在大学物理教学中培养科学世界观和积极人生观

朱世秋 贾贵儒 刘玉颖

摘  要：新时代大学教学的根本任务是“立德树人”。在“德育为先”的教育理念引领下，中国农业大学强调发挥专业课思政教育功能的重要性。物理学是研究物质结构、性质和物质间相互作用规律的学科，是自然科学的基础。大学物理教学在“立德树人”中具有学科优势。文章以物理学家们对太阳系和原子结构的认识过程为例，说明物理学在科学信念和科学世界观的建立中有不可替代的重要作用，同时说明科学的发展是不断否定再肯定的辩证过程，鼓励学生在探索真理的过程中不怕“犯错”，在不断纠错中发现真理、建立科学的世界观和积极的人生观。

关键词：大学物理教学;课程育人;世界观;科学信念

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）24-0082-03

Abstract： The fundamental task of undergraduate education in the new era is to "establish virtue and cultivate character". Under the guidance of the education philosophy of taking moral education as priority， China Agricultural University emphasizes the importance of professional courses teaching in cultivating students' ideological and political qualities. Physics， as the foundation of natural science， studies the structures and properties of matters as well as how they interact with each other. The teaching of college physics has its disciplinary advantages in establishing virtue and cultivating character. This paper takes physicists' investigation of the solar system and atomic structure as examples， demonstrating the irreplaceable importance of physics in establishing faith in science and scientific worldviews， at the meantime revealing that scientific development is a critical process consisting of constant refutations and confirmations. Thus， we encourage students to not be afraid of making mistakes in pursuing the truth， and to find truth and establish scientific worldviews and positive attitudes towards life in the process of self-corrections.

Keywords： teaching of college physics; cultivating qualities by courses; worldviews; scientific belief

物理學的研究内容和发展历程决定了物理学教学在培养学生科学信念、帮助学生树立科学世界观中具有独一无二的重要作用。我们把“德育为先”的教学理念渗透到大学物理学课程的教学环节中，进行了“大学物理学”课程育人教学模式的改革和实践，包括突出文化特色和人文情怀的教学模式[1]，突出学科交叉、培养学生科学思维和创新能力的教学模式[2]等，在激发学习兴趣、启发人文情怀、培养科学思维等方面，取得了较好的教学效果，被学校作为“课程育人”先进事例在全校宣传推广。同时，我们积极进行了物理学“课程育人”培养科学世界观和积极人生观的教学尝试。在教学中，按物理学发展时间轴，学习物理学家们探索真理过程中锲而不舍的信念和积极求索、永不放弃的乐观精神，新理论的发现和新试验的成功，以及对人类科技进步和文明的贡献，带给科学家的喜悦和人类社会的贡献，有利于培养学生积极乐观的情绪体验，塑造学生的积极人格，对提高思政教育工作的实效具有重大意义。[3]

我们根据教学内容把物理学家们寻找真理的事迹有序穿插于教学中，激发学生求知欲，帮助学生建立坚定乐观的求学信念、树立科学世界观。

一、物理学与世界观

物理学是研究物质基本结构、基本运动形式以及物体间相互作用规律的科学，是人类探索自然奥秘的过程中形成的学科。物理学中每一个新概念的提出、新规律的建立、新理论的诞生，都伴随着物理学家们艰苦卓绝的探索过程和追求真理锲而不舍的精神。他们的每一个新成就，除对人类社会发展和生活产生重大影响外，还能使人们看待自然和世界的观念得到更新、对社会和自我的认知得到提升。随着对自然认识的不断深入，人们的世界观随之不断改变。尤其是物理学在20世纪取得的惊人成就，改变了我们对空间与时间、存在与意识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言，使人类的生产方式、生活方式以及思维方式发生了深刻的变革，改变了人们对自然的认识理念。

从哲学的概念来讲，世界观主要指“一套信念体系”，且各条信念互相关联、环环相扣、连贯一致[4]。广义的物理学作为自然科学就是为了解答始终困挠人类的大问题：“我是谁？从哪里来？到哪里去？”。世界观是人们对整个世界以及人与世界关系的总的看法和根本观点，其实质即是从根本上去理解世界的本质和运动根源，解决的是世界是什么、为什么的问题，这正是物理学家们一直在探索解决的问题。在世界观和科学信念的建立过程中，物理学具有无可替代的作用。

二、培养科学世界观——大学物理“课程育人”教学尝试

教育的对象是“人”，不是“书”，教育的首要任务是“育人”。物理学对未知事物和世界做永无止境的探索，并且在探索的过程中为人们提供了研究方法和思维方式。物理学教学的目的不仅是让学生学会书本上的概念、定理和公式，更重要的是学习物理学家们在研究过程中积累的研究方法和思维方式，学习物理学家探索世界的精神，领悟物理精神和物理文化[5]，最终帮助学生建立坚定的科学信念、形成科学世界观和积极人生观。科学的世界观是积极人生观的基础，只有当学生具备了对自然世界的认知力，才能建立起对人生、对社会的正确认知，这是帮助塑造学生积极人格的重要基础。物理学家也具有人文情怀，金晓峰教授[5]所说：“科学和人文同是人类思考包括人在内的整个世界的方式，而引领人类不断求索的动力都是强烈的求知欲。这种强烈的“渴望求知”引领着科学和人文循着各自不同的轨迹，殊途同归地奔向对世界本质的追索”。物理学和人文科学相辅相成，承载着“立德树人”的历史使命。

下面以经典力学教学中对太阳系的认知发展和近代物理教学中原子模型的建立过程为例，说明物理学发展对人们的信念和世界观的重要影响，大学物理的教学过程即是“立德树人”的“育人”过程。

（一）经典力学教学中对学生世界观的培养

经典力学的核心内容是牛顿运动定律和万有引力定律。我们在教学中按经典物理学发展时间线穿插讲授物理学家们探索天体运行的过程，从“地球不動且是宇宙的中心”到“地球围绕太阳转”的转变，颠覆了人们对世界的看法，导致从亚里士多德时期到牛顿时期，人们的世界观发生了天翻地覆的变化。这其中，正是物理学家的不断观察、探索与实验，推动了人们科学理念的改变和世界观的建立。

1. 从哥白尼日心说的革新到牛顿世界观

17世纪之前，人们观察到太阳日复一日东升西落地围绕地球转，而在地面上的人本身无法感知到地球在运动，因此亚里士多德的信念体系占据了西方思想界的主导，其核心即为地球静止不动且是宇宙的中心，而他的信念体系正是形成同时代世界观的重要元素。直到17世纪早期伽利略发明望远镜，遥远的“天体”变得可以观测。通过观测得到的实证数据表明地球和其它行星都是围绕太阳转的。哥白尼发现，需要作出以太阳为中心的假设，行星轨道周期的计算才合理且准确。但是，此观点和基于亚里士多德宇宙观的罗马天主教基本教义相违背。他在去世前才得以发表他的论著，而且不出意外的引起了很大争议，他在《天体运行论》中，第一次提出了地球绕太阳旋转的日心说，否定了当时被广为接受的托勒密地心说。

亚里士多德世界观基于“天堂是完美的”这一信念，即行星以匀速在完美的圆周轨道上运动。而另一科学家开普勒对探索宇宙的蓝图充满激情，为回答他自己的“为什么上帝这样隔开各个行星，而不是用其它方式”的问题，他发现了“宇宙固有的规律”——开普勒三大定律。开普勒的天文学体系否定了亚里士多德的完美信念，揭示出行星在椭圆轨道上做变速运动，而不是在完美的圆周轨道上匀速运行。最后，牛顿以行星运行三大定律和万有引力定律完善了日心说的理论依据。新科学改变了人们的信念，亚里士多德“地球静止不动且是宇宙的中心”的信念体系瓦解，以牛顿运动规律为理论依据的崭新世界观成为了人们信念体系的核心。到20世纪初爱因斯坦提出的狭义相对论时空观，并不是否定牛顿力学建立的时空观， 而是对牛顿绝对时空观在高速下的修正和补充，与牛顿世界观的信念是互相兼容的。

2. 牛顿——科学家与思想家

在牛顿经典力学的教学中，我们更重要的是学习牛顿的探索精神。牛顿首次把天上和地上的运动联系在一起加以思考，并得出了整个宇宙中物体运动的统一理论，牛顿运动三定律和万有引力定律。从某种意义上说，这相当于创立了有关客观世界的一个全新秩序。一场由哥白尼、伽利略、开普勒和牛顿发动的“科学革命”将现代科学的种子遍撒欧洲大地，并让科学实实在在地成为了欧洲文化的重要基因[4]。奠定了西方科学技术和文化文明创新的基础。

牛顿是一位划时代的伟大科学家，在他之前，人类对自然规律的了解还非常有限，物理学和天文学体系不完整，数学作为物理学的工具也相对薄弱，整个西方世界的科学都以亚里士多德的物理学理论为基础。由于时代的局限，大多数结论都是定性而非定量的，有些结论甚至是错的。在牛顿之后，经典的物理学和天文学完全建立起来，人们对数学的认识从静止的变量上升到变化的函数。牛顿力学倡导的决定论观念表明，只要给出世界在某一时刻的完整描述，那么在牛顿运动规律的帮助下，过去和将来的任何事件都能被准确无误地描述出来，事物是可以被人知的。

牛顿不仅是伟大的科学家，也是伟大的思想家。他不仅用简单而优美的数学公式破解了自然之谜，而且还通过自己的伟大成就宣告了人类理性时代的来临。

牛顿向人们证明：万物是运动的，这些运动遵循着特定的规律，而万物运动的规律又是可以被人们认识的。牛顿的发现给人类带来了从未有过的自信。在牛顿之前，人类对自然的认识还充斥着迷信和恐惧，因此屈服于神权。而在牛顿之后，人类开始以理性的眼光对待一切已知和未知，上帝逐渐走下神坛，人类一步步地站了起来，最终导致了教会权威的逐步丧失。

无知是人类最大的敌人，当人类处于无知状态时，就难免陷入迷信和被奴役的状态。而当人们开始获得知识后，人类本身向上的力量就会引导自己走向自由，走向自信和乐观。

（二）近代物理教学中世界观的培养

在近代物理的教学中，以“原子结构”的发现过程为例说明科学发展是一个“排错”过程。人类对事物的认识过程也是一个“排错”过程，在教学中让学生领悟到这一科学信念的重要性，对培养学生积极的学习情绪、塑造积极健康的人格具有重要意义。

1. 从汤姆逊模型的西瓜模型到卢瑟福的行星模型

1897年，汤姆逊（J J Thomson）发现了电子。在这之前人们认为原子不可分，如今发现了带负电的电子，根据原子是电中性的，可以合理推测原子中必有一些成分带正电。于是，汤姆逊提出了西瓜模型：原子就像一个均匀带正电的西瓜，带负电的电子像瓜子一样镶在西瓜里面。然而，这个模型可以解释周期律，却不能解释光谱线。

汤姆逊的学生卢瑟福（E Rutherford）为了验证导师的模型做了散射实验，用α粒子去打击原子。卢瑟福按汤姆逊模型计算表明，如果用带正电的α粒子打进原子，会有一个不大的偏转角。可实验中α粒子打到原子后却是四面八方的散射，少数α粒子的散射角很大，有的甚至接近180°。显然，西瓜模型解释不了这一实验现象，汤姆逊原子模型被否定了。

1911年，卢瑟福提出了有核原子模型：原子中心是一个体积小、质量大的带正电的原子核，电子围绕原子核旋转，好像行星绕着太阳运转一样。这个模型能解释实验现象，但在解释周期律和光谱线时仍有问题，与经典电磁理论矛盾，根据经典电磁理论，电子围绕原子核旋转时产生辐射，能量会随之减少，造成电子旋转半径不断缩小，直到最终落在原子核上。因此卢瑟福原子模型是不稳定的。

2. 玻尔原子模型-分立轨道模型

1900年，为了解释黑体辐射困难，德国物理学家（M Planck）普朗克提出了能量量子化假设，并成功解释了黑体辐射实验规律，量子化概念开始进入近代物理学家的信念中。实验方面，当时积累了大量的原子光谱实验数据，物理学家发现原子的特征光谱中包含了有关原子结构的重要信息。为解决卢瑟福原子模型的困難，1913年丹麦物理学家（N Bohr）玻尔提出了氢原子的玻尔模型。在卢瑟福有核原子模型的基础上，玻尔提出3条假设：

（1）电子在绕核运动时，只有电子的角动量L等于h/2？仔的整数倍的那些轨道才是稳定的。即L=nh/2？仔。其中，h为普朗克常数;n称为量子数，轨道量子化。

（2）电子满足条件一的任一轨道上运动时，原子具有稳定的能量En，不辐射也不吸收能量，这称为定态。

（3）原子从一个能量En的定态跃迁到能量Ek的另一个定态时，辐射或吸收具有一定频率的光子，光子的频率是v=|En-Ek|/h。

根据玻尔定态跃迁原子模型，电子绕核旋转有许多分立的轨道，轨道角动量只能取一系列不连续的值，即轨道量子化。原子从能级En跃迁到能级Ek时，放出单色光。玻尔假说很好地解释了氢原子线光谱的规律。

3. 玻尔模型的发展-空间的量子化

索末菲（A Sommerfeld）对玻尔的氢原子理论作了发展[7]。索末菲认为，电子绕核旋转的轨道为椭圆轨道，轨道平面在空间取向方位不连续，只能存在一些不连续的特定方位，即空间的量子化。玻尔-索末菲的原子模型在一定程度上反映了原子内部运动的客观规律。但是，由于仍然应用了经典力学去研究电子轨道运动，尽管加上量子条件，还是没有跳出经典理论的范畴，没有摆脱轨道这一经典概念。

4. 电子云模型

最终由德布罗意的波粒二象性假设，实验也证明微观粒子具有波动性，才使科学界对原子、电子甚至光子等微观粒子的本质有了进一步认识。电子的波动性使原子的电子轨道概念失去了意义，而只能说在离开原子核周围空间某处发现电子的概率是多少，概率密度的分布称为电子云。玻尔模型中所说的电子轨道，只不过是电子出现概率最大的区域而已。物理学家们就是这样，通过假设-否定-再假设-实验-计算-肯定的不断“排错”过程，一步步揭开了原子结构的神秘面纱，向世人呈现真实的原子内部世界。

通过以上部分内容的教学，鼓励学生学习物理学家们勇于探索、直面失败的探索精神，不要因怕犯错误而不敢创新，不要因为暂时的失败而放弃。在科学发展史上总是可以看到，人们对世界的认知难免会有错误，这并不可怕。一个经常犯错但允许别人修正自己错误的科学家，也许比一个曾经正确但是不接受任何批评的所谓权威，更能促进科学的发展。

本文列举了经典物理学和近代物理学教学中的两个例子，说明我们在大学物理学教学中培养学生科学信念、科学世界观和积极人生观的教学尝试。在教学中通过科学家事迹、物理学发展历程的穿插教学，激发学生学习兴趣，培养学生客观积极的情绪体验，把科学世界观和积极人生观的培养作为“课程育人”的重要部分，取得了较好的教学效果。大学物理教学在培养“德、智、体、美”全面发展的高素质人才方面起着举足轻重的作用。

参考文献：

[1]朱世秋，李春燕，贾贵儒，等.突出文化特色的大学物理教学模式[J].物理与工程，2014，Z1：84-87.

[2]朱世秋，甘德昌，刘玉颖，等.大学物理学教学中培养科学思维与激发学习兴趣[J].物理与工程，2017（S1）：38-43.

[3]陈银平.积极心理学应用于高校思想政治教育的思考[J].高教探索，2015（7）：87-90.

[4]理查德德威特.世界观-科学史和科学哲学导论[M].李跃乾，张新，译.北京：电子工业出版社，2014.

[5]穆良柱.什么是物理及物理文化？[J].物理与工程，2019（1）：15-24.

[6]金晓峰.让科学精神根植于中国文化的基因[N].文汇报，2018-2-9.

[7]王少杰，顾牡，王祖源.大学物理学[M].北京：高等教育出版社，2018.