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大学物理教学中引入物理学使的途径和意义

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  • 更新时间2019-12-15
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  物理知识是我们在生活中比较常用到的,从古至今的发现历程组成了物理学史,本文主要分析了在大学物理课程中,引用物理学史的途径和意义

    摘要本文中,我们讨论将物理学史与物理科学知识进行融合讲述的途径及其意义。在“大学物理”课程教学过程中,课堂上的绝大部分时间被用来进行科学知识的讲述,而物理学史的相关内容往往被放弃。这种教育方式使得学生只能被动地从逻辑上去接受所有的物理知识,对物理学的探索和发展过程却一无所知,进而影响了科学文化传播以及科学精神的培养。本文探讨在课堂上适当引入物理学史的内容,并且将物理学史与物理科学知识放在同等地位进行讲授。我们建议将“物理学史”作为核心内容的一部分加入到《理工科类大学物理课程教学基本要求》之中。这种改变将有助于学生培养科学精神,了解科学研究的过程和方法,获得正确评价科学事业的能力。


  关键词物理学史;教学科研;科学方法论;教学法


  作者:汪洋    秦刚    耿平(哈尔滨工业大学(深圳),理学院,深圳518055)


  物理学本身不仅仅包括物理科学知识,还包括与之相关的发现历程,以及涉及其中的科学精神和研究方法。这一切综合在一起,组成了人类历史的重要组成部分——物理学史。如果我们完全摒弃物理学史,那么物理学教育将完全沦为教授科学知识使用方法的过程。然而,如果我们想要培养学生的科学精神,那么就应该将物理学史与物理科学知识放在平等位置进行对待。在这篇文章中,我们首先讨论物理学发展的客观规律以及物理学史的独特价值。进一步,讨论将物理学史融入“大学物理”课堂的途径。最后,讨论物理学史在当今中国的物理教育中可能起到的作用。


  1历史发展的非逻辑性


  物理学中,当一个新观念被牢固建立以后,人们往往发现新的观念以简洁清晰的方式解释了相关的物理现象。所有一切看起来都是那么自然,就像是逻辑分析得出的必然结果一般。但是,如果从历史的角度来看,新观念的发现过程经常是一波三折,至少是在逻辑上看来并不是那么显然。历史上,一个新观点最初提出来的时候,往往是在建立在旧的知识框架下,所以处在萌芽状态的新思想不可避免受到老观点的束缚。在进一步的发展过程中,人们不断提出疑问,把其中错误的成分剥掉,使之建立在牢固的数理基础上,逐渐发展成逻辑严密的形式。


  在这个探索过程中,当旧的理论与实验数据出现不可调和的矛盾时,纯粹的逻辑推理很难跨越这道鸿沟,而物理直觉能够帮助科学家提出新的思想来解决问题。逻辑推理固然重要,但是物理的直觉却往往是揭开谜底的第一步。所以,物理的发展过程不可能是一个简单的逻辑推导过程,而这一点从物理学史的角度来看是非常清楚的。如果是纯粹逻辑方式的从理论上进行讲授,则无法让学生了解物理学发展的真实过程。


  2引入物理学史面临的问题


  如果我们以现代的、逻辑严密的观点来讲述物理,这种讲解将会是简洁而富有效率的,没有太多含糊之处,能够让学生在最短的学时内学到最多的科学知识。然而,如果从历史的发展过程来讲述物理知识却往往要付出一些代价。由于历史的发展本身就没有严格的逻辑,导致这种讲述方式也是迂回曲折的。如果从单位时间内获取的知识点的数量上来看,从历史的角度进行讲述并不划算。但是,从培养学生物理思想的角度来讲,仅仅用知识点的数量对教学效果进行衡量是片面的,因为科学精神的培养是同样重要的。


  简单分析一下国内市面上最常用的教科书,我们就可以清晰发现,在多数情况下,中国物理教育采取的方案是以现代观点来讲述物理,追求最大的效率为目的。而物理学史有关的往往写得干净简洁,主要用于提供一些科学家的名字和科学发现的时间节点。在课堂上,教师的角色是以最简洁清晰的方式讲述知识,而学生的角色是用正确的方法求解出习题,理解科学知识。这种讲授方式在一定程度上给学生造成一种错误的直觉,即,物理学的发展就是逻辑推导过程,而且只能朝着正确的方向发展。这种思想一旦形成,会导致学生迷信书本知识。因为书本上的知识全部都是基于逻辑,应该不会有错,进而严重阻碍学生的怀疑精神和创造力。


  3引入物理学史的意义


  引入物理学史的目的,绝不是简单地增加兴趣,帮助理解科学知识。而是从根本上引导学生批判思维,独立思考能力,以及科学价值观念的方面的培养。对于学生而言,这些科学精神方面并不是自觉就能够发生的。绝大部分情况下,学生不会追问历史的来龙去脉,他们只会努力学会掌握和使用这些科学知识.对于大部分学生而言,科学精神的培养需要教师的引导才能进行,而物理学史将会在培养学生科学精神方面起到重要作用。如果学生能够了解物理发展的真实过程,他们自然就会明白批判眼光和独立思考在物理发展过程中的重要价值,知道一个个物理概念如何发展到现在的样子。也自然会知道,物理学家是在不断地尝试中用尽一切手段去寻找答案,而并不是只有冷静的逻辑思考。而这些培养,在一个纯粹讲述科学知识的为目的的课堂里面是不可能做到的。


  热力学中“卡诺定理”的发现史就是一个富有启发的例子[1,2]。18世纪的时候,人们发明了蒸汽机,接下来如何进一步提高蒸汽机效率成为当时的重要问题。1824年,法国的年轻工程师卡诺(SadiCarnot,1796—1832)发表了《关于火的动力和适合发展这种动力机器的思考》一文,提出下面的问题:“热的动力是否有限?蒸汽机的改进是否存在以任何方式都无法逾越的极限?”在理论上,他提出下面的任务:“为了以最一般的方式考虑热的运动产生的原理,就必须独立于任何机制或任何特定的工作介质。有必要建立不仅适用于蒸汽机,而且适用于所有可想到的热机的原理,不论其工作物质是什么,以及它所采用的运转方法是什么。”接下来的论证,采用了两个前提条件:(1)第一类永动机不可能实现。(2)热质论。热的传递是由于热质的流动。热质无重量,不会产生也不消失。通过考察蒸汽机的工作流程,卡诺认为蒸汽机的产生动力是由于蒸汽机将热质从高温物体(熔炉)转移到了低温物体(冷凝器),进一步他断言这一原理适用于任何由热引起运动的机器,并且明确提出:“单独提供热是不足以产生推动力的,必须要有冷;没有冷,热就没有用了。”接着,卡诺描述了一种由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆循环,这就是著名的卡诺循环。他根据第一类永动机不可能实现和热质论这两个前提,证明了没有任何热机能够产生比卡诺循环更多的动力,并得出结论:“使用蒸汽所产生的最大动力,也是其他任意方式所能得到的最大动力。”这就是卡诺定理的最初描述,换成现在的方式来讲:热机必须工作在不同温度的热源之间,工作在相同高温热源和低温热源之间的一切可逆机都有相同效率,不可逆热机效率不可能大于可逆热机的效率。从这一段历史里面,我们可以看出:(1)真理的发现往往不是一蹴而就的。卡诺采用的“热质论”,现在看来是不对的,导致论文中也有部分不正确的结论。但是他关于卡诺定理的描述是正确的.这为提高热机效率指明了方向,并且包含了热力学第二定律的基本内容。后来,克劳修斯(RudolfClausius,1822—1888)在卡诺工作的基础上去掉了热质假说,提出了热力学第二定律的克劳修斯表述。(2)物理直觉和想象力在物理规律的发现过程中起到重要作用。卡诺从蒸汽机产生动力同时需要高温物体和低温物体得到启示,提出“单独的热源不能产生推动力”这个重要观点。(3)物理学发展的非逻辑性。按照逻辑来讲,热力学第二定律的建立应该在第一定律建立以后,可是历史上发展顺序正好是反过来的。(4)物理学发展的阶段性。通过介绍物理学史上的真实案例,使学生明白物理观点处在不断地更新过程中,从而潜移默化地培养学生的批判眼光和独立思考能力。


  4在“大学物理”课程中引入“物理学史”的途径


  为了探究在“大学物理”课程中引入“物理学史”的途径。笔者在哈尔滨工业大学(深圳校区)开设了16学时的“物理学史”通识选修课程,其中的内容涵盖如下:第一章古代物理知识(1.1古希腊时期的物理知识,1.2中国古代的物理知识,1.3欧洲中世纪与阿拉伯世界);第二章力学的发展(2.1近代科学的萌芽,2.2运动学的奠基人—伽利略,2.3牛顿的贡献);第三章光学的形成(3.1光学的历史概述,3.2光的波动说与微粒说之争,3.3光谱的研究,3.4光速的测定);第四章电磁理论的建立(4.1人类对电磁现象的早期认识,4.2富兰克林对雷电的研究,4.3库仑定律的发现,4.4从静电到动电,4.5电磁学的创立,4.6法拉第的贡献,4.7麦克斯韦电磁场理论的建立,4.8电磁波的发现);第五章热学发展史(5.1早期热学发展简述,5.2从量热学到热力学,5.3热力学第二定律的建立,5.4热力学第一定律的建立,5.5分子运动论与统计物理学);第六章十九世纪末的三大发现(6.1物理学革命;6.2电子的发现;6.3天然放射性;6.4黑体辐射);第七章狭义相对论的建立(7.1牛顿力学的危机;7.2从伽利略变换到洛伦兹变换;7.3爱因斯坦的相对论;7.4欧氏时空与四维时空);第八章量子理论的建立(8.1紫外灾难和普朗克的量子假说,8.2光量子学与波粒二象性,8.3玻尔的原子结构理论,8.4量子理论的发展)。根据笔者的教课经验,16学时基本上能够覆盖上述内容,让学生对物理学历史有一个较为完整的了解。


  “大学物理”课程是大学理工科的基础课程,其内容涵盖力学、电磁学、振动和波动、几何光学、热学、狭义相对论,量子物理和原子物理。比照“大学物理”和“物理学史”的课程内容,可以发现两者是相互契合的。相对于其他的物理专业课而言,“大学物理”这门课程知识覆盖面广,能够非常方便地将整个“物理学史”(从古希腊一直到近代)的主要内容与物理学科学知识进行融合。按照现在的教法,“大学物理”和“物理学史”被分成了两门课程,分别进行讲授,而且“物理学史”一般也不是必修课。笔者认为如果能够将“大学物理”和“物理学史”融合在一起进行讲授,教学效果会比单独讲授更好。此外,鉴于物理学史对培养学生科学精神起到的独特作用,应该把这部分内容作为必修的核心内容进行要求。根据高等学校物理基础课程教学指导分委员会编制的《理工科类大学物理课程教学基本要求》(2010版)相关要求,“大学物理”课程核心内容学时数不少于126学时。在这126学时的教学内容基本要求中,并没有对“物理学史”做出单独的要求。笔者建议将“物理学史”作为核心内容的一部分加入到《基本要求》之中,推荐学时为16学时。从而将总的学时从以前的“不少于126学时”,增加为“不少于142学时”。


  5结语


  西方的自然科学起始于公元前五百多年的古希腊。伟大的古希腊先贤们提出了许多光辉思想,如毕达哥拉斯的琴弦定律,德谟克利特的原子论,亚里士多德的物理哲学,阿基米德的杠杆原理和浮力定律等等。古希腊文明结束之后便进入罗马时代,罗马民族比较注重知识的实用性,在物理方面鲜有建树。而罗马帝国衰落后,欧洲便进入长达千年的黑暗中世纪时代,整个西方物理学的发展进入停顿状态。一直到十五世纪中叶,伴随着欧洲文艺复兴运动,西方物理学才得重新焕发生机,逐渐发展到今天的蓬勃局面.在这个曲折发展的历程中,逐步形成了西方科学的文化和传统。


  与西方国家不一样,中国在历史上没有能够系统地发展出自然科学。这就导致在中国的文化中,缺少自然科学的成分。长久以来,我们对于如何培养学生的科学精神并没有经验可循。在这方面,物理学史能够给我们提供最原始的材料,从中可以了解科学研究的过程,学习研究方法,培养科学精神。物理学史以及其他的科学史对于中国学生的科学精神培养具有独特价值。这种价值在过去几十年中是被埋没的。我们呼吁将物理学史的作用发掘出来,将物理学史作为核心内容加入到《理工科类大学物理课程教学基本要求》之中,走出一条将物理学史与物理科学知识相互融合的教育之路。


  致谢:本文在写作过程中,受到金晓峰教授的启发,在此表示衷心感谢!


  参考文献


  [1]郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].2版.北京:清华大学出版社,2005.


  [2]马文蔚,唐玄之,周永平.物理学发展史上的里程碑[M].南京:江苏科学技术出版社,1992.