大學(xué)物理教學(xué)的途徑和意義論文
一、歷史發(fā)展的非邏輯性。
物理學(xué)中，當(dāng)一個(gè)新觀念被牢固建立以后，人們往往發(fā)現(xiàn)新的觀念以簡(jiǎn)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(lái)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(lái)看，新觀念的發(fā)現(xiàn)過(guò)程經(jīng)常是一波三折，至少是在邏輯上看來(lái)并不是那么顯然。歷史上，一個(gè)新觀點(diǎn)最初提出來(lái)的時(shí)候，往往是在建立在舊的知識(shí)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(diǎn)的束縛。
在進(jìn)一步的發(fā)展過(guò)程中，人們不斷提出疑問(wèn)，把其中錯(cuò)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(yán)密的形式。在這個(gè)探索過(guò)程中，當(dāng)舊的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾時(shí)，純粹的邏輯推理很難跨越這道鴻溝，而物理直覺(jué)能夠幫助科學(xué)家提出新的思想來(lái)解決問(wèn)題。邏輯推理固然重要，但是物理的直覺(jué)卻往往是揭開(kāi)謎底的第一步。所以，物理的發(fā)展過(guò)程不可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯推導(dǎo)過(guò)程，而這一點(diǎn)從物理學(xué)史的角度來(lái)看是非常清楚的。如果是純粹邏輯方式的從理論上進(jìn)行講授，則無(wú)法讓學(xué)生了解物理學(xué)發(fā)展的真實(shí)過(guò)程。
二、引入物理學(xué)史面臨的問(wèn)題。
如果我們以現(xiàn)代的、邏輯嚴(yán)密的觀點(diǎn)來(lái)講述物理，這種講解將會(huì)是簡(jiǎn)潔而富有效率的，沒(méi)有太多含糊之處，能夠讓學(xué)生在最短的學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)到最多的科學(xué)知識(shí)。然而，如果從歷史的發(fā)展過(guò)程來(lái)講述物理知識(shí)卻往往要付出一些代價(jià)。由于歷史的發(fā)展本身就沒(méi)有嚴(yán)格的邏輯，導(dǎo)致這種講述方式也是迂回曲折的。如果從單位時(shí)間內(nèi)獲取的知識(shí)點(diǎn)的數(shù)量上來(lái)看，從歷史的角度進(jìn)行講述并不劃算。但是，從培養(yǎng)學(xué)生物理思想的角度來(lái)講，僅僅用知識(shí)點(diǎn)的數(shù)量對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行衡量是片面的，因?yàn)榭茖W(xué)精神的培養(yǎng)是同樣重要的。
簡(jiǎn)單分析一下國(guó)內(nèi)市面上最常用的教科書(shū)，我們就可以清晰發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)情況下，中國(guó)物理教育采取的方案是以現(xiàn)代觀點(diǎn)來(lái)講述物理，追求最大的效率為目的。而物理學(xué)史有關(guān)的往往寫(xiě)得干凈簡(jiǎn)潔，主要用于提供一些科學(xué)家的名字和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在課堂上，教師的角色是以最簡(jiǎn)潔清晰的方式講述知識(shí)，而學(xué)生的角色是用正確的方法求解出習(xí)題，理解科學(xué)知識(shí)。這種講授方式在一定程度上給學(xué)生造成一種錯(cuò)誤的直覺(jué)，即，物理學(xué)的發(fā)展就是邏輯推導(dǎo)過(guò)程，而且只能朝著正確的方向發(fā)展。這種思想一旦形成，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生迷信書(shū)本知識(shí)。因?yàn)闀?shū)本上的知識(shí)全部都是基于邏輯，應(yīng)該不會(huì)有錯(cuò)，進(jìn)而嚴(yán)重阻礙學(xué)生的懷疑精神和創(chuàng)造力。
三、引入物理學(xué)史的意義。
引入物理學(xué)史的目的，絕不是簡(jiǎn)單地增加興趣，幫助理解科學(xué)知識(shí)。而是從根本上引導(dǎo)學(xué)生批判思維，獨(dú)立思考能力，以及科學(xué)價(jià)值觀念的方面的培養(yǎng)。對(duì)于學(xué)生而言，這些科學(xué)精神方面并不是自覺(jué)就能夠發(fā)生的。絕大部分情況下，學(xué)生不會(huì)追問(wèn)歷史的來(lái)龍去脈，他們只會(huì)努力學(xué)會(huì)掌握和使用這些科學(xué)知識(shí)．對(duì)于大部分學(xué)生而言，科學(xué)精神的培養(yǎng)需要教師的引導(dǎo)才能進(jìn)行，而物理學(xué)史將會(huì)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神方面起到重要作用。如果學(xué)生能夠了解物理發(fā)展的真實(shí)過(guò)程，他們自然就會(huì)明白批判眼光和獨(dú)立思考在物理發(fā)展過(guò)程中的重要價(jià)值，知道一個(gè)個(gè)物理概念如何發(fā)展到現(xiàn)在的樣子。也自然會(huì)知道，物理學(xué)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(gè)純粹講述科學(xué)知識(shí)的為目的的課堂里面是不可能做到的。熱力學(xué)中“卡諾定理”的發(fā)現(xiàn)史就是一個(gè)富有啟發(fā)的例子[1，2]。18世紀(jì)的時(shí)候，人們發(fā)明了蒸汽機(jī)，接下來(lái)如何進(jìn)一步提高蒸汽機(jī)效率成為當(dāng)時(shí)的重要問(wèn)題。1824年，法國(guó)的年輕工程師卡諾（SadiCarnot，1796—1832）發(fā)表了《關(guān)于火的動(dòng)力和適合發(fā)展這種動(dòng)力機(jī)器的思考》一文，提出下面的問(wèn)題：“熱的動(dòng)力是否有限？蒸汽機(jī)的改進(jìn)是否存在以任何方式都無(wú)法逾越的極限？”在理論上，他提出下面的任務(wù)：“為了以最一般的方式考慮熱的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原理，就必須獨(dú)立于任何機(jī)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(jī)，而且適用于所有可想到的熱機(jī)的原理，不論其工作物質(zhì)是什么，以及它所采用的運(yùn)轉(zhuǎn)方法是什么�！苯酉聛�(lái)的論證，采用了兩個(gè)前提條件：
（1）第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)。
�。�2）熱質(zhì)論。熱的傳遞是由于熱質(zhì)的流動(dòng)。熱質(zhì)無(wú)重量，不會(huì)產(chǎn)生也不消失。通過(guò)考察蒸汽機(jī)的工作流程，卡諾認(rèn)為蒸汽機(jī)的產(chǎn)生動(dòng)力是由于蒸汽機(jī)將熱質(zhì)從高溫物體（熔爐）轉(zhuǎn)移到了低溫物體（冷凝器），進(jìn)一步他斷言這一原理適用于任何由熱引起運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，并且明確提出：“單獨(dú)提供熱是不足以產(chǎn)生推動(dòng)力的，必須要有冷；沒(méi)有冷，熱就沒(méi)有用了�！苯又�，卡諾描述了一種由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)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(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)和熱質(zhì)論這兩個(gè)前提，證明了沒(méi)有任何熱機(jī)能夠產(chǎn)生比卡諾循環(huán)更多的動(dòng)力，并得出結(jié)論：“使用蒸汽所產(chǎn)生的最大動(dòng)力，也是其他任意方式所能得到的最大動(dòng)力�！边@就是卡諾定理的最初描述，換成現(xiàn)在的方式來(lái)講：熱機(jī)必須工作在不同溫度的熱源之間，工作在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的一切可逆機(jī)都有相同效率，不可逆熱機(jī)效率不可能大于可逆熱機(jī)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�？ㄖZ采用的“熱質(zhì)論”，現(xiàn)在看來(lái)是不對(duì)的，導(dǎo)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(jī)效率指明了方向，并且包含了熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。后來(lái)，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(shuō)，提出了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。
（2）物理直覺(jué)和想象力在物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中起到重要作用。卡諾從蒸汽機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力同時(shí)需要高溫物體和低溫物體得到啟示，提出“單獨(dú)的熱源不能產(chǎn)生推動(dòng)力”這個(gè)重要觀點(diǎn)。
（3）物理學(xué)發(fā)展的非邏輯性。按照邏輯來(lái)講，熱力學(xué)第二定律的建立應(yīng)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(guò)來(lái)的。
（4）物理學(xué)發(fā)展的階段性。通過(guò)介紹物理學(xué)史上的真實(shí)案例，使學(xué)生明白物理觀點(diǎn)處在不斷地更新過(guò)程中，從而潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的批判眼光和獨(dú)立思考能力。
四、在“大學(xué)物理”課程中引入“物理學(xué)史”的途徑。
為了探究在“大學(xué)物理”課程中引入“物理學(xué)史”的'途徑。筆者在哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳校區(qū)）開(kāi)設(shè)了16學(xué)時(shí)的“物理學(xué)史”通識(shí)選修課程，其中的內(nèi)容涵蓋如下：
第一章 古代物理知識(shí)
1、古希臘時(shí)期的物理知識(shí)。
2、中國(guó)古代的物理知識(shí)。
3、歐洲中世紀(jì)與阿拉伯世界。
第二章 力學(xué)的發(fā)展。
1、近代科學(xué)的萌芽。
2、運(yùn)動(dòng)學(xué)的奠基人—伽利略。
3、牛頓的貢獻(xiàn)。
第三章 光學(xué)的形成。
1、光學(xué)的歷史概述。
2、光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)。
3、光譜的研究。
4、光速的測(cè)定。
第四章 電磁理論的建立。
1、人類對(duì)電磁現(xiàn)象的早期認(rèn)識(shí)。
2、富蘭克林對(duì)雷電的研究。
3、庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)。
4、從靜電到動(dòng)電。
5、電磁學(xué)的創(chuàng)立。
6、法拉第的貢獻(xiàn)。
7、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立。
8、電磁波的發(fā)現(xiàn)。
第五章 熱學(xué)發(fā)展史。
1、早期熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)述。
2、從量熱學(xué)到熱力學(xué)。
3、熱力學(xué)第二定律的建立。
4、熱力學(xué)第一定律的建立。
5、分子運(yùn)動(dòng)論與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。
第六章 十九世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)。
1、物理學(xué)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(duì)論的建立。
1、牛頓力學(xué)的危機(jī)。
2、從伽利略變換到洛倫茲變換。
3、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。
4、歐氏時(shí)空與四維時(shí)空。
第八章 量子理論的建立。
1、紫外災(zāi)難和普朗克的量子假說(shuō)。
2、光量子學(xué)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(yàn)，16學(xué)時(shí)基本上能夠覆蓋上述內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)物理學(xué)歷史有一個(gè)較為完整的了解�！按髮W(xué)物理”課程是大學(xué)理工科的基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涵蓋力學(xué)、電磁學(xué)、振動(dòng)和波動(dòng)、幾何光學(xué)、熱學(xué)、狹義相對(duì)論，量子物理和原子物理。比照“大學(xué)物理”和“物理學(xué)史”的課程內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)兩者是相互契合的。相對(duì)于其他的物理專業(yè)課而言，“大學(xué)物理”這門(mén)課程知識(shí)覆蓋面廣，能夠非常方便地將整個(gè)“物理學(xué)史”（從古希臘一直到近代）的主要內(nèi)容與物理學(xué)科學(xué)知識(shí)進(jìn)行融合。
按照現(xiàn)在的教法，“大學(xué)物理”和“物理學(xué)史”被分成了兩門(mén)課程，分別進(jìn)行講授，而且“物理學(xué)史”一般也不是必修課。筆者認(rèn)為如果能夠?qū)ⅰ按髮W(xué)物理”和“物理學(xué)史”融合在一起進(jìn)行講授，教學(xué)效果會(huì)比單獨(dú)講授更好。此外，鑒于物理學(xué)史對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神起到的獨(dú)特作用，應(yīng)該把這部分內(nèi)容作為必修的核心內(nèi)容進(jìn)行要求。根據(jù)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)編制的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》（2010版）相關(guān)要求，“大學(xué)物理”課程核心內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)不少于126學(xué)時(shí)。在這126學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容基本要求中，并沒(méi)有對(duì)“物理學(xué)史”做出單獨(dú)的要求。筆者建議將“物理學(xué)史”作為核心內(nèi)容的一部分加入到《基本要求》之中，推薦學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)。從而將總的學(xué)時(shí)從以前的“不少于126學(xué)時(shí)”，增加為“不少于142學(xué)時(shí)”。
五、結(jié)語(yǔ)。
西方的自然科學(xué)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(dá)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(xué)，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(jìn)入羅馬時(shí)代，羅馬民族比較注重知識(shí)的實(shí)用性，在物理方面鮮有建樹(shù)。而羅馬帝國(guó)衰落后，歐洲便進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)千年的黑暗中世紀(jì)時(shí)代，整個(gè)西方物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)入停頓狀態(tài)。一直到十五世紀(jì)中葉，伴隨著歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)，西方物理學(xué)才得重新煥發(fā)生機(jī)，逐漸發(fā)展到今天的蓬勃局面．在這個(gè)曲折發(fā)展的歷程中，逐步形成了西方科學(xué)的文化和傳統(tǒng)。與西方國(guó)家不一樣，中國(guó)在歷史上沒(méi)有能夠系統(tǒng)地發(fā)展出自然科學(xué)。
這就導(dǎo)致在中國(guó)的文化中，缺少自然科學(xué)的成分。長(zhǎng)久以來(lái)，我們對(duì)于如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神并沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循。在這方面，物理學(xué)史能夠給我們提供最原始的材料，從中可以了解科學(xué)研究的過(guò)程，學(xué)習(xí)研究方法，培養(yǎng)科學(xué)精神。物理學(xué)史以及其他的科學(xué)史對(duì)于中國(guó)學(xué)生的科學(xué)精神培養(yǎng)具有獨(dú)特價(jià)值。這種價(jià)值在過(guò)去幾十年中是被埋沒(méi)的。我們呼吁將物理學(xué)史的作用發(fā)掘出來(lái)，將物理學(xué)史作為核心內(nèi)容加入到《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》之中，走出一條將物理學(xué)史與物理科學(xué)知識(shí)相互融合的教育之路。
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