浅谈物理学史在大学物理教学中的作用

徐俊敏 李欣

[摘 要] 物理学史具有丰富的内涵，是人类对自然界各种物理现象的认识，是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，是人类文明的一部分，但物理学史在大学物理教学中经常因为种种原因被忽略。在大学物理教学中适度引入物理学史，有助于激发学生学习物理的兴趣，有助于科学精神的培养以及帮助学生树立正确的人生观和价值观。

[关键词] 物理学史;科学精神;大学物理教学

[作者简介] 徐俊敏（1986—），男，安徽芜湖人，郑州大学物理学院，博士，主要从事新能源材料与器件及大学物理的教学科研工作。

[中图分类号] G642.1    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0329-03    [收稿日期] 2020-02-10

一、引言

从物理学科的发展来看，物理学包含两类重要的知识体系，一类是物理学的研究成果，即经过长期的历史积淀，凝聚了无数科学家的智慧所形成的物理概念、规律和理论，我们可以称之为静态的知识体系;另一类是物理学的研究过程，这其中不仅包含科学家在探索、发现自然规律和构建物理知识大厦的过程中，各种理念、方法和技术的创新，还包含美学、哲学、方法论等人文科学的诸多内容，我们可以称之为动态的知识体系，即物理学史。[1]

物理学史具有丰富的内涵，是人类对自然界各种物理现象的认识，是人类文明的一部分。在大学物理教学中，物理学史有着广泛的应用前景，与各个学科联系十分紧密。将物理学史融入物理课堂能促进学生的全面发展，在物理知识教学、科学精神和创新思维的培养，激发学生学习物理兴趣以及树立科学人文等方面发挥着至关重要的作用。

二、物理学史对中学物理教学的作用

1.有助于激发学生学习物理的兴趣。在物理课堂中适当渗透物理学史能提高学生学习物理的兴趣。孔子曾说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，一切有成效的工作都是以某种兴趣为先决条件的。只有学生对物理产生浓厚兴趣，才会发现生活中许多有趣的现象可以用物理知识解释，才可以真正理解学习物理的重要性，明白物理是自然科学许多领域和工程技术的基础。但是，初中高中阶段的物理教科书，所呈现的基本概念、基本定律和基本理论被浓缩成了若干条精炼的语言，隐去了曲折复杂的思维过程，学生学习的是枯燥的概念和公式，然后做习题应付考试。对于物理学家，学生只能通过具体的物理定律或公式前面科学家的名字去了解，这会使学生觉得物理知识很死板，从而厌恶它。学生从高中过渡到大学，理工科的学生开始学习大学物理课程。大学物理课程不仅包含力学、热学、光学、电磁学、原子物理学等经典物理学内容，而且对量子力学和相对论也有简单的介绍。这些理论体系与其他学科的联系十分密切，为许多新技术的完善提供了理论依据。学好大学物理可以使学生对自然界的各种现象做出合理的解释，甚至可以使理工科的学生在他们的专业领域有新的突破。物理学是一门与其他学科联系十分密切的科学，想要学好这门学科，要求学生拥有良好的数学物理基础。然而大学物理课程是面向非物理专业没有受过系统数学物理训练的大学生所开设的，学生在学习这门课程时会感到很吃力，甚至会失去学习物理的兴趣。所以在大学物理教学的过程中，首先要提高学生学习物理的兴趣。为了提高学生学习物理的兴趣，使学生对物理概念、定律等有更深刻的理解，让物理为其他学科服务，这就要求教师在课堂教学中适当引入物理学史，让学生知道物理是一门理论与实验紧密相连的学科，让学生慢慢爱上物理。

2.有利于学生对物理知识的掌握与理解。《人是如何学习的》有精确论述：“学生带着有关世界如何运作的前概念来到课堂，如果他们的初期理解没被卷入其中，那么他们也许不能掌握所教的新概念和信息，否则他们会为了考试的目的而学习它们，但仍会回到课堂之外的前概念。”[2]学生在初高中阶段的学习过程中，教材上的知识都是前人经过多次推敲提炼出的完善的理论体系。而在物理课堂教学中，教师往往也只注重讲授物理定律、公式的理解和应用，想让学生尽可能地考高分，学生填鸭式地接受并背会这些定律、公式。由于学生缺乏对这些定律公式产生过程的了解，不利于学生对物理知识的掌握和理解，学生在中学物理课程结束后，遇到一些与日常生活有关的物理现象时，仍然会陷入课堂之外的错误前概念，认为肯定是重的物理下落更快。所以在大学阶段，在讲授大学物理课程中的重难点知识时，对学生进行必要的知识形成过程的介绍，可以使学生打破课堂之外的前概念，体会到物理知识在社会生活中的价值，有利于学生对物理知识的掌握与理解。例如：在讲原子动力时，如果学生死记硬背原子的结构是由原子核和核外电子构成，不仅会使学生感到乏味，而且不利于学生对知识的理解和掌握。但是如果适时在课堂中渗入原子物理学史，却可以达到事半功倍的效果。教师可以从古希腊原子论，原子是不能再分割的最小单位开始引入;到1897年汤姆逊利用陰极射线管发现了电子，说明原子是可再分的;再到密立根测出了电子电量，卢瑟福利用氦核散射实验证实了枣糕模型不成立，发现了原子的核式结构;最后到查威克发现了中子，以及人们又发现了远比质子小得多的几种基本粒子。通过原子物理学史的引入，可以使学生理解和掌握原子不是构成物质的最小单位，原子由原子核和核外电子构成，原子核又由质子和中子组成等基本理论。

3.有助于培养学生的科学精神和创新思维。科学精神是一种老老实实的态度，实事求是是最起码的要求;科学精神是一种批判的态度，要对自己和别人所作的研究无一例外地进行严苛的审查，不承认任何万古不变的教条;科学精神是一种变革的勇气，随时准备否定那些似乎是天经地义的断言，并接受那些好像是离经叛道的观点。[3]

中世纪“地心说”是神学教义，称自然界是由上帝创造和支配的，把地球置于宇宙的中心。但是，有一天哥白尼突然发现太阳每天升起和落下的地方不一样，于是，他就留心观察太阳每天升起和落下的地方。经过一年的观察，他发现在每年的第一天，太阳升起和落下又回到了原点。他开始对地心说产生了质疑，经过分析和推演，创造性地提出了“日心说”这一新的宇宙观，并写出了《天体运行论》一书。《天体运行论》发表以后，立即遭到了神学界声势浩大的围攻，著名的宗教改革家马丁·路德（1483—1546年）骂哥白尼是疯子、傻瓜。后来梵蒂冈竟蛮横地宣布“日心说”是异端邪说，把《天体运行论》列为禁书。但是，真理终究要战胜邪恶。到了18世纪，开普勒总结出行星运动三定律，牛顿发现了万有引力定律，使哥白尼的学说获得更加稳固的科学基础，得到普遍的承认。哥白尼这种不为世俗教义束缚，勇敢追求真理，敢于挑战传统观念的创新思想与方法，构成了科学精神的核心要素，对近代科学的进程产生了巨大影响。[4]

物理学史就是一个包含着许多科学和人文精神的素材，将其融入物理教学中，可以使学生以科学家为榜样，学习他们不畏强权，敢于质疑，勇于创新的科学精神。正如杨福家在其编写的《原子物理学》序言中提到的，“成功的教学必须诱发问题;听了课、读了书，只感到‘听的舒服，读来都懂是不够的，真正的收获还应该反映在有没有产生新的问题。”[5]可见，在教学过程中帮助学生培养质疑能力和创新思维的重要性。

4.有利于学生形成正确的人生观和价值观。人们做决定时，更多依赖于个人经历和日常经验，像亚里士多德这样的科学家也不例外。亚里士多德从日常经验出发，认为物体下落的速度与它的重量成正比，然而伽利略用严谨的数学推理和无数次实验证明了物体下落的速度与其重量无关，并得出了自由落体运动规律。此外，亚里士多德认为，力是物体产生运动的原因，但牛顿概括和总结了伽利略和笛卡尔等前人的理论，加以改进，最终提出了牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到其他物体的作用力迫使它改变这种状态为止。此定律揭示了维持一个物体的匀速运动并不需要力，力只是改变物体运动状态的原因。从这些物理学史可以看出，亚里士多德物理学中的很多具体结论都是错误的。

除了亚里士多德外，科学史上还有很多科学家犯过许多错误，我们在将物理学史应用到大学物理教学的过程中，往往避不开物理学家的一些错误。日本物理学家汤川秀树曾说过：“当回顾物理学史时，我们会发现这个历史几乎可称之为错误史。在许多科学家所想出的所有理论中，大多数是错误的，因而没有生存下来，只有少数正确的理论才继续生存。仅仅考虑这些现存的理论，会给人们形成一种不断进步的印象。”[6]这些错误可以使學生了解在科学的探究过程中充满曲折和艰辛，正确的结论往往是经历了大量错误的铺垫而取得的，也使学生意识到伟大的物理学家是普通人，也会犯错，意识到自己也要向科学家学习，正确看待错误，把错误当成自己成功路上的垫脚石，不要因为一些失败就自怨自艾。教师要教导学生不能因为科学家的错误就否定他们为科学做出的贡献，否定他们对近代物理的奠基作用。除此之外，教师还要引导学生，正确评价一个人要结合他当时所处的时代背景和他的社会地位，科学始终适合政治，经济乃至宗教是互相关联的;明确科学家行为的对错，不因为科学家的光辉而美化其所犯的错误;评价要同时考量他所犯的错误和他为社会所做的贡献，辩证地看待这个人。[7]物理学史的引入使学生学会理性看待错误和辩证的评价他人，有助于学生形成正确的人生观和价值观，对学生在大学的学习生活中与他人的相处，以及之后的求职或者深造，都会起到很好的指导作用。

三、结语

法国著名物理学家朗之万说，“在科学教育中加入历史的观点是百利而无一弊的。”[8]通过在物理教学中融入物理学史，不仅有助于提高学生学习物理的兴趣，有助于培养学生的核心素养，帮助学生树立正确的人生观和价值观，而且能够提升教师的科学素养。正如钱三强先生所说：“物理学发展史是一块蕴含着巨大精神财富的宝地，这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘。”为了使物理学史有效地融入课堂，取得良好的成效，教师要自主地了解物理学史，开拓自己的知识面。在选择物理学史料时，要遵循科学性、真实性、适量性及适度原则。

参考文献

[1]李宁.浅谈物理学史在初中物理教学中的实践作用[J].物理教学，2013（01）38-38.

[2]约翰·D·布兰福斯特，安·L·布朗，罗德尼·R·科金，等.人是如何学习的：大脑、心理、经验及学校[M].程可拉，孙亚玲，王旭卿，等译.上海：华东师范大学出版社，2012：13+15.

[3]王高.融入物理学史培育核心素养[J].物理教师，2017，38（11）：26-30.

[4]蒋道平，徐飞.从哥白尼革命看科学精神的塑造——写在《天体运行论》发表470周年之际[J].科学学研究，2013，31（09）410-425.

[5]杨福家.原子物理学[M].（第3版）北京：高等教育出版社，2000.

[6]李亚宁，张增一.科学研究中失败与错误的价值[J].民主与科学，2011（06）：20-23.

[7]丁江铃，谢元栋，纪煦.爱迪生与特斯拉之争引入中学物理教学的意义[J].物理通报，2019（02）：115～116.

[8]陆良荣.渗透物理学史教育，提高课堂教学效益[J].物理教师，2017，38（06）：22-24.