分支繁多．物理学史则主要研究物理学产生和发展的基本规律；物理学概念、思想的发展和变革过程；物理学科各分支之间的相互渗透；物理学与其他学科之间的相互联系；物理学的发展与社会背景的关系等．从这个层面来说，物理学史是一门文理渗透的课程，既具有数理学科逻辑严密、实事求是的特征，又具有哲学社会科学学科缜密分析、深入探索的特征．

物理学史对于物理学专业的本科生来说具有非常重要的作用．突出表现在以下几个方面．

(1)阐明理论和实践的关系．物理学是实验学科，强调实验的意义，但并不否定理论的重要性，只有在实验的基础上建立了正确的、经过实践检验的理论，才能达到对客观事物的规律性认识．在物理学的发展过程中，很多事例都能够充分证明这一点，从而也就能够使学生对实验和理论的认识更加深刻．

(2)掌握科学的思想方法论．纵观整个物理学的发展过程，很多优秀的科学家做出了巨大的成就．在取得这些成就的背后，除了科学家自身勤奋的因素外，他所具有的科学的思想方法也是非常重要的一个因素．通过讲解翔实的历史资料，总结出科学的思想方法，如果学生能够掌握这些科学的思想方法论，这给他们今后在物理学领域的发展提供了一盏指路明灯．

(3)培养学生高尚的科学素养．在物理学的发展过程中，无数的科学家前仆后继，勇于奉献，勤于探索．在他们身上，除了具有对科学的勤奋追求之外，更多地还体现出崇高的人格魅力．这对于引导大学生形成积极向上的人格具有很大的感染作用．

(4)加深对物理学各专业课程的认识．对于物理学专业的学生来说，专业课程非常重要，如理论力学、电动力学、量子力学等．但学生对于这些课程的掌握局限于这些理论是什么样子、有什么应用，但对于理论是如何产生的、其背后有什么物理思想无从得知．物理学史的学习可以很好地弥补这一点，对理论产生的来龙去脉，其具有的物理思想等都可以详加阐述，使学生知其然，更知其所以然．

目前在物理学史课程的教学中，或多或少出现了一些问题．大部分学生重视专业课程的学习，认为物理学史这类课程是可有可无的鸡肋，对课程的认识产生了偏差；该课程具有的文科课程性质，使得一些学生学习起来觉得枯燥无味；对该课程的学习限于幽默、风趣的历史事件，缺乏对事件进行分析、总结的能力．在担任物理学史课程主讲教师的几年时间里，针对学生在学习过程中出现的问题，从教学内容、教学方式、教学思路、考核方式等几个方面对该课程进行了一些改进和实践，从学生的反馈效果来看，教学效果有了显著的提升．

1 教学内容的选取

物理学史课程的学时没有明确的限定，那么任课教师就需要根据具体的学时数来安排授课内容．文献[1]的主要内容包括：经典物理学的发展，19和20世纪之交，实验新发现和现代物理学革命、相对论和量子力学的建立与发展、20世纪物理学各个分支的发展过程等．文献[2]则叙述了从古代巴比伦时期至1925年物理学发展的重要历史事实，译者还加上了中国物理学的发展简史，从而大大地丰富了该书的内容．文献[3]讲述了中国物理学发展史、古希腊和中世纪欧洲人对物理现象的认识、经典物理学的建立过程、20世纪初期相对论和量子力学的建立过程．文献[4]系统论述了物理学发展史，包括古代物理学、经典物理学和现代物理学，书中对20世纪物理学及其思想方法的论述尤为深入．由文献[5]采用三层次的结构：第一层次，在每章的概述或引言中，对物理学的该分支学科历史梗概作简要介绍；第二层次，在随后的几节，重点讲述该分支学科中主要的物理事件的发生和发展，以及物理学家的贡献；第三层次则是每章最后的案例剖析或专题研究．

从近几年出版的这些教材中可以发现，物理学史大体上可以分为四大部分：

(1)中国及西方古代物理学发展史；

(2)经典物理学发展史；

(3)近代物理学发展史；

(4)现代物理学发展史．

随着培养方案的变化，笔者曾讲授过32课时、36课时、48课时和54课时的物理学史．这四部分的学时比例可按照1∶6∶4∶2来分配．课时紧张时，建议精讲中国物理物理学发展史里面的部分内容，重点讲解经典物理学发展史和近代物理学发展史；课时较宽裕时，可适当增加现代物理学发展史的课时，通过物理学前沿发展的介绍，激发学生的好奇心和学习兴趣，引导学生对自身发展找到一个合适的定位．

2 教学手段的改进

从物理学史的课程性质来看，该课程适宜多媒体与板书相结合的教学手段．相对于传统的教学，多媒体教学具有形象直观、生动便捷、教学成本低等多方面优势，其随机性、灵活性、全方位和立体化的信息呈现方式对于优化课堂环境，提高教学质量能起到很好的作用．

对于物理学史课程的多媒体课件的制作既要针对物理学史的课程性质，又要结合多媒体课件的制作原则，文字内容要简洁，以提纲式为宜．但是对于多媒体授课来说，一些问题也是比较常见的，要尽量注意避免．

(1)缺乏交流.不能充分发挥教师的授课积极性；

(2)互动不够.不能充分调动学生的学习积极性；

(3)追求形式，不求效果，本末倒置．就目前而言，采用多媒体与板书相结合的教学手段是最合适的一种方法．

3 教学方法的转变

3.1历史倒叙先入为主

如果讲课的时候按照历史发展前后来讲的话，容易引起学生的疲劳感，对于学生也没有好奇心而言．所以，必要的时候可以适当地调整教学内容的顺序，从后向前，由浅入深．

在这里建议采用文献[1]提出的6问题模式，提纲挈领，层层深入．在学习一个事件的发展过程中，先给出结果，再引导学生回答以下问题.

(1)为什么(WHY)？一个物理学事件的发生，必定有其历史背景和定因．

(2)是什么(WHAT)？该事件有何意义？对物理学的发展有什么作用？

(3)什么时间(WHEN)？该事件发生在什么时代？有什么历史背景？

(4)是谁(WHO)？为什么是这位科学家做出的这些成果？

(5)在哪里(WHERE)？为什么在这个国家，这个地方？而不是其他国家、其他地方？

(6)怎么样(HOW)？该科学家成功的关键是什么？经历过什么样的奋斗历程？对我们有什么启示？

以能量守恒定律为例，可如图1所示设置问题．

图1 能量守恒定律六大问题

3.2 适时取舍变换主线

对于具有历史性的课程，一般都是按照时间主线来进行讲解，这种方式容易造成授课内容的单一．在教学过程中，可以选取合适的教学内容变换教学主线．

例如在经典电磁学发展史部分，可以采用大事件为主线，该部分内容可以分为以下几个大的事件：对电磁的早期认识；电荷守恒定律的建立过程；库仑定律的建立过程；欧姆定律的建立过程；安培定律的建立过程；法拉第电磁感应定律的建立过程；麦克斯韦电磁场理论的建立过程；实验上的验证过程及其应用．该部分内容以大事件为主线具有以下几个优点：教学思路清晰；科学的思想方法论贯穿其中，达到“以史带论”的效果；全方位讲解，内容更为形象、生动，调动学生的学习积极性．

在相对论发展史部分，可以采用关键人物——爱因斯坦为主线，从其出生、成长到取得巨大的成功再到最后逝世的过程，将相对论的发展史融于其中．采用这种教学方法，使我们能够追溯关键人物的思想转变过程，更容易把握相对论的基本本质；同时，关键人物的生平介绍使得内容丰富、生动，富有立体感；最后，通过学习关键人物的奋斗过程，使学生感受大师的风范和人格，这有助于学生完善自己的人生目标，提高自身素质．

4 教学模式的改变

对于该课程，如果一味采用“填鸭式”教学容易造成学生的倦怠和疲劳感．根据前期调查问卷的结果，在课堂教学中可以适当引入学生参与的元素和专题讲座的形式．

可以选择一个有意义的历史问题，让学生自己搜集文献资料，然后在课堂上发言表达自己的观点或者集中讨论，教师可以起辅助作用，引导学生的思路和话题，逐步深入，得到最终结论．一般时间控制在15～20 min为宜．在经典力学发展史部分，可以引入“为什么伽利略没有发现宇宙引力？”[6]这个问题，引导学生逐步分析原因，使学生能够了解历史的同时，也能够掌握到物理学的发展还会受到社会因素和经济因素的制约，同时也能够使学生逐步明白牛顿之所以成功与其自身的科学素质具有很大的关系．

在学生参与探讨的过程中，学生对于物理学的一些新兴理论表现出了浓厚的兴趣，像弦理论、大型强子对撞机、平行宇宙、宇宙大爆炸理论等．学生在准备资料的同时，能够接触到这些理论的发展过程、预期解决的问题、理论本身尚存在的问题等，一方面能够激发学生的学习兴趣，另一方面能够使学生了解物理学的前沿发展趋势，确定今后的发展方向．

专题报告可以把某一个问题集中进行讲解，由基本理论层层展开．例如,德布罗意物质波理论非常简单，但是它却是量子力学和相对论形成的桥梁[7]，对于该部分知识就可以作为一个专题的形式由浅入深介绍量子力学和相对论的发展基础．

而对于物理学前沿学科领域的发展史可以由相关研究领域的专家或者本系其他教师给学生做一场专题报告，既能够使学生了解该理论的发展过程，更能够使学生掌握该理论的发展趋势．

5 考核方式的改变

由于该课程具有文科的性质，对于物理学专业的学生来说，关键问题不在于学生能够记住在什么年代发生了什么事情，而是要从基本上把握住理论发展的前因后果和科学的思想方法论．为达到这样的目的，就需要对考核方式进行一下改变．首先，平时作业从单纯的书面作业逐步演变到一些验证性实验，例如,可以让学生自己动手制作指南鱼、用类比法验证库仑平方反比定律等．其次，多布置一些开放性的作业题目，例如,让学生搜集著名物理学家的名言警句．这个题目看似简单，学生能够增长一些基础知识，更深层次的则是希望学生通过搜集名言警句，能够自发地去寻找名言背后的物理背景，蕴含的物理思想，表现出的人格魅力等．

对于期末考试，从最开始的书面闭卷考试首先变化到书面开卷考试，但是效果不是很理想，现在采用课程论文的形式相对来说效果要好一点，学生也乐于接受．通过论文的书写，使学生初步了解论文的写作过程和写作方法，为毕业论文奠定基础．但是论文的难易程度要把握到位，紧扣课程目的．例如往年采用的一个题目“思想方法论在物理学发展中的作用”，从上交的论文来看，题目有些偏难，但大部分学生完成得还是相当不错．同时，对于课程论文的书写一定要有明确的书写规定、论文结构、字数要求和评分标准，尽量避免分数的随意性．

6 结语

鉴于物理学史课程目前的教学状况及课程自身的重要性，在课程调查问卷反馈结果的基础上，主要从教学内容、教学手段、教学方法、教学模式和考核方式等方面，在实际的教学过程中进行了探索．从实施效果来看，学生评教成绩从三年前的89分提高到现在的95分；学生的平时出勤率从90%左右上升到约99%；期末考核成绩平均成绩提高到80分左右，不及格率在5%以下；近两年的毕业生中，选题和物理学史相关的学生共有5人，完成得都很出色．以上的效果能够说明对于该课程教学方面的各项改革还是具有一定的积极意义，当然，对于教学的探索是永无止境的，希望该文能够起到抛砖引玉的作用，对大家的课程教学有一定的帮助．

参考文献

1 郭奕玲，沈慧君.物理学史.北京：清华大学出版社，2005.2～3

2 弗·卡纳里，戴念祖.物理学史.桂林：广西师范大学出版社，2008.1～2

3 胡化凯.物理学史二十讲.合肥：中国科技大学出版社，2009.1～2

4 李艳平，申先甲.物理学史教程.北京：科学出版社，2006.1～2

5 青峰.简明物理学史.南京：南京大学出版社，2007.1～2

6 J. Needham. The Grand Titration: Science and Society in East and West. Toronto: university of Toronto Press, 1969. 235～236

7 A. Elitzur, S. Dolev. Becoming as a Bridge Between Quantum Mechanics and Relativity. London: World Scientific Publishing company, 2005. 124～125