申梓剛 潘立軍

(鄭州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系 河南 鄭州 450044)

目前，大學(xué)物理課程不僅是各高校理工科學(xué)生的必修課，而且是某些注重創(chuàng)新和綜合能力的高校文科學(xué)生的必修課.因此，大學(xué)物理已經(jīng)成為大學(xué)生的一個重要的通識性課程.現(xiàn)在的大學(xué)物理教材都是按照物理學(xué)科的邏輯關(guān)系安排內(nèi)容，這樣的安排雖然有嚴(yán)格的邏輯遞進(jìn)關(guān)系，但只注重了知識的傳授，忽視了教學(xué)中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和人文素質(zhì)的提高.與此同時，大學(xué)教育正在面臨學(xué)校教育怎么和社會接軌的問題，教育機(jī)構(gòu)和用人單位希望畢業(yè)學(xué)生能盡快適應(yīng)工作崗位的要求，就使得大學(xué)教育越來越重視學(xué)生的能力培養(yǎng)，而不是簡單的學(xué)習(xí)知識.

物理學(xué)史從歷史的角度講述人類揭示物理規(guī)律的過程，引人深思，這中間包含了很多寶貴的研究經(jīng)驗和方法.如果在大學(xué)物理的教學(xué)中安排合適的物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容，則可以有效地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，并且物理學(xué)家的人格魅力也可以潛移默化地影響學(xué)生，使學(xué)生不僅在學(xué)術(shù)能力上得到提高，而且在人文素質(zhì)上得到升華[1].

1 有助于學(xué)生理解和掌握物理概念和定律

物理學(xué)是人類在不斷探索未知世界的過程中，通過概念和定律建立起來的知識體系.學(xué)生如果僅僅學(xué)習(xí)有關(guān)內(nèi)容的理論、概念、定律、定理、公式和計算方法，并不等于理解和掌握了這些內(nèi)容的深刻本質(zhì)和豐富內(nèi)涵，從而,難以從更深的角度理解物理內(nèi)容和主動運用物理知識處理問題，也很難得到超出定律和公式的許多啟示.在《大學(xué)物理》中，某些章節(jié)和現(xiàn)實聯(lián)系緊密，邏輯關(guān)系傳承緊密，學(xué)生理解和接受起來并不困難，但是在其他章節(jié)中就有所不同.

例如，由于狹義相對論研究的內(nèi)容和結(jié)論與日常的生活有很大區(qū)別，所以，在學(xué)習(xí)這部分課程時，學(xué)生理解和接受起來較為困難.現(xiàn)實中，狹義相對論是在很大的科學(xué)背景下建立起來的，它并不是愛因斯坦一人獨立完成的，也不是愛因斯坦忽然脫離現(xiàn)實，突發(fā)奇想提出的，而是物理學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果.在大學(xué)物理教學(xué)過程中，我們選擇了一個專業(yè)的兩個班作對比實驗，一個班在教學(xué)中基本不添加有關(guān)相對論提出和發(fā)展的背景資料，從伽利略變換在處理接近光速問題的局限性和力學(xué)相對性原理入手，引出狹義相對論的基本假設(shè)和洛倫茲變換；另一個班在教學(xué)過程中，通過展現(xiàn)物理學(xué)發(fā)展的原貌引入和討論相對論，從討論光在以太中傳播的矛盾,麥克斯韋方程組不具備伽利略變換的不變性,邁克爾孫-莫雷實驗和為解決以太問題得出的洛倫茲變換入手，引出愛因斯坦的基本假設(shè)及由此推出的洛倫茲變換，介紹后來的相對論質(zhì)量和靜止質(zhì)量的比值測量實驗結(jié)果，孿生子佯謬怎么變成孿生子效應(yīng)等實驗結(jié)果.通過對學(xué)生調(diào)查問卷結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)如果引入相對論發(fā)展的背景和歷史，認(rèn)為相對論的提出是歷史的必然的學(xué)生比例從35%上升到92%；認(rèn)為相對論的結(jié)論難于接受的學(xué)生比例從64%降低到22%；認(rèn)為物理學(xué)史有助于理解相對論的學(xué)生比例從32%上升到85%；認(rèn)為愛因斯坦是天才的學(xué)生比例從95%降低到82%.第一個問題說明物理學(xué)史的引入使學(xué)生了解物理定律和物理概念不是憑空產(chǎn)生的，它們的產(chǎn)生和發(fā)展是有邏輯傳承關(guān)系的.第二個問題說明學(xué)生在了解理論的產(chǎn)生和發(fā)展后，更容易接受這個理論并且也更愿意主動運用理論處理問題.第三個問題說明了物理學(xué)史引入的重要性，即了解與理論相關(guān)的概念和原理的建立對學(xué)習(xí)是有幫助的.第四個問題說明物理學(xué)史的引入減少了學(xué)生的盲目崇拜心理，當(dāng)然，這些并沒有降低愛因斯坦創(chuàng)造性工作的價值.從以上分析可以看出，物理學(xué)史對學(xué)生理解和掌握物理內(nèi)容是有很大幫助的.

2 有助于培養(yǎng)學(xué)生的能力

物理學(xué)的發(fā)展遵循一定的模式，即在觀察和觀測現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，實驗和再現(xiàn)現(xiàn)象，然后通過建立概念和定律或者定理解釋復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理過程.這些內(nèi)容不是一個或者某些科學(xué)家一下子建立的，而是許多科學(xué)家經(jīng)過長期不斷的否定之否定的結(jié)果.從這個意義上，物理學(xué)可以分為兩種知識體系，一個是物理學(xué)的研究成果，即物理學(xué)靜態(tài)知識；一個是物理學(xué)的研究過程和方法，即動態(tài)的物理學(xué)知識.物理學(xué)靜態(tài)知識是動態(tài)知識的結(jié)果，靜態(tài)知識又是動態(tài)知識的基礎(chǔ).掌握靜態(tài)知識固然可以提高學(xué)生的知識面，但是動態(tài)知識的掌握更加重要，這涉及到學(xué)生能力的培養(yǎng)和內(nèi)化.現(xiàn)在的大學(xué)物理課程內(nèi)容基本是物理學(xué)的研究成果和它的應(yīng)用，而物理學(xué)史可以提供豐富的動態(tài)知識，在為學(xué)生理解和掌握物理學(xué)靜態(tài)知識提供有效途徑的同時，通過了解和學(xué)習(xí)物理學(xué)動態(tài)知識，培養(yǎng)了學(xué)生的能力.

從物理學(xué)史中可以看出，物理學(xué)每前進(jìn)一步，都蘊含著物理學(xué)家的思考和重要方法的應(yīng)用，這些必然會對學(xué)生的學(xué)習(xí)和能力的培養(yǎng)產(chǎn)生影響.比如，在力學(xué)中，伽利略關(guān)于落體的研究具有開創(chuàng)性，他開創(chuàng)了動力學(xué)方面的研究，用實驗和數(shù)學(xué)邏輯的方法驗證和證明了落體運動的特點，成為以后物理學(xué)研究中最主要的方法.在講授動力學(xué)內(nèi)容時,如果能夠引入相關(guān)內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考并提出問題，研究和分析問題的能力.在熱學(xué)中，熱力學(xué)第二定律的學(xué)習(xí)和理解對學(xué)生來說是個難點，實際上人類認(rèn)識熱力學(xué)第二定律也是一個曲折的過程，要不然就不會有很多人去設(shè)計第二類永動機(jī).麥克斯韋妖的提出和2010年日本研究人員[2]對麥克斯韋妖的實驗驗證不僅可以使學(xué)生更加深入了解熱力學(xué)第二定律，而且也可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地提出問題并解決問題的能力，同時也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維.在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)時，湯姆孫“葡萄干布丁”式的原子結(jié)構(gòu)提出和盧瑟福(湯姆孫的學(xué)生)發(fā)現(xiàn)原子的核式結(jié)構(gòu)，是物理學(xué)史中的一個非常典型的例子.盧瑟福獨立思考的能力及研究和分析問題的能力都可以給學(xué)生很好的啟示和榜樣作用.在教學(xué)中引入物理學(xué)史的一些重要事例時，學(xué)生不僅會學(xué)到物理學(xué)家的研究方法，而且在潛意識中體會到物理學(xué)家也會犯錯誤，在以后的研究和學(xué)習(xí)中就敢于提出問題，不迷信權(quán)威，這種能夠獨立思考的能力對一個研究者來講是很重要的.

在教學(xué)中，我們對學(xué)生進(jìn)行了一個調(diào)查，讓學(xué)生選擇大學(xué)物理課程中哪些內(nèi)容對自己的能力培養(yǎng)有幫助.表1是調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果，調(diào)查學(xué)生來自于數(shù)學(xué)、化學(xué)和生物專業(yè).

表1 調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果

從表1中可以看到，認(rèn)為波動(即振動和波)部分內(nèi)容對能力培養(yǎng)有幫助的比例最小，這部分內(nèi)容講授時很少引入物理學(xué)史的內(nèi)容；認(rèn)為力學(xué)和電磁學(xué)對能力培養(yǎng)有很大的幫助，主要原因是這兩部分是大學(xué)物理的主要內(nèi)容，講授時添加了一定數(shù)量的物理學(xué)史內(nèi)容；近代物理雖然在大學(xué)物理課程內(nèi)容所占比例不大，但是講授時大量引入物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，極大地開闊了學(xué)生的視野，可以看到，學(xué)生認(rèn)為這一部分對能力培養(yǎng)有很大幫助；認(rèn)為熱學(xué)和光學(xué)對培養(yǎng)能力有幫助的學(xué)生比例適中，教學(xué)中也是適當(dāng)?shù)匾肓宋锢韺W(xué)史的內(nèi)容.從以上的分析可以看出，學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理課程內(nèi)容對能力培養(yǎng)有幫助的部分和教學(xué)中加入物理學(xué)史的多少是有關(guān)聯(lián)的.另外，在回答物理學(xué)史是否對能力培養(yǎng)有幫助時，有76%的學(xué)生認(rèn)為有幫助，11%的學(xué)生認(rèn)為沒有幫助，還有13%的學(xué)生不知道有沒有幫助.在回答有幫助的學(xué)生中，認(rèn)為對培養(yǎng)提出問題能力有幫助的比例是23%，認(rèn)為對培養(yǎng)獨立思考能力有幫助的比例是21%，認(rèn)為對培養(yǎng)解決問題能力有幫助的比例是18%，認(rèn)為對培養(yǎng)創(chuàng)新性思維有幫助的比例是31%，認(rèn)為對其他能力有幫助的比例是7%.從調(diào)查結(jié)果分析，大部分學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)史的引入對學(xué)生能力的培養(yǎng)是有幫助的，不同的人可能受益的方面不同.

3 有助于培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)

從理論上講，教育的目標(biāo)和作用可以分為3個層次，第一個層次是直接傳授知識和培養(yǎng)學(xué)生的能力，被稱為即效作用；第二個層次是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造力，被稱為中效作用；第三個層次是培育學(xué)生正確的情感態(tài)度與價值觀，被稱為長效作用.目前我國的教育過于偏重知識和能力的培養(yǎng)，而忽視了對學(xué)生長效作用的培育，從而造成一些社會問題，比如,三聚氰胺和瘦肉精事件都有高級研究人員的參與.因此，在傳授學(xué)生專業(yè)知識的同時，更應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生正確的情感態(tài)度與價值觀.如果在大學(xué)物理教學(xué)中添加合適的物理學(xué)史內(nèi)容，可以潛移默化地影響和引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的情感態(tài)度與價值觀.

物理學(xué)史中有很多科學(xué)家為了追求真理，克服種種困難，依靠堅韌不拔的意志和毅力最終取得成功.比如，伽利略在晚年面對嚴(yán)重的眼疾和教會對其生命的威脅，仍頑強(qiáng)寫完了具有劃時代意義的《兩門新科學(xué)》一書；牛頓從開始思考萬有引力到發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》整整用了20年，他集成了笛卡兒、惠更斯、哥白尼、伽利略、胡克、哈雷和玻列利等前輩的思想，奠定了物理學(xué)大廈的基礎(chǔ)；由于堅信磁能產(chǎn)生電，法拉第經(jīng)過10年的時間才終于在一個偶然的實驗中發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象；居里夫婦認(rèn)為自然界存在比鈾的放射性更強(qiáng)的元素，花費了4年的時間，親自動手從400 t礦渣中提煉出1 g的鐳.這些科學(xué)家百折不饒的精神、堅持不懈的工作態(tài)度都對學(xué)生產(chǎn)生心靈上的震撼并起到榜樣的作用.

在人類對放射性還不是很了解的情況下，居里夫人由于長時間接觸放射性物質(zhì)，受到過量的放射線照射，從而得了白血病，令人敬佩的是，她得知自己生病后，在日記里詳細(xì)記錄了自己身體的變化，她的日記成為人們認(rèn)識放射性物質(zhì)另一面的第一手資料，避免更多的人受到傷害[3].倫琴因為發(fā)現(xiàn)X射線于1901年12月獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎時，他不僅拒絕在授獎典禮上發(fā)表演講，而且謝絕了各種盛情邀請，迅速回到德國，將5萬瑞典克郎的獎金全部獻(xiàn)給沃茲堡大學(xué)作為科研費用.許多商人想用高價購買X射線的專利權(quán)，牟取暴利，巴伐利亞的王子甚至以貴族爵位來籠絡(luò)倫琴，然而都被一概拒絕.倫琴將X射線的專利權(quán)毫無保留地公諸于世，讓它為全人類服務(wù)[3].這些科學(xué)家高尚的人格，淡泊名利的心態(tài)必然會使學(xué)生在精神上受到?jīng)_擊，也將引起學(xué)生的思索和共鳴，從而影響和塑造學(xué)生正確的價值觀和人生觀.

在大學(xué)物理教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾胍恍┛茖W(xué)家的生活片段，有意識地引導(dǎo)學(xué)生并培養(yǎng)和塑造正確的情感態(tài)度與價值觀，必然會使學(xué)生終生受益.在隨后的調(diào)查問卷中，學(xué)生印象深刻的物理學(xué)家排名靠前的分別是愛因斯坦、牛頓、伽利略和居里夫人.學(xué)生印象深刻的原因有他們偉大的成就、高尚的人格、堅強(qiáng)的意志和優(yōu)秀的品格等.

除了以上談到的內(nèi)容，學(xué)生通過物理學(xué)史的內(nèi)容也了解一些科研中的原則和技巧.比如，科研中不要閉門造車，學(xué)會合作和分享，這樣才有可能有突破性的發(fā)現(xiàn).物理學(xué)中很多師徒都是諾貝爾獎獲得者或者都有巨大成就，學(xué)生在選擇導(dǎo)師時，盡量選擇名師或者選擇研究方向時，選擇當(dāng)今的研究熱點.調(diào)查顯示，有23%的學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理中加入的物理學(xué)史對自己有很大影響，有68%的學(xué)生認(rèn)為有影響，有9%的學(xué)生認(rèn)為沒有影響.可以看出，有91%的學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)史對自己是有幫助的.

參考文獻(xiàn)

1 申先甲，李艷平，劉樹勇，王士平. 談?wù)勎锢韺W(xué)史在素質(zhì)教育中的作用. 大學(xué)物理，2000, 19(12)：37～39

2 Shoichi Toyabe, Takahiro Sagawa, Masahito Ueda，Eiro Muneyuki and Masaki Sano，Experimental demonstra-

tion of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality. Nature Physics, 2010, 6 :988～992

3 郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史. 北京:清華大學(xué)出版社，2001