汪亞平 趙懂葉 寧長春

(西藏大學理學院 西藏 拉薩 850000)

在高等學校加強對理科學生人文教育的必要性已不需要再做過多的說明.人文教育途徑各樣，其中將科技史引入教學就是一種途徑.對于大學物理實驗教學，將物理學史引入課堂教學，串聯(lián)起歷史事件和人物關(guān)系，呈現(xiàn)出一個完整的教學內(nèi)容背景，可以為學生提供一個立體知識結(jié)構(gòu).同時，物理學史引入課堂中，在理性教育中兼顧了學生感性認知的需要，滿足了學生的綜合發(fā)展需要.如何將物理學史有效引入大學物理實驗教學實踐中，仍需要大學物理實驗教師共同努力，這個解沒有最優(yōu)，只有通過不斷嘗試去尋得更優(yōu)解.

在參與《斯特恩-蓋拉赫實驗歷史概述》文章的寫作時[1]，團隊老師就一直強調(diào)，關(guān)于對該實驗的物理學史研究起源課堂上與學生的交流，去研究這個實驗的目的就是解答學生對于斯特恩-蓋拉赫實驗的疑惑，即我們一開始做物理學史研究就是針對教學、服務(wù)教學.那么，探究將物理學史引入到教學中也是一種必然.其一，因為我校的實驗教學環(huán)境還沒能達到東部、中部地區(qū)高校的水平，實驗裝置短缺，大科學實驗裝置基本沒有，所以在提高實驗教學質(zhì)量這一塊也需要我們因地制宜，而關(guān)于斯特恩-蓋拉赫實驗的物理學史研究讓我們看到了一種可能性，即可不可以不通過大科學實驗裝置又能做到對學生綜合能力的訓練發(fā)展呢？其二，在斯特恩-蓋拉赫實驗之后，團隊教師以此展開，對奧托·斯特恩、分子束方法、分子束方法測量質(zhì)子磁矩及分子束磁共振法測量質(zhì)子磁矩等工作進行了深入研究，這看似一條簡單的知識鏈條，經(jīng)過再加工還原，教師對整個知識結(jié)構(gòu)的認識更加系統(tǒng)、豐滿，使得課堂教學內(nèi)容立體生動.這也更加堅定了我們將物理學史引入大學物理實驗教學的信念.關(guān)于斯特恩-蓋拉赫實驗物理學史研究又該怎樣去服務(wù)教學呢？基于這個例子，可不可以探討出一種具體的方法？存不存在一種普適的方法，將物理學史引入大學物理實驗教學的方法，只要滿足條件，將變量代入公式即可求得滿意結(jié)果？

所以，在斯特恩-蓋拉赫實驗的物理學史研究實踐過程中，形成了將物理學史引入物理實驗教學的初步想法，并在教學中進行了初步的嘗試，現(xiàn)在以密立根油滴實驗為例，將這個過程在此分享，討論物理學史研究工作與教學如何有效結(jié)合，給出一種將物理學史引入大學物理實驗教學的實踐方法.

1 密立根油滴實驗簡介

1906年密立根(R.A.Millikan)著手測量電荷值，原理是基于湯森德實驗的基礎(chǔ)上，在1906年到1913年，密立根油滴實驗取得明顯成果，在1910年、1913年及1917年，密立根先后3次給出了實驗測量值.直到密立根退休，他一直致力于優(yōu)化實驗方法.密立根的實驗和前人比起來，有3個突破點：(1)密立根將單獨的液滴作為實驗對象；(2)密立根將實驗對象更換為揮發(fā)性不大的鐘油；(3)對云室和電解方法都進行了完善，實驗方法也更加科學，密立根在一次實驗中選擇跟蹤一個油滴上升和下降，通過觀察油滴得失小量的電荷，而每次得失的這些小量電荷值碰巧總是同一基本電荷的整數(shù)倍，他因此推導出電荷的分立性質(zhì)，電子電荷是物質(zhì)電荷的最小基本單元.在密立根之前，所有的實驗值只是給出了平均離子電荷值[2～4].

密立根油滴實驗被列為十大最美物理實驗之一，但同時密立根油滴實驗又是最具爭議的實驗之一[5～7].爭議一，主要是密立根在實驗數(shù)據(jù)處理上，對于實驗數(shù)據(jù)是否應(yīng)該有選擇性地保留各抒己見.爭議二，電荷是不是量子化還不能蓋棺定論，與電荷的量子化理論對應(yīng)的是分子電荷.爭議三，密立根是否是第一位用油滴進行實驗的科學家還有待考證.可是，不可否置的是密立根的油滴實驗是建立在眾人的基礎(chǔ)上獲得的成功，密立根對油滴實驗進行了30多年的研究，過程漫長艱難，他追求實驗完美所付出的堅持與努力不該被否定.像密立根油滴實驗這樣的經(jīng)典實驗，它承載的不僅僅是對一個物理量的測得與否，還反映了當時物理界的發(fā)展概況，反映了實驗者的物理實驗思維與直覺，以及只屈服于真理的執(zhí)著.油滴實驗的發(fā)展歷程同時也形象地說明了智慧是知識在實踐過程中的結(jié)晶.經(jīng)典總是耐人咀嚼，但是因為教科書篇幅的限制使學生無法從各個角度去認知這個實驗實在可惜.相信比起那些簡潔不過的理論公式，那些不斷極致優(yōu)化的驗證過程、實驗家的思維、實驗家與外界、與自己之間的各種博弈才是精粹.通過物理學史的研究，能夠使學生感受到知識與智慧的區(qū)別，偉大誕生于平凡，歷史的必然不會因為時代的局限而更改.所以，借用前輩們的一句話即教師應(yīng)把教育過程看成是“把凝固的文化激活”的過程, 把文化的傳授和學習轉(zhuǎn)化成歷史上文化創(chuàng)造者與今天文化學習者之間的對話[8].通過這種對話，學生對知識有一個全方位的立體的認識，根據(jù)自己的理解進行知識的再創(chuàng)造.

2 物理學史引入大學物理實驗教學實踐

物理學史引入物理實驗教學，可以讓學生看到實驗設(shè)計思想的巧妙、方法的精簡、物理實驗家的思維與情懷，以及在物理史上占有的重要地位有更深入的認識途徑，側(cè)重對學生的科學精神和人文素養(yǎng)進行潛移默化的積極影響，也可以使單一的教學內(nèi)容變得豐滿立體.物理學史引入到實驗教學中的必要性和方法已有一些介紹[9]，本文將在密立根油滴實驗的物理學史研究基礎(chǔ)上，以該實驗為例，以這個實驗本身歷史為著手點，介紹如何將物理學史引入到大學物理實驗教學實踐中，介紹一種將物理學史引入大學物理實驗教學的實踐方法，可以簡單地概括為：課前教師和學生的合作研究式物理學史研究引入過程；課堂上分享滲透式的物理學史引入過程.第一步雖然不是直接將物理學史引入課堂教學實踐中，但是卻是引入的必要前提，是一種課前滲透式引入，當然這個過程也是對學生處理問題能力的一個考驗過程.第二步是在第一步的基礎(chǔ)上進行展開，將物理學史更為具體地引入到課堂教學實踐中，通過分享、交流達到引入的目的，教師需要不斷地反思總結(jié).如果說第一步的過程中，是極大地發(fā)展學生實踐能力的過程，第二步主要就是鍛煉學生思維表達能力的過程.這兩步的落實，為培養(yǎng)發(fā)展學生的綜合素質(zhì)能力提供了一個可行的實踐過程.

2.1 課前物理學史研究準備

具體的物理學史研究過程是從兩方面落實：(1)制定方案，從實驗出發(fā)，徹底厘清實驗的始末.當然，關(guān)于密立根油滴實驗的歷史研究其實不少，那我們的出發(fā)點就是基于教學，服務(wù)教學.實驗教學需要講到的基本點是實驗背景、儀器、原理、過程及結(jié)果等，所以我們對于該實驗的著手點就從這幾方面入手.目的在于將實驗的方方面面做到心中有數(shù)，在上課時可以運籌帷幄.但是又不局限于這幾個方面，既然是物理學史研究，就要從歷史的角度出發(fā)，既然是服務(wù)教學，就要將實驗的來龍去脈厘清；(2)讓學生參與這個過程，即學生也加入到對密立根油滴實驗的物理學史研究中來，做一些力所能及的工作，目的更多地在于鍛煉學生的文獻調(diào)研和處理文獻的能力，提高學生解決問題的綜合能力，發(fā)展學生的創(chuàng)新思維.所以，課前教師和學生的合作式物理學史研究的一個關(guān)鍵點就是讓學生參與物理學史的研究，這也是讓學生參與教學的一個舉措，在個人看來，教學并不局限于固定的課堂，一切教師與學生相互間有效的促進都是教學.具體方法如下.

因為我校大學物理實驗教學大綱設(shè)定一學期8個實驗的教學目標，所以在開學之初，教師按學生的成績相互交錯將學生分成8個小組，每組大概4位學生.將8個實驗的物理學史調(diào)研任務(wù)分配給每一個小組.每一個小組確定小組長，教師明確任務(wù).分組承擔物理學史研究任務(wù)相對減輕了學生的負擔，也保證了切實可行.教師在一學期之內(nèi)不可能將8個實驗的物理學史研究都展開，可以逐個突破，即每一學期以一個實驗為重點，教師全力協(xié)助任務(wù)小組的學生，將這個實驗的始末梳理清楚，并盡力督促其他小組做好資料收集、研讀、整理的學習.

接到任務(wù)的小組，以組為單位再進行細致的分工，讓每一位學生都參與其中.如密立根油滴實驗，教師已經(jīng)調(diào)研到一部分密立根油滴實驗的相關(guān)文獻資料，并對這個實驗有了更深入的認識，密立根油滴實驗并不像教課書上介紹的那樣簡單，它是近代物理學中一個經(jīng)典的物理實驗，實驗背景展示了經(jīng)典物理學與近代物理初期交接階段物理學界的迷茫與生機，實驗原理在物理學家探索中亦趨亦進，實驗方法在缺陷中逐漸完美，實驗過程曲折漫長，實驗結(jié)果在更新中漸漸明朗.在任務(wù)小組開展工作時，教師在適當時機開展與任務(wù)小組的第一次小型會議交流.第一步，教師將自己已做的工作進行介紹，然后從實驗背景、原理、方法、過程和結(jié)果這幾個方面展開討論，給出工作實施方案建議，尊重、支持和督促小組給出具體實施方案.第二步，教師要定期了解小組的進度，及時交流溝通，協(xié)助小組完成數(shù)據(jù)資料的整理工作.

在這個過程中，教師需要靈敏地觀察小組成員的動態(tài)，及時鼓勵小組成員取得的收獲，將在這個過程中激起的興趣放大，鼓勵學生進行展開，將資料整理再組織的過程中獲得的線索整理成文本，鼓勵學生申請大學生創(chuàng)新項目，亦可以作為以后畢業(yè)論文的前期工作積累.在密立根油滴實驗的物理學史研究工作中，教師將問題打包發(fā)給學生，學生定期給出自己關(guān)于問題的答案，定期推進工作進度，定期進行交流溝通.這個問題是在相互溝通、推進工作前進的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，學生給出答案是在教師的指引和自我的探索中形成.不可否認，這是個教學相長共同進步的過程.在工作末尾時，學生按約定將團隊收集的資料以及與教師交流獲取的信息進行梳理總結(jié)，制成小冊子或者PPT，在課堂上與其他同學進行共享.

當然并不是所有的實驗都如密立根油滴實驗那么豐富，但是所有的列入大學物理實驗教學中的實驗都堪稱經(jīng)典，都值得去推敲.并不是所有的推敲都要成文，這取決于實驗本身，但是對于學生，教師應(yīng)鼓勵學生從實驗出發(fā)，去收集一些史料整理成小論文(或者PPT課件)，不僅豐富了課堂的教學內(nèi)容，也切切實實讓學生從實踐中得到了綜合的訓練.而且，課前合作研究式的物理學史資料收集的過程中，師生較好的互動，使得師生關(guān)系親近，這會間接促使課堂氣氛更融洽.

教師的物理學史研究，是教學與科研的統(tǒng)籌，歸根結(jié)底又是一切為了教學.在密立根油滴實驗教學前，教師需要深入研究相關(guān)史事，實踐證明，對每一個實驗的物理學史研究都需要一個長時間的投入，所以教師可以給自己定一個計劃，比如一學期徹底梳理清楚一個實驗的始末，以8個實驗為橫向研究線索，以單個實驗為縱向深入研究出發(fā)點.通過深入的研究，對密立根油滴實驗有了更深入的認識，對當時的物理學背景有了更全面的掌握，還獲得許多新的觀點和引出了許多問題，在這個研究過程中留下許多后期工作的線索，團隊教師將在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對密立根油滴實驗進行更深入的研究.

2.2 課堂上分享滲透式的物理學史引入實踐

在第一步完成的基礎(chǔ)上，進入密立根油滴實驗的課堂教學.在實驗操作前，任務(wù)小組的學生將收集到的資料進行共享.將制成的小冊子人手一本讓同學閱讀預習，也可以是由任務(wù)小組的一名成員解說PPT，完成實驗預習目的.

在此基礎(chǔ)上，教師可以根據(jù)上課節(jié)奏拋出相應(yīng)問題，推動課堂良好進展.如問題1：“密立根為什么要做這個實驗？”

經(jīng)過討論，學生對當時的物理學背景和實驗目的有了一個立體的認知.

再如問題2：“密立根油滴實驗的實驗設(shè)計原理？”

1903年，威爾遜創(chuàng)造性地改進了湯森德的實驗方法，加入豎直的電場，威爾遜的實驗原理如下：給云室加上電場強度E和重力方向反向的勻強電場，在重力作用下的油滴速度為vg，在電場力作用下的速度為vE，則[6]

(1)

易得

(2)

威爾遜測得了10組電荷值，給出了離子平均電荷值為1.03×10-19C.

威爾遜的方法中存在許多帶不同電荷量的液滴，通過電場作用于云霧上，可以選擇云霧上層最輕的帶電液滴作為實驗對象.但是威爾遜的vg和vE值是默認云霧體積不變，而實際是云霧在不斷膨脹.而這些為密立根后來撬開成功大門提供了一絲縫隙.

1906年，威爾遜實驗原理上的不足激起了密立根重做其實驗的意愿.密立根依據(jù)威爾遜的實驗原理進行了多次測量，都未獲得令人滿意的結(jié)果.后來他加大了電場強度，云霧開始消散，變成一個個獨立的小液滴，密立根意識到如果實驗對象不是云霧而是一個單獨的液滴，問題不就迎刃而解了嗎！密立根對威爾遜電荷測量實驗進行改進，即我們現(xiàn)在采用的靜態(tài)平衡法.

在云室兩極板間加電壓為U的電場，兩極板間距離為d.作用在液滴上的力有重力G和黏滯力f，因初始速度小，黏滯力小于重力，油滴做加速運動，當速度達到一定值v，黏滯力剛好平衡重力，G=f+f浮，油滴做勻速運動.則有

(3)

密立根依據(jù)斯托克斯定律重新推導出

則

經(jīng)過多次實驗，密立根發(fā)現(xiàn)q為一個常數(shù)的倍數(shù)，這個常數(shù)即基本電荷e,密立根的e測得值固定在1.55×10-19C.

我們現(xiàn)在知道，在兩極板間不加電場時，作用在液滴上的力有重力G、黏滯力f和浮力f浮，因初始速度小，黏滯力小于重力，油滴做加速運動，當速度達到一定值v，黏滯力和浮力剛好平衡重力，G=f+f浮，油滴做勻速運動.則有

(4)

其中

η′為修正的空氣粘度系數(shù)，r′為油滴的近似半徑

ρ′為空氣密度.由此可以計算出油滴的半徑

(5)

將式(5)帶入式(3)便可推導出q值，進而計算出基本電荷e值.

密立根通過實驗確定電荷的不連續(xù)性，取得了重大跨越.但是實驗液滴的蒸發(fā)問題一直困擾著他，最終他利用鐘油作為實驗對象，大大減小了因為液滴蒸發(fā)引入的實驗誤差.將油滴送入云室，密立根選擇利用霧化器，油霧進入云室后下落，改變電場的大小可以控制油霧的運動速度.密立根發(fā)現(xiàn)通過測量油滴運動的速度來確定油滴的帶電荷量更方便，也就是現(xiàn)在說的動態(tài)法測量油滴電荷，即所加電場使油滴向上運動，最終勻速上升運動，有

qE=6πη′r(vg+vE)

(6)

因而

(7)

到1917年，密立根給出他關(guān)于基本電荷的最終實驗值

e=(1.59±0.005)×10-19C

或e=(4.774±0.005)×10-10e.s.u.

又如問題3：“密立根油滴實驗是一蹴而就嗎？”

由問題2的解答，我們可以清晰地知道電荷測量實驗的起源和歷程.我們現(xiàn)在進行的兩個學時的實驗，是前人經(jīng)歷幾代人幾十年的研究成果.到密立根這一階段，測量電荷的實驗基本已經(jīng)成熟，在1913年，密立根發(fā)布他的實驗數(shù)據(jù)，因而獲得1923年的諾貝爾物理學獎，這之后他依然孜孜不倦奮力于油滴實驗的研究.

經(jīng)過實驗前的這些討論，學生基本對密立根油滴實驗起源和發(fā)展有了清楚的認知，較好地達到了實驗預習的目的，為后面的實驗操作做好了充分準備.

學然后知不足，教然后知困.知不足，然后能自反也；知困，然后能自強也.當我們正式地去研究這個實驗時，確實有許多理論上的問題重新引起我們的注意，并且認識到實驗本身的許多細節(jié)需要如何安排，在實驗過程中遇到的困難怎樣克服解決.斯托克斯定律推導小油滴半徑的過程是怎樣的？實驗參數(shù)為何要進行修正？密立根選擇性的發(fā)布實驗數(shù)據(jù)是否合理？分數(shù)電荷是否存在？這些問題牽扯更多的理論知識和文化認知背景，我們簡單討論過，可是真要說清楚，又是另外的問題，教師依然可以鼓勵原任務(wù)小組繼續(xù)深入研究討論.解答一個問題不難，因一個問題能提出一個問題或多個問題才是學問的根本.

杰羅姆·布魯納曾經(jīng)說過：“ 一個人學習一門學科的知識，不是要建立有關(guān)這門知識的小型圖書館，而是要掌握其知識結(jié)構(gòu)和方法原理.只有這樣我們才能從知識的成品倉庫進入知識的生產(chǎn)車間”.在如今，想要將某一領(lǐng)域知識窮盡幾乎不可能，能做的就是通過對知識結(jié)構(gòu)與學習方法的學習，形成一套自己的知識結(jié)構(gòu)和學習方法，將能學到的有限知識轉(zhuǎn)化為智慧和能力.學生在課堂上接受的知識很有限，而通過物理學史的引入，培養(yǎng)學生的感性認知能力，通過物理學史與教學內(nèi)容的結(jié)合，讓學生的感性認知上升到理性內(nèi)化，將知識轉(zhuǎn)化為智慧，智慧體現(xiàn)出綜合能力，這就是人文教育和科學教育結(jié)合的意義.

3 結(jié)論

本文主要是在斯特恩-蓋拉赫實驗的物理學史研究基礎(chǔ)上提出的一種將物理學史引入大學物理實驗教學的實踐方法，在實際教學中也在推廣到其他的實驗教學中，即課前指定任務(wù)小組收集相應(yīng)實驗的歷史資料，鼓勵學生整理成小論文，申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或者作為畢業(yè)設(shè)計未嘗不可嘗試.教師通過組織督促每一屆學生的資料收集，可嘗試開展深入的物理學史研究，也可嘗試開設(shè)實驗物理學史選修課等.如果說課前教師和學生的合作研究式物理學史研究過程是讓學生參與教學備課中，那么課堂上分享滲透式的物理學史引入過程則是鼓勵學生參與到教學實踐中.學生通過課前收集整理物理學史資料，了解物理學家的科學思維和研究方法，必然會對課堂上的理論分析和實驗操作起到引導和促進作用.