大學物理教學的途徑和意義論文
一、歷史發(fā)展的非邏輯性。
物理學中，當一個新觀念被牢固建立以后，人們往往發(fā)現(xiàn)新的觀念以簡潔清晰的方式解釋了相關(guān)的物理現(xiàn)象。所有一切看起來都是那么自然，就像是邏輯分析得出的必然結(jié)果一般。但是，如果從歷史的角度來看，新觀念的發(fā)現(xiàn)過程經(jīng)常是一波三折，至少是在邏輯上看來并不是那么顯然。歷史上，一個新觀點最初提出來的時候，往往是在建立在舊的知識框架下，所以處在萌芽狀態(tài)的新思想不可避免受到老觀點的束縛。
在進一步的發(fā)展過程中，人們不斷提出疑問，把其中錯誤的成分剝掉，使之建立在牢固的數(shù)理基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展成邏輯嚴密的形式。在這個探索過程中，當舊的理論與實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾時，純粹的邏輯推理很難跨越這道鴻溝，而物理直覺能夠幫助科學家提出新的思想來解決問題。邏輯推理固然重要，但是物理的直覺卻往往是揭開謎底的第一步。所以，物理的發(fā)展過程不可能是一個簡單的邏輯推導過程，而這一點從物理學史的角度來看是非常清楚的。如果是純粹邏輯方式的從理論上進行講授，則無法讓學生了解物理學發(fā)展的真實過程。
二、引入物理學史面臨的問題。
如果我們以現(xiàn)代的、邏輯嚴密的觀點來講述物理，這種講解將會是簡潔而富有效率的，沒有太多含糊之處，能夠讓學生在最短的學時內(nèi)學到最多的科學知識。然而，如果從歷史的發(fā)展過程來講述物理知識卻往往要付出一些代價。由于歷史的發(fā)展本身就沒有嚴格的邏輯，導致這種講述方式也是迂回曲折的。如果從單位時間內(nèi)獲取的知識點的數(shù)量上來看，從歷史的角度進行講述并不劃算。但是，從培養(yǎng)學生物理思想的角度來講，僅僅用知識點的數(shù)量對教學效果進行衡量是片面的，因為科學精神的培養(yǎng)是同樣重要的。
簡單分析一下國內(nèi)市面上最常用的教科書，我們就可以清晰發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)情況下，中國物理教育采取的方案是以現(xiàn)代觀點來講述物理，追求最大的效率為目的。而物理學史有關(guān)的往往寫得干凈簡潔，主要用于提供一些科學家的名字和科學發(fā)現(xiàn)的時間節(jié)點。在課堂上，教師的角色是以最簡潔清晰的方式講述知識，而學生的角色是用正確的方法求解出習題，理解科學知識。這種講授方式在一定程度上給學生造成一種錯誤的直覺，即，物理學的發(fā)展就是邏輯推導過程，而且只能朝著正確的方向發(fā)展。這種思想一旦形成，會導致學生迷信書本知識。因為書本上的知識全部都是基于邏輯，應該不會有錯，進而嚴重阻礙學生的懷疑精神和創(chuàng)造力。
三、引入物理學史的意義。
引入物理學史的目的，絕不是簡單地增加興趣，幫助理解科學知識。而是從根本上引導學生批判思維，獨立思考能力，以及科學價值觀念的方面的培養(yǎng)。對于學生而言，這些科學精神方面并不是自覺就能夠發(fā)生的。絕大部分情況下，學生不會追問歷史的來龍去脈，他們只會努力學會掌握和使用這些科學知識．對于大部分學生而言，科學精神的培養(yǎng)需要教師的引導才能進行，而物理學史將會在培養(yǎng)學生科學精神方面起到重要作用。如果學生能夠了解物理發(fā)展的真實過程，他們自然就會明白批判眼光和獨立思考在物理發(fā)展過程中的重要價值，知道一個個物理概念如何發(fā)展到現(xiàn)在的樣子。也自然會知道，物理學家是在不斷地嘗試中用盡一切手段去尋找答案，而并不是只有冷靜的邏輯思考。
而這些培養(yǎng)，在一個純粹講述科學知識的為目的的課堂里面是不可能做到的。熱力學中“卡諾定理”的發(fā)現(xiàn)史就是一個富有啟發(fā)的例子[1，2]。18世紀的時候，人們發(fā)明了蒸汽機，接下來如何進一步提高蒸汽機效率成為當時的重要問題。1824年，法國的年輕工程師卡諾（SadiCarnot，1796—1832）發(fā)表了《關(guān)于火的動力和適合發(fā)展這種動力機器的思考》一文，提出下面的問題：“熱的動力是否有限？蒸汽機的改進是否存在以任何方式都無法逾越的極限？”在理論上，他提出下面的任務：“為了以最一般的方式考慮熱的運動產(chǎn)生的原理，就必須獨立于任何機制或任何特定的工作介質(zhì)。有必要建立不僅適用于蒸汽機，而且適用于所有可想到的熱機的原理，不論其工作物質(zhì)是什么，以及它所采用的運轉(zhuǎn)方法是什么。”接下來的論證，采用了兩個前提條件：
�。�1）第一類永動機不可能實現(xiàn)。
�。�2）熱質(zhì)論。熱的傳遞是由于熱質(zhì)的流動。熱質(zhì)無重量，不會產(chǎn)生也不消失。通過考察蒸汽機的工作流程，卡諾認為蒸汽機的產(chǎn)生動力是由于蒸汽機將熱質(zhì)從高溫物體（熔爐）轉(zhuǎn)移到了低溫物體（冷凝器），進一步他斷言這一原理適用于任何由熱引起運動的機器，并且明確提出：“單獨提供熱是不足以產(chǎn)生推動力的，必須要有冷；沒有冷，熱就沒有用了�！苯又�，卡諾描述了一種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的可逆循環(huán)，這就是著名的卡諾循環(huán)。他根據(jù)第一類永動機不可能實現(xiàn)和熱質(zhì)論這兩個前提，證明了沒有任何熱機能夠產(chǎn)生比卡諾循環(huán)更多的動力，并得出結(jié)論：“使用蒸汽所產(chǎn)生的最大動力，也是其他任意方式所能得到的最大動力�！边@就是卡諾定理的最初描述，換成現(xiàn)在的方式來講：熱機必須工作在不同溫度的熱源之間，工作在相同高溫熱源和低溫熱源之間的一切可逆機都有相同效率，不可逆熱機效率不可能大于可逆熱機的效率。
從這一段歷史里面，我們可以看出：
�。�1）真理的發(fā)現(xiàn)往往不是一蹴而就的。卡諾采用的“熱質(zhì)論”，現(xiàn)在看來是不對的，導致論文中也有部分不正確的結(jié)論。但是他關(guān)于卡諾定理的描述是正確的．這為提高熱機效率指明了方向，并且包含了熱力學第二定律的基本內(nèi)容。后來，克勞修斯（RudolfClausius，1822—1888）在卡諾工作的基礎(chǔ)上去掉了熱質(zhì)假說，提出了熱力學第二定律的克勞修斯表述。
（2）物理直覺和想象力在物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程中起到重要作用。卡諾從蒸汽機產(chǎn)生動力同時需要高溫物體和低溫物體得到啟示，提出“單獨的熱源不能產(chǎn)生推動力”這個重要觀點。
�。�3）物理學發(fā)展的非邏輯性。按照邏輯來講，熱力學第二定律的建立應該在第一定律建立以后，可是歷史上發(fā)展順序正好是反過來的。
（4）物理學發(fā)展的階段性。通過介紹物理學史上的真實案例，使學生明白物理觀點處在不斷地更新過程中，從而潛移默化地培養(yǎng)學生的批判眼光和獨立思考能力。
四、在“大學物理”課程中引入“物理學史”的途徑。
為了探究在“大學物理”課程中引入“物理學史”的'途徑。筆者在哈爾濱工業(yè)大學（深圳校區(qū)）開設(shè)了16學時的“物理學史”通識選修課程，其中的內(nèi)容涵蓋如下：
第一章 古代物理知識
1、古希臘時期的物理知識。
2、中國古代的物理知識。
3、歐洲中世紀與阿拉伯世界。
第二章 力學的發(fā)展。
1、近代科學的萌芽。
2、運動學的奠基人—伽利略。
3、牛頓的貢獻。
第三章 光學的形成。
1、光學的歷史概述。
2、光的波動說與微粒說之爭。
3、光譜的研究。
4、光速的測定。
第四章 電磁理論的建立。
1、人類對電磁現(xiàn)象的早期認識。
2、富蘭克林對雷電的研究。
3、庫侖定律的發(fā)現(xiàn)。
4、從靜電到動電。
5、電磁學的創(chuàng)立。
6、法拉第的貢獻。
7、麥克斯韋電磁場理論的建立。
8、電磁波的發(fā)現(xiàn)。
第五章 熱學發(fā)展史。
1、早期熱學發(fā)展簡述。
2、從量熱學到熱力學。
3、熱力學第二定律的建立。
4、熱力學第一定律的建立。
5、分子運動論與統(tǒng)計物理學。
第六章 十九世紀末的三大發(fā)現(xiàn)。
1、物理學革命。
2、電子的發(fā)現(xiàn)。
3、天然放射性。
4、黑體輻射。
第七章 狹義相對論的建立。
1、牛頓力學的危機。
2、從伽利略變換到洛倫茲變換。
3、愛因斯坦的相對論。
4、歐氏時空與四維時空。
第八章 量子理論的建立。
1、紫外災難和普朗克的量子假說。
2、光量子學與波粒二象性。
3、玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論。
4、量子理論的發(fā)展。
根據(jù)筆者的教課經(jīng)驗，16學時基本上能夠覆蓋上述內(nèi)容，讓學生對物理學歷史有一個較為完整的了解。“大學物理”課程是大學理工科的基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涵蓋力學、電磁學、振動和波動、幾何光學、熱學、狹義相對論，量子物理和原子物理。比照“大學物理”和“物理學史”的課程內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)兩者是相互契合的。相對于其他的物理專業(yè)課而言，“大學物理”這門課程知識覆蓋面廣，能夠非常方便地將整個“物理學史”（從古希臘一直到近代）的主要內(nèi)容與物理學科學知識進行融合。
按照現(xiàn)在的教法，“大學物理”和“物理學史”被分成了兩門課程，分別進行講授，而且“物理學史”一般也不是必修課。筆者認為如果能夠?qū)ⅰ按髮W物理”和“物理學史”融合在一起進行講授，教學效果會比單獨講授更好。此外，鑒于物理學史對培養(yǎng)學生科學精神起到的獨特作用，應該把這部分內(nèi)容作為必修的核心內(nèi)容進行要求。根據(jù)高等學校物理基礎(chǔ)課程教學指導分委員會編制的《理工科類大學物理課程教學基本要求》（2010版）相關(guān)要求，“大學物理”課程核心內(nèi)容學時數(shù)不少于126學時。在這126學時的教學內(nèi)容基本要求中，并沒有對“物理學史”做出單獨的要求。筆者建議將“物理學史”作為核心內(nèi)容的一部分加入到《基本要求》之中，推薦學時為16學時。從而將總的學時從以前的“不少于126學時”，增加為“不少于142學時”。
五、結(jié)語。
西方的自然科學起始于公元前五百多年的古希臘。偉大的古希臘先賢們提出了許多光輝思想，如畢達哥拉斯的琴弦定律，德謨克利特的原子論，亞里士多德的物理哲學，阿基米德的杠桿原理和浮力定律等等。古希臘文明結(jié)束之后便進入羅馬時代，羅馬民族比較注重知識的實用性，在物理方面鮮有建樹。而羅馬帝國衰落后，歐洲便進入長達千年的黑暗中世紀時代，整個西方物理學的發(fā)展進入停頓狀態(tài)。一直到十五世紀中葉，伴隨著歐洲文藝復興運動，西方物理學才得重新煥發(fā)生機，逐漸發(fā)展到今天的蓬勃局面．在這個曲折發(fā)展的歷程中，逐步形成了西方科學的文化和傳統(tǒng)。與西方國家不一樣，中國在歷史上沒有能夠系統(tǒng)地發(fā)展出自然科學。
這就導致在中國的文化中，缺少自然科學的成分。長久以來，我們對于如何培養(yǎng)學生的科學精神并沒有經(jīng)驗可循。在這方面，物理學史能夠給我們提供最原始的材料，從中可以了解科學研究的過程，學習研究方法，培養(yǎng)科學精神。物理學史以及其他的科學史對于中國學生的科學精神培養(yǎng)具有獨特價值。這種價值在過去幾十年中是被埋沒的。我們呼吁將物理學史的作用發(fā)掘出來，將物理學史作為核心內(nèi)容加入到《理工科類大學物理課程教學基本要求》之中，走出一條將物理學史與物理科學知識相互融合的教育之路。
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