大学物理与物理学史相结合的教材编写探讨

来源:用户上传      作者:龙乾新　姚青荣　卢照

　　[摘 要] 分析大学物理与物理学史教学现状，讨论大学物理和物理学史相结合的教材编写的必要性，并就大学物理与物理学史之间的有机结合进行探讨。认为大学物理和物理学史相结合的教材对于教学具有非常重要的导向作用。
　　[关键词] 大学物理;物理学史;教材编写
　　[作者简介] 龙乾新（1981—），男，广西梧州人，博士，讲师，研究方向：相图相结构、第一性原理计算。
　　[中图分类号] G714    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）25-0311-03    [收稿日期] 2020-02-27
　　 一、大学物理和物理学史教学现状
　　大学物理是研究物理现象及其规律的一门自然科学，是高等院校各理工科专业所必修的一门重要的通识性公共基础课。它的知識体系和思维方法贯穿人们学习自然科学知识的始终，培养人的科学精神，陶冶人的科学思维，教人应用科学方法解决具体问题[1]。
　　物理学史再现了人类探索物理世界的过程，属于综合性学科，是人类探索自然科学的历程，其所涵盖的内容包括物理现象、物理规律的探索，科学家的思维方式以及物理学的研究方法，等等。记述的任何一个物理研究成果都具有阶段性和连贯性特点，都是多个研究成果的汇集。一个物理研究成果往往要经历几年、几十年甚至一个多世纪才会有突破性进展，可见物理学研究是一个漫长而艰辛的过程[1]。
　　在当前高等院校中普遍重视大学物理理论知识学习，忽视物理学史的学习。大学物理通常是作为理工科必修的基础课程，而物理学史则通常不做要求，或者以选修课的形式出现，甚至有的学校连选修课程都没有。在考核方式上，大学物理作为公共基础必修课，通常以考核的方式来获得学分，而物理学史作为选修课程，通常以考查的方式获取学分。另外，科任老师也只重视大学物理的理论教学，普遍重视对定理公式的推导，重视对复杂例题的讲解，而对于大学物理中所蕴含的物理学史知识，则往往一带而过。一提到物理学，许多学生首先想到的是抽象的公式和复杂的数学计算，所以很容易产生学习上的畏难情绪。如果教师在讲授物理规律时仍采用满黑板公式推导的授课方式，无疑会加重学生对物理学的恐惧，从而影响学生的听课效率和学习积极性。
　　 如何提高大学物理的教学效果，提高学生学习大学物理的积极性，很多学者做了大量探讨。有的研究者从课堂教学的模式变革入手，探讨提高学生学习大学物理的积极性，如OBE模式[2]、SPOC[3]、BOPPPS模式[4，5]、PagamO模式[6]、CDIO理念[7]、CUPT模式[8]、“闭环教学”模式[9]、翻转课堂[ 10 ]、“互联网+翻转课堂”混合模式[ 11 ]、多模式结合[ 12 ]等。近年来，越来越多的学者认识到物理学史对于学生学习大学物理的兴趣、活跃课堂气氛以及提高大学生综合素质的重要作用[1][ 13，14 ]。
　　教材作为大学物理和物理学史的载体，对大学物理和物理学史课程安排、学校及学生对大学物理和物理学史的重视程度具有重要的导向作用。然而，对于大学物理与物理学史相结合的教材编写方面的探讨却很鲜见。有的教材大学物理和物理学史通常以分离的形式存在，或者物理学史以碎片化的形式存在于大学物理教材中，不利于物理学史对于大学物理的学习。
　　二、物理学史与大学物理的辩证统一
　　（一）引入物理学史有助于激发学生的学习兴趣
　　一提到大学物理，许多大学生首先想到的是抽象的概念和复杂的数学计算，大学物理课堂通常是满板书的物理公式的推导，往往让他们产生畏难情绪，不利于大学物理的教学，也影响到学生学习大学物理的积极性和效率。
　　在大学物理中引入物理学史，会使得学生认识到大学物理不仅仅是一门纯粹的科学，而是来源于我们的生产、生活，是生活生产中遇到的物理现象的概况和总结。例如，万有引力无处不在，牛顿通过苹果落地的思考，发现了万有引力定律。另外，物理学史的引入，也让学生认识到，我们对于世界的物理规律认识得越充分，越有利于人类社会的进步。比如，蒸汽机的发明让人类进入了一个机械化的时代，是人们对热学规律的认识和应用的结果;电气化时代是人们对于电磁学规律认识和应用的结果;信息化时代是人们对于量子物理认识和应用的结果。正是由于对我们生活的世界的不断认识，不断概括总结、演绎推断，使得人类不断进步。明白了学习大学物理的重要意义和作用以后，才能不断提高学生学习大学物理的兴趣和积极性。
　　（二）引入物理学史有助于学生理解物理概念和物理定律
　　物理学史和大学物理的结合，可以将大学物理的基本概念、公式和定理的来龙去脉讲清楚，学生学习起这些公式定理时就不会觉得抽象，而是变得有趣和令人记忆深刻。很显然，大学物理教育的核心目标并不是为了让学生记住基本的物理概念、公式和定理，而是要培养学生观察、思考和分析问题的能力。回顾整个物理学的发展过程可知，物理学中的基本概念、公式和定理的提出不是一朝一夕的事情，而是经过无数科学家不断探索，长时间观察、思考和总结而最终得到的。例如，人们对于力的认识就经历了漫长曲折的过程。在伽利略之前的科学家都认为，力是维持物体运动状态的原因，比如马拉车，一旦马不再对车施力，车子很快就停下来了。这是人们对力的分析不全面造成的，他们没有看到摩擦力的存在。直到后来，伽利略通过大量的实验才总结出力是改变物体运动状态的原因，而不是维持状态的原因。牛顿进一步提炼和总结得出著名的牛顿第一定律。科学家们不断观察、思考和分析的辩证思维过程会深深印在学生们的脑海中，因此这些基本的概念、公式和定理不再是一个个枯燥无味的知识点，而是包含丰富历史元素有血有肉的知识点。因此，将物理学史和大学物理相结合必将大大加深他们对知识的记忆、理解和生产生活中的运用，这是我们所期盼的。
　　（三）引入物理学史有助于培养学生创造性思维方法 　　我们看到，有媒体经常批判中国的学生缺乏创造性思维，这也引起教育部门的反思。很多学生记忆知识点有一手，但是不能将这些知识灵活运用于实际生活之中，缺乏创造性思维。其实，物理学史中包含着丰富的创造性思维元素，物理学史和大学物理相结合会有助于培养学生创造性的思维方法。比如：除牛顿三大定律外，牛顿的另一大贡献是他的万有引力理论。任意两个物体间都有相互作用力，这种力称为万有引力。万有引力的大小与两个物体质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。但是万有引力到底有多大呢？18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪许决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来，再用两个350磅重的皮球放在足够近的地方，以吸引金属球转动，从而使金属线扭动。然而，金属细丝扭转的角度如此细微，如何能够精确测量呢？卡文迪许创造性地想到了一个绝妙方法，他将一个镜子固定在金属线上，这样镜子就能随着金属丝扭动而一起扭动。然后，他将光照射到鏡子上让其发生反射，反射光照到远处的刻度尺上，通过刻度尺上的读数变动，由此计算出金属丝扭过的角度。卡文迪许用这种方法测得的结果惊人的准确，他测出了万有引力的参数恒量。其实，物理学史上有非常多这样充满创造性的实验，如伽利略的自由落体试验、罗伯特·密立根的油滴试验以及卢瑟福α粒子散射实验等，无不充满让人叹为观止的创造性，这些对于培养学生的创造性思维是宝贵的财富。
　　（四）引入物理学史有助于培养学生的科学精神
　　锲而不舍和怀疑批判精神是科学得以发展到今天最重要的两种精神，它们始终贯穿于物理学发展的始终。例如：第谷·布拉赫30多年始终如一坚持观察恒星的运动，收集到了详尽的天文学资料，为开普勒三定律的发现提供了可靠的实验数据;居里夫人为了从数吨沥青铀矿渣中终提炼0.1克的镭，花了超过4年的时间;爱迪生为了找到适合做灯丝的材料，经历了8000多次实验的失败后才获得成功;法拉第经过近10年时间研究，终于证实了自己当初“磁生电”的设想。这些物理学家们的故事，是培养学生科学精神的肥沃土壤。批判性思维也是物理学得以发展的非常重要的精神，如果没有伽利略对于力是维持物体运动原因的批判，就不会有他著名的加速度实验，而牛顿也就不能站在巨人的肩膀上了。爱因斯坦如果没有批判的精神，迷信牛顿的学术权威，就不会有狭义相对论和广义相对论的产生。将物理学家们追求科学真理孜孜不倦的奋斗历史和大学物理学相结合，对于学生科学精神的培养会起到潜移默化的作用。
　　三、如何将物理学和物理学史有机结合
　　（一）从教材的变革入手
　　要达到真正的大学物理和物理学史相互促进的效果，需要重新编写教材。在大学物理的相应的每章中增加相应的物理学史的小节，或者将物理学史融合在相应的知识点里面，避免简单的拼凑，这就要求教材的编写者加大对大学物理和物理学史融合的研究。
　　（二）变革课程设置
　　大学物理和物理学史相结合，就由原来的两门课程变成了一门课程，这需要教学管理部门对这门新的综合课的重新认识。在课程设置方面，需要重新编写教学大纲，课时、教学要求以及学分也需要进行相应的调整。
　　（三）变革教学过程
　　融合了大学物理和物理学史的课程教学过程应该是能将知识性和趣味性、历史和现实、知识和方法等融为一体的课堂。这就要求教师加强课堂设计，加强备课，既要避免有血有肉的故事干瘪瘪的一句话带过，又要避免为了讲故事而纯粹讲故事。要达到良好的效果，首先要求物理教师必须具备与之相适应的素质和知识结构。
　　在整个课程学习过程中，适当穿插让学生讲述关于物理学史的故事，或者课后作业让学生就某个专题撰写物理学史的论文，也是课堂设计一种有益的尝试。无论让学生讲述物理学史的故事还是撰写物理学史的论文，都需要学生查阅相关专题资料，这就使得学生在查找资料过程中，能对物理学史有全面的了解，或者对某个方面有更加深入的研究。在整理收集、阅读资料过程中不知不觉培养了他们科学研究的方法，在集中性整理科学家或者是物理规律的发展史过程中，深受科学家的不畏艰难的科学精神熏陶;在整理学习物理规律发展史过程中发掘其中的思维方法。
　　（四）变革考核方式
　　课程的考核方式决定了学生对该课程的认知和重视程度。根据实际情况，在考试中设置合理的大学物理和物理学史的分值，会避免物理学史放在教材中成为一种摆设。让学生撰写物理学史的论文以及在考试中设置物理学史的开放性的题目，都有利于让学生真正将物理学史和大学物理的理论学习统一起来。
　　总之，物理学与物理学史是辩证统一的，大学物理和物理学史课程的有机融合有望摆脱学生对大学物理的厌学情绪，使得大学物理课堂变成具有知识性和趣味性的课堂，使得学生掌握知识的同时，学会科学的思维方法，受到良好的人文熏陶。大学物理和物理学史相结合的教材的编写对于促进二者的有机结合会起到关键的导向作用。
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　　[14]汤维亚.论物理学史在大学物理教学中的作用[J].西部素质教育，2016，2（01）：61.
　　 Abstract：The paper analyzes the teaching status of University Physics and the History of Physics，discusses the necessity of compiling textbooks combining University Physics and the History of Physics，and explores the organic combination between them.It is believed that the textbooks combining College Physics and the History of Physics play a very important guiding role for teaching and learning.
　　 Key words：College Physics;History of Physics;textbooks compilation
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