借助电磁学史培养学生的科学思维与科学美学观念

丁学成 冯晓敏

(河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071000)

电磁学是面向理工科学生开展的一门十分重要的基础课程，在培养学生学习方法和思维方式中起着关键作用.然而，传统教学过程往往过多强调已有知识的传授，对物理定律的建立过程关注不够，这就导致多数学生仅处于一种被动接受知识的状态，主动学习意识不强.电磁学史的缺乏还可能导致学生对物理定律建立过程的理解出现偏差，不利于培养学生的自主学习方法和科学思维.例如，如果学生不了解电磁学发展的历史，往往会认为法拉第(Faraday)电磁感应定律的定量表达式是由Faraday给出的；两电荷之间的作用力与两者之间的距离平方成反比是Coulomb实验直接给出的；变化的电场产生磁场是由理论推导得出的.然而事实上，Faraday电磁感应定律的定量表达式是由诺依曼(Neumann)和韦伯(Weber)先后给出；两电荷之间的作用力与其距离的平方成反比最初是由普利斯特里(Priestley)利用类比的方法猜测的，库仑对此结论进行了验证；变化的磁场产生电场也是Maxwell在没有任何实验依据的情况下预言的.因此，在电磁学的教学过程中适当地引入电磁学史是十分有必要的.一方面可以丰富学生知识，开阔学生视野，让学生准确地获知物理定律的产生过程.更主要的是，电磁学史再现了科学家在创造物理定律过程中所采用的物理思想和科学研究方法，对激发学生的学习兴趣，培养学生的科学创新思维和科学美学观念起到卓有成效的作用.

1 通过学习Coulomb定律建立的历史过程培养学生科学思维

由Coulomb定律建立的历史过程可以看出，一个物理定律的建立需要经历以下过程：发现新现象，猜测形成原因，做实验验证，定义新的物理量，建立新的物理定律，给出定量表达式，讨论成立条件、适用范围及理论地位等.对于Coulomb定律而言，发现静止电荷之间存在相互作用力之后，Priestley猜测电场力与距离的平方成正比，Coulomb利用电斥力扭秤实验和电引力单摆实验证实了Priestley猜测的正确性，随后定义了“电量”这个物理量，并推导得到Coulomb定律的描述形式，最后讨论成立条件、适用范围及理论地位等.

通过了解Coulomb定律建立的历史，学生能够真实感受到物理规律的产生、形成和发展的过程，明确科学研究的思路，学会自主学习和思考，对培养学生的科学思维有一定的促进作用.

2 通过学习Maxwell方程组建立的历史过程培养学生科学美学观念

伟大的英国物理学家Maxwell总结前人的经验，将当时已知的Coulomb定律、高斯(Gauss)定律、安培(Ampere)定律和Faraday电磁感应定律用数学语言表达出来

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这就是著名的Maxwell方程组的雏形，其表达形式与目前用参考书[2]中的写法有一些区别，是由于该方程组是在真空条件下得到的，且使用了不同单位制的结果.观察此时的Maxwell方程组，它不仅完美地给出了电磁场的规律，而且在形式上具有着一种令人心仪的对称美，被爱因斯坦誉为“牛顿之后，物理史上最重要的发现”.值得指出的是，上述方程组中，Maxwell是在没有任何实验的基础上，仅从对称美的角度就大胆地提出假设：既然变化的磁场能够产生电场，那么变化的电场也应该产生磁场[3].这个假设的正确性后期被赫兹(Hertz)通过实验加以证实.

Maxwell为什么仅依据对称美就能够得到正确的结论呢？从物理定律的层次来看，Maxwell方程组是统帅整个电磁学的定律，而对称性原理是物理学中的宪法，是跨越物理学各个领域的普遍法则[4].由此可见，对称性原理的层次比Maxwell方程组要高，根据高层次的物理定律来构建物理定律是合理的.从科学美学观念来看，科学研究总是将求真与求美统一起来的，其动力主要源于美.正如外尔(Weyl)曾说：“我的工作总是力求把真和美统一起来，但是当我必须两者选一时，我通常选择美.” 由此可见，科学研究的最终目标是求美.Maxwell给出的具有对称形式的Maxwell方程组，就是凭借审美直觉，依据对称美提出来，最终被Hertz证实是真的理论.正如济慈(Keats)所说：“凡想象为美的东西必然是真实的——不管它以前是否存在.”

在电磁学教学中，大量的数学公式会让学生感到枯燥，而学生对大自然的美是容易感受到的，这种美的某些方面为科学所共有，如对称美、简单美及和谐美等.如果能够借助物理学史，突破传统观念束缚，将科学美学观念引入到教学中，那么会促进学生在学习客观规律的同时发现物理学的美，赏识物理学的美，从而达到激发学生学习兴趣，提高学习效率的目的.

3 结束语

本文通过Coulomb定律和Maxwell方程组建立的历史过程介绍了电磁学史在培养学生科学思维与科学美学观念，以及提高学生学习兴趣等方面的积极作用.Coulomb定律建立的历史过程包含了物理定律建立的所有步骤，是培养学生科学思维的一个典型实例.而Maxwell方程组建立的历史过程体现了对称在物理学中的重要性，是引导学生欣赏科学美，提高学生学习兴趣的一个重要途径.