黃志平 林 欽 賈誼明 李洪才

（福建師范大學物理與光電信息科技學院物理系，福建福州350007）

大學物理學史課程的教學內(nèi)容和教學方法的改革

黃志平 林 欽 賈誼明 李洪才

（福建師范大學物理與光電信息科技學院物理系，福建福州350007）

當前物理學史的教學和研究是物理教育改革趨勢之一，為了發(fā)揮物理學史的素質(zhì)教育功能，我們對教學內(nèi)容和教學方式進行適當?shù)母母锖蛯嵺`，從多個角度為學生展示物理學史的教學內(nèi)容，并采用了多媒體教學和物理學史專題研究方式，讓學生積極參與到教學當中，提高教學效率.

物理學史；教學內(nèi)容；教學方法；多媒體教學；專題研究

1 引言

自20世紀80年代，我國物理學史的教學和研究積極推動了物理學史與物理教學的結(jié)合，成為了物理教育改革趨勢之一［1］.近年來，人們對物理學史的素質(zhì)教育功能［2］及其在大學物理、大學物理實驗、中學物理教學中的作用進行了理論探討和教學實踐研究［3－6］.尤其是隨著中學新課程改革的推進，一些相關的物理學史內(nèi)容寫進了現(xiàn)有的中學物理教材［7］，把握好物理學史中的科學思維、方法和情感價值觀的教育功能，將促進中學物理教學目標的實現(xiàn).

物理學史的教育地位已經(jīng)被物理學家、教育家和廣大物理教師所認可，越來越多的師范類院校開設了物理學史選修課.然而由于學生對物理學史的教育功能和重要性認識不足，很多人認為容易得到學分才選修了這門課.還有，傳統(tǒng)的物理學史教材在內(nèi)容上是以時間為順序按學科分支來進行編排的，傳統(tǒng)的教學方式也是按該順序進行講解，這對學生的吸引顯然是不足的，不能很好地讓學生參與到這門課的教學中，也就無法實現(xiàn)物理學史的素質(zhì)教育功能.

因此，我們將在物理學史原有的教學基礎上，對該課程的教學內(nèi)容和教學方法進行適當?shù)母母锖蛯嵺`.面對繁多的物理學史料，仍以教材為基礎，但對教學內(nèi)容進一步的提煉，避免重復和平鋪直敘，從不同的角度剖析出包含在教材之內(nèi)但又未被教材明確闡述的教學內(nèi)容.在教學方法上，采用了多媒體教學和物理學史專題研究方式，讓學生積極參與到教學當中，使學生在學習物理知識的同時也得到了科學素質(zhì)、創(chuàng)造素質(zhì)、品德修養(yǎng)等方面的培養(yǎng).

2 教學內(nèi)容的剖析

一般說來，科學教育包含3個層次：第1個層次是傳授知識和培養(yǎng)能力；第2個層次是教給學生如何思維、激發(fā)學生創(chuàng)造精神；第3個層次是培養(yǎng)學生正確的價值觀和人生觀［2］.

物理學史是一門既有史學性質(zhì)又有物理科學教育性質(zhì)的課程，這就決定著它的教學內(nèi)容具備以上3個層次.為了更好體現(xiàn)這3個層次，教學內(nèi)容除了按歷史順序?qū)ξ锢砀鞣种W科知識的建立和發(fā)展進行介紹以外，還需要對這門課程的內(nèi)容進一步提煉，從教材中剖析出有別于歷史順序這一視角的教學內(nèi)容，并貫穿于整個教學當中.

2.1 物理知識的建立

物理知識包括物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律、物理公式及其應用等方面.首先，在教學中按照歷史順序介紹物理各分支學科知識的建立和發(fā)展，但應當避免與物理各分支學科教學內(nèi)容的簡單重述.其次，應對現(xiàn)有物理知識進行歷史考察，注意物理概念、規(guī)律的形成和發(fā)展過程的背景，認識到物理學知識的相對性和動態(tài)性［1］，使學生真正懂得它們的本質(zhì)，并得到超出定律和公式的許多啟示.

例如，對于原子結(jié)構(gòu)，學生在初中就開始接觸，但對于原子結(jié)構(gòu)概念的起源、發(fā)展過程以及現(xiàn)狀卻知之不詳.早在公元前4世紀，古希臘哲學家德謨克利特提出原子的概念；1803年道爾頓提出原子說，并認為原子是不可分割的；1897年英國科學家J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，提出了實心帶點球模型；1909年完成了α粒子散射實驗，導致了盧瑟福于1911年提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型；19世紀末一系列的原子光譜的實驗規(guī)律，促進了玻爾于1913年提出了定態(tài)躍遷原子模型；之后索末菲全面推廣和發(fā)展了玻爾的原子理論，提出了橢圓軌道模型；直到量子力學建立之后，人們才對原于結(jié)構(gòu)和原子內(nèi)電子的運動有了基本正確的了解；但至今對于高激發(fā)態(tài)、高電離態(tài)的原子結(jié)構(gòu)及原子與粒子碰撞時的行為，仍然存在很多有待解決的問題.

此外，對于速度、加速度、力、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律、電磁場理論、光的本質(zhì)等物理學知識的建立和發(fā)展過程都可以進行詳細的探索.

2.2 物理實驗的發(fā)展

實驗與理論是物理學的兩大部分，相輔相成，缺一不可.物理實驗的主要作用為提供事實、驗證理論、測定常數(shù)、推廣應用4個方面［8］.因此，物理實驗的發(fā)展應成為物理學史教學的重要內(nèi)容，尤其是新規(guī)律探索實驗、物理理論判決性實驗、常數(shù)測定實驗等的實驗方法和實驗設計思想，并且以其內(nèi)在的聯(lián)系統(tǒng)一成一條線索展示給學生，使學生在獲得知識的同時，邏輯思維能力和創(chuàng)造性思維能力也得到鍛煉.

例如，光的微粒說和波動說一直爭論不休，成為了光學發(fā)展的一條主線，實驗在提供事實和驗證理論方面起了至關重要的作用.19世紀以前，牛頓等人主要傾向于微粒學說，笛卡兒和惠更斯主張以太波動說，但由于牛頓力學得到廣泛擁護，使粒子說處于統(tǒng)治地位.19世紀初，由于楊氏雙縫干涉實驗和菲涅耳干涉實驗的完成，尤其是泊松亮斑的出現(xiàn)，使波動學說贏得了勝利；1850年傅科測定了光在水中和空氣中的速度，給粒子說以最后的打擊，使光的波動說占據(jù)了統(tǒng)治地位.1887年，美國物理學家邁克爾遜－莫雷實驗，否定了以太存在，使波動說面臨嚴重的危機；與此同時赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)了光電效應，使光的粒子說又暫時占據(jù)了上風.直到1924年，德布羅意提出了光的波粒二象性理論，而后1927年戴維森和湯姆孫電子衍射實驗的完成才徹底平息了光本性的爭論，同時為量子力學理論建立了實驗基礎.

類似地，還可以給出各種常數(shù)（如光速c、引力常數(shù)G、基本電荷e等）的測定實驗、伽利略的實驗研究、量子力學建立的實驗基礎、廣義相對論的實驗驗證等實驗的方法和設計思想的歷史探索.理想實驗和示零實驗是兩類特殊的實驗，具有特殊的啟發(fā)意義，其歷史情況更應理清［9］.

2.3 物理觀念的變革

愛因斯坦曾指出：“在建立一個物理學理論時，基本觀念起了最主要的作用”.物理學史其實也是物理觀念不斷變革的歷史.物理學上每一次重大的發(fā)展，總是以物理觀念、物理思想的突破為先導的.不同的物理基本觀念，描繪出的物理圖景必然有所不同.因此，在教學中有必要把相關的不同階段的物理觀念作為一個整體描述出來，并作相應的比較，讓學生認識到在學習一個新的理論時，必須改變自己的思想觀念和思維方法.

例如，在熱輻射的研究中，利用經(jīng)典物理理論得到的維恩公式和瑞利—金斯公式都無法與事實相吻合，甚至出現(xiàn)了“紫外災難”現(xiàn)象.1900年普朗克用能量量子化假設從理論上推導出了符合整個波長范圍的黑體輻射公式，能量量子化的提出，具有劃時代的意義.但是由于量子化的概念同經(jīng)典物理嚴重背離，因而在此后的十余年內(nèi)，普朗克自己也感到不安，總想回到經(jīng)典理論的體系中，企圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性，但最后證明這種企圖是徒勞的.與此同時，愛因斯坦卻明確地認識到普朗克的發(fā)現(xiàn)標識了物理學的新紀元，發(fā)展了普朗克能量子概念，提出了光量子假說，很好地解釋了光電效應等現(xiàn)象.

類似地，我們還可以給出宇宙觀、時空觀、相對性、對稱性、波粒二象性、決定論與非決定論等基本物理觀念的歷史變革，并貫穿于物理學史課程的教學之中.

2.4 科研方法的滲透

物理學的科學研究方法，是伴隨著物理學發(fā)展而不斷積累和發(fā)展起來的，現(xiàn)在已經(jīng)應用到物理學科及其他學科的研究當中.科研方法的掌握將有利于學生以后的學習和工作，因此在教學中要做到知識的教授和科研方法的傳教相統(tǒng)一.在回顧歷史過程中，可以適時地、合理地滲透科研方法，使課堂教學更加生動、豐富，使學生在自然的學習狀態(tài)下潛移默化地獲得方法的熏陶，促進學生創(chuàng)造素質(zhì)的培養(yǎng).

物理學的科研方法主要有觀察、實驗、科學抽象、類比、理想實驗、建模、歸納和演繹、分析和綜合以及數(shù)學方法、控制論、系統(tǒng)論等等［10］.在古代物理學中，人們主要通過直觀觀察、猜測和簡單推理物理現(xiàn)象，得出自己的理論.在經(jīng)典物理學中，人們除了注重對自然物理現(xiàn)象觀察外，還更加注重科學實驗與數(shù)學邏輯；其次分析、歸納和演繹等邏輯方法的發(fā)展，也促進了物理學理論建構(gòu)和完善.在現(xiàn)代物理學，大型、精密儀器的研制和計算機的廣泛應用，使物理實驗在精密、快速和自動化方面都達到新水平；而物理理論的數(shù)學化特征日益突出，創(chuàng)造性思維在建立新理論中的作用更加突出，如科學想象、理想實驗、類比、大膽猜測以及直覺和靈感等方法［4］.

2.5 人文素質(zhì)的培養(yǎng)

從科學教育的3個層次可知，科學知識的傳授和人文素質(zhì)的培養(yǎng)同樣重要.然而長期以來，科學知識的功利性和效益性被放在首要位置，而其人文素質(zhì)價值沒有得到應有的體現(xiàn).物理學史以其特有的精神價值，在學生的人文素質(zhì)教育中可發(fā)揮重要的作用.這種精神價值，包括科學家們的科學理想、獻身精神，光輝言行和高尚品格，也包括中華民族的文明［2］.因此，可以把這些內(nèi)容有機地、系統(tǒng)地滲透到教學中，提升學生的人文素質(zhì)修養(yǎng).

大量的物理史實表明，追求科學真理是需要科學理想的支撐，要經(jīng)過多年的艱苦奮斗，要能夠耐得住寂寞和貧窮.伽利略大約于1589年開始研究自由落體問題，直到1638年才系統(tǒng)得出自由落體運動是勻加速直線運動的結(jié)果，前后長達49年.牛頓大約從1665年思考引力問題，到1687年才完整地得出萬有引力定律，時間長達20多年；愛因斯坦大約經(jīng)過10年的思考，到1905年才成功地創(chuàng)立狹義相對論，而后又經(jīng)過十年的思考與努力才最終于1915年建立起廣義相對論.更有甚者，在物理學研究中可能會受到各種各樣的傷害，也可能因此付出生命的代價.意大利思想家布魯諾因信奉和宣揚哥白尼日心說體系，提出“懷疑原則”來反對教會權(quán)威和神學教條，有力地沖擊了教會的教義，而被處以火刑，活活燒死；第一個完整地提出能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的德國科學家邁爾由于他的思想不合當時流行的觀念，不斷遭到人們的誹謗和譏笑，并曾被關進精神病院，備受折磨；玻爾茲曼因為 “原子論”和“唯能論”的爭論和別人的不認可，極大地損害了他的生理和心理健康，由于無法從中解脫，最終以自殺結(jié)束生命.在核物理的研究中，為了加速粒子轟擊各種原子，烏爾班在最初幾次大氣高壓電實驗中竟遭閃電襲擊而喪生.

我們在教學內(nèi)容中加入這些事例的講解，可以讓學生清楚地看到物理研究的艱苦過程，進而認識到不但要重視科學，也要尊重科學家和科學家的努力奮斗.在學習和研究中要廣泛吸收前人和他人的成果，善于進行學術交流，排斥獨斷論和專制主義.在科學原則上可進行激烈討論，在生活上要友善和相互尊重，才能更好地共同推動科學的進步.

2.6 與其他學科的關系

物理學是一門重要的基礎學科，它不僅僅揭示了客觀世界的物理規(guī)律，還在成長過程中形成了特有的思想方法體系.這些物理思想與方法不僅對其本身有價值，而且對整個自然科學和社會科學的發(fā)展有著重要的貢獻.因此，物理學史除了介紹各個分支學科的發(fā)展歷史，還可滲透式地介紹物理學與數(shù)學、化學之間相互促進的歷史，以及物理學與其他學科交叉發(fā)展的歷史.這可使學生認識到物理學并非是一個自我封閉的體系，而是一門有著廣闊應用天地的開放學科，同時也為學生從物理學走向其他學科打開一個窗口，擴展學生對其他學科的了解.

例如，牛頓力學的直接基礎是天文學中的開普勒三定律，牛頓的《自然哲學之數(shù)學原理》則是天文學、數(shù)學和力學歷史發(fā)展的產(chǎn)物；原子論起源于化學，近代化學中分子的結(jié)構(gòu)和性能、結(jié)構(gòu)與性能之間的關系、分子與分子之間的相互作用等問題卻要依靠量子理論來解釋.從物理與生物學的關系可得出，如果物理學贈給生物學以顯微鏡，則生物學報答物理學以能量守恒定律［9］.而從物理學史和科技史可知，物理學和其他自然科學相結(jié)合，往往產(chǎn)生出很有生命力的邊緣科學，例如生物物理、激光化學、天體物理、地球物理等等.

3 教學方法的改革

對于傳統(tǒng)的物理學史教學方法主要采用講授法.在這種教學方法下，學生只能被動地接受教師講解的知識，很難參與到教學當中，最多就是提提問題而已.又由于教學方法的單一，學生對這門課的感覺是枯燥，甚至認為史學性質(zhì)的課程，只需看看書本即可.為了避免教學方法的單一性和被動性，我們將對教學方法進行改革和創(chuàng)新，采用講授法和多媒體教學相結(jié)合，要求學生適當?shù)剡M行物理學史專題研究，讓學生參與到教學中.

3.1 采用多媒體教學方式

我們原先采用的教學方式為課件放映結(jié)合口頭講解，課件制作也比較粗糙，課件上內(nèi)容多為文字和圖片，難以吸引學生.在一次偶然的教學中，放映了一個關于牛頓的視頻，主要介紹了牛頓的成長、成就、晚年的工作以及和其他科學家的關系.結(jié)果學生認真觀看，并在課后對牛頓一生中的功過是非進行熱烈的討論.

那一次課給我們的教學提供了一個啟發(fā)，于是我們就對教學課件進行全面的改寫.在教學內(nèi)容上，在教材的基礎上進一步提煉出以上所介紹的6個方面內(nèi)容.在課件制作上，不再是粗糙的文字和圖片的簡單組合，而是對文字進行精簡，插入適當?shù)膱D片，在適當?shù)奈恢貌シ乓曨l或動畫.在圖片方面，可插入科學家的肖像圖或工作圖片，或插入相關的理論模型圖，或插入實驗裝置圖，或插入實驗或計算結(jié)論圖.在視頻方面，播放了牛頓、愛因斯坦、居里夫人等人的生平介紹，或播放了哥白尼與地心說、宇宙大爆炸、光的故事、電磁通信的發(fā)展、光纖通訊技術、量子革命、優(yōu)雅的宇宙等科普資料，或播放了中國古代文明、中國原子彈爆炸背后的故事等我國科技發(fā)展的資料.這樣把文字、圖片、視頻或動畫有機組合起來的多媒體教學方式，再結(jié)合傳統(tǒng)的講授法，顯然大大地提高了教學效率、激發(fā)了學生的學習興趣，達到較好的教學效果.

3.2 進行物理學史專題研究

在以前的期末考核方式中，我們會根據(jù)期末考試和學生撰寫的小論文評定成績.后來為了避免小論文抄襲現(xiàn)象，進一步要求學生按小論文的內(nèi)容制作課件，然而這樣的教學還是缺少師生互動.為了克服原先教學方式的被動性，我們做了進一步的教學改革.實踐證明，讓學生進行物理學史專題研究，并在課堂做研究報告，能更好地促進師生互動.具體做法如下：開課之初，每3位學生自由組合為一組，選擇一個感興趣且不重復的物理學史專題題目，查閱相關的文獻資料，接著撰寫研究論文和制作課件，在教學中結(jié)合教學內(nèi)容和題目安排學生在課堂上介紹其研究內(nèi)容.對于在課堂上無法安排題目，則會在課程結(jié)束前找出專門的時間讓學生做報告.

專題研究的題目主要有以下幾個方面：

（1）科學家的介紹.如伽利略、牛頓、麥克斯韋、居里夫人、愛因斯坦、玻爾、吳健雄等.給出各位科學家的簡歷，介紹其主要科學貢獻，談談對你的啟示.

（2）物理實驗.如望遠鏡對物理發(fā)展的貢獻、平方反比定律的實驗驗證、光速的測量、“以太漂移”的實驗探索、X射線的發(fā)現(xiàn)和應用、原子力顯微鏡等.探討其實驗或儀器的發(fā)明過程；分析科學儀器、科學實驗在科學發(fā)現(xiàn)或?qū)嶋H應用中的作用.

（3）物理思想或方法.如伽利略的科學思想方法、對比法在物理研究中的優(yōu)缺點、物理美學之探討、理想實驗在物理研究中的應用等.舉出若干個與物理思想或方法相關的例子，探討物理思想或方法的來源，說明此思想或方法對科學研究的意義，進一步對你學習的影響.

（4）物理前沿學科或交叉學科.如天文學與物理學的相互促進、量子光學簡史、霍爾效應的研究、超導電性的研究、物理與醫(yī)學、激光在生物醫(yī)學的應用、量子信息的發(fā)展等.給出其學科發(fā)展的起源，介紹此學科的內(nèi)容和相關科學家的工作、分析此學科對科學研究或?qū)嶋H應用的貢獻.

為了靈活起見，學生還可以根據(jù)自己的興趣愛好擬定題目，在我校物理教育專業(yè)2007級的學生中就出現(xiàn)了以下題目：單位制與基本常數(shù)簡史、華人與諾貝爾獎、中國古代磁學發(fā)展史、東漢大科學家張衡、飛天神器－火箭、激光美容之人體皮膚光吸收作用等.

由于本課程教學方式的改變，則成績考核方式也必須跟著改變，在這里我們引入了學生互評環(huán)節(jié).原來的期末考試仍然保留，但其比例只占總成績的50%；小組研究論文占20%，這部分成績由教師負責批閱給分；小組研究報告占30%，這部分成績由學生互評給分.這樣的考核方式，既調(diào)動了學生的互動性，又體現(xiàn)了公平性，避免了同一小組的學生分數(shù)完全相同的現(xiàn)象.在學生做專題研究報告和學生互評之間，學生對物理學史的某方面知識有了較為深入的了解，也對自己和他人有了更為全面的認識，同時在調(diào)研能力、合作能力、演講能力等方面也得到較好的鍛煉.

4 總結(jié)

隨著當前中學新課程改革的推進，尤其是一些相關的物理學史內(nèi)容寫進了現(xiàn)有的中學物理教材，對于高師院校物理師范教育專業(yè)，無論是教師還是學生，都應當重視物理學史課程的教學.學生通過物理學史課程的學習，將促進自身科學素質(zhì)、創(chuàng)造素質(zhì)和人文素質(zhì)的培養(yǎng)，也為將來的教學能力打下較好的基礎.而作為物理學史課程的教師，應當深入分析物理學史料，認真鉆研教學方法.如果在教學中為學生多個方面地介紹物理學史，那么學生將會對物理學有一個全面的認識，不但會使學生對所學物理學知識融會貫通，也會讓學生得到超出定律和公式的許多啟示.教學方法也應當適當?shù)馗母铮嘈挪捎枚嗝襟w教學和物理學史專題研究，會更加激發(fā)學生的興趣，使之主動地參與到教學當中，提高教學效率.

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3 付靜，梁路光，姜廣軍.把物理學史引入大學物理實驗教學的研究.大學物理實驗，2009（1）：114－116

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6 何晶晶，吳維寧.HPS理念下物理學史的內(nèi)容構(gòu)建及教學策略初探.物理教師，2010（11）：3－8

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8 郭奕玲，沈慧君.物理學史.北京：清華大學出版社，2005.99－102

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10 王麗萍.結(jié)合物理學史史料教給學生研究方法.物理教學探討，2009（12）：69－71

福建省教育廳基金（JA09042）資助.

2011－08－29）