大学物理教学中引入物理学使的途径和意义

　　物理知识是我们在生活中比较常用到的，从古至今的发现历程组成了物理学史，本文主要分析了在大学物理课程中，引用物理学史的途径和意义

    摘要本文中，我们讨论将物理学史与物理科学知识进行融合讲述的途径及其意义。在“大学物理”课程教学过程中，课堂上的绝大部分时间被用来进行科学知识的讲述，而物理学史的相关内容往往被放弃。这种教育方式使得学生只能被动地从逻辑上去接受所有的物理知识，对物理学的探索和发展过程却一无所知，进而影响了科学文化传播以及科学精神的培养。本文探讨在课堂上适当引入物理学史的内容，并且将物理学史与物理科学知识放在同等地位进行讲授。我们建议将“物理学史”作为核心内容的一部分加入到《理工科类大学物理课程教学基本要求》之中。这种改变将有助于学生培养科学精神，了解科学研究的过程和方法，获得正确评价科学事业的能力。

　　关键词物理学史；教学科研；科学方法论；教学法

　　作者：汪洋    秦刚    耿平（哈尔滨工业大学（深圳），理学院，深圳518055）

　　物理学本身不仅仅包括物理科学知识，还包括与之相关的发现历程，以及涉及其中的科学精神和研究方法。这一切综合在一起，组成了人类历史的重要组成部分——物理学史。如果我们完全摒弃物理学史，那么物理学教育将完全沦为教授科学知识使用方法的过程。然而，如果我们想要培养学生的科学精神，那么就应该将物理学史与物理科学知识放在平等位置进行对待。在这篇文章中，我们首先讨论物理学发展的客观规律以及物理学史的独特价值。进一步，讨论将物理学史融入“大学物理”课堂的途径。最后，讨论物理学史在当今中国的物理教育中可能起到的作用。

　　1历史发展的非逻辑性

　　物理学中，当一个新观念被牢固建立以后，人们往往发现新的观念以简洁清晰的方式解释了相关的物理现象。所有一切看起来都是那么自然，就像是逻辑分析得出的必然结果一般。但是，如果从历史的角度来看，新观念的发现过程经常是一波三折，至少是在逻辑上看来并不是那么显然。历史上，一个新观点最初提出来的时候，往往是在建立在旧的知识框架下，所以处在萌芽状态的新思想不可避免受到老观点的束缚。在进一步的发展过程中，人们不断提出疑问，把其中错误的成分剥掉，使之建立在牢固的数理基础上，逐渐发展成逻辑严密的形式。

　　在这个探索过程中，当旧的理论与实验数据出现不可调和的矛盾时，纯粹的逻辑推理很难跨越这道鸿沟，而物理直觉能够帮助科学家提出新的思想来解决问题。逻辑推理固然重要，但是物理的直觉却往往是揭开谜底的第一步。所以，物理的发展过程不可能是一个简单的逻辑推导过程，而这一点从物理学史的角度来看是非常清楚的。如果是纯粹逻辑方式的从理论上进行讲授，则无法让学生了解物理学发展的真实过程。

　　2引入物理学史面临的问题

　　如果我们以现代的、逻辑严密的观点来讲述物理，这种讲解将会是简洁而富有效率的，没有太多含糊之处，能够让学生在最短的学时内学到最多的科学知识。然而，如果从历史的发展过程来讲述物理知识却往往要付出一些代价。由于历史的发展本身就没有严格的逻辑，导致这种讲述方式也是迂回曲折的。如果从单位时间内获取的知识点的数量上来看，从历史的角度进行讲述并不划算。但是，从培养学生物理思想的角度来讲，仅仅用知识点的数量对教学效果进行衡量是片面的，因为科学精神的培养是同样重要的。

　　简单分析一下国内市面上最常用的教科书，我们就可以清晰发现，在多数情况下，中国物理教育采取的方案是以现代观点来讲述物理，追求最大的效率为目的。而物理学史有关的往往写得干净简洁，主要用于提供一些科学家的名字和科学发现的时间节点。在课堂上，教师的角色是以最简洁清晰的方式讲述知识，而学生的角色是用正确的方法求解出习题，理解科学知识。这种讲授方式在一定程度上给学生造成一种错误的直觉，即，物理学的发展就是逻辑推导过程，而且只能朝着正确的方向发展。这种思想一旦形成，会导致学生迷信书本知识。因为书本上的知识全部都是基于逻辑，应该不会有错，进而严重阻碍学生的怀疑精神和创造力。

　　3引入物理学史的意义

　　引入物理学史的目的，绝不是简单地增加兴趣，帮助理解科学知识。而是从根本上引导学生批判思维，独立思考能力，以及科学价值观念的方面的培养。对于学生而言，这些科学精神方面并不是自觉就能够发生的。绝大部分情况下，学生不会追问历史的来龙去脉，他们只会努力学会掌握和使用这些科学知识．对于大部分学生而言，科学精神的培养需要教师的引导才能进行，而物理学史将会在培养学生科学精神方面起到重要作用。如果学生能够了解物理发展的真实过程，他们自然就会明白批判眼光和独立思考在物理发展过程中的重要价值，知道一个个物理概念如何发展到现在的样子。也自然会知道，物理学家是在不断地尝试中用尽一切手段去寻找答案，而并不是只有冷静的逻辑思考。而这些培养，在一个纯粹讲述科学知识的为目的的课堂里面是不可能做到的。

　　热力学中“卡诺定理”的发现史就是一个富有启发的例子[1，2]。18世纪的时候，人们发明了蒸汽机，接下来如何进一步提高蒸汽机效率成为当时的重要问题。1824年，法国的年轻工程师卡诺（SadiCarnot，1796—1832）发表了《关于火的动力和适合发展这种动力机器的思考》一文，提出下面的问题：“热的动力是否有限？蒸汽机的改进是否存在以任何方式都无法逾越的极限？”在理论上，他提出下面的任务：“为了以最一般的方式考虑热的运动产生的原理，就必须独立于任何机制或任何特定的工作介质。有必要建立不仅适用于蒸汽机，而且适用于所有可想到的热机的原理，不论其工作物质是什么，以及它所采用的运转方法是什么。”接下来的论证，采用了两个前提条件：（1）第一类永动机不可能实现。（2）热质论。热的传递是由于热质的流动。热质无重量，不会产生也不消失。通过考察蒸汽机的工作流程，卡诺认为蒸汽机的产生动力是由于蒸汽机将热质从高温物体（熔炉）转移到了低温物体（冷凝器），进一步他断言这一原理适用于任何由热引起运动的机器，并且明确提出：“单独提供热是不足以产生推动力的，必须要有冷；没有冷，热就没有用了。”接着，卡诺描述了一种由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆循环，这就是著名的卡诺循环。他根据第一类永动机不可能实现和热质论这两个前提，证明了没有任何热机能够产生比卡诺循环更多的动力，并得出结论：“使用蒸汽所产生的最大动力，也是其他任意方式所能得到的最大动力。”这就是卡诺定理的最初描述，换成现在的方式来讲：热机必须工作在不同温度的热源之间，工作在相同高温热源和低温热源之间的一切可逆机都有相同效率，不可逆热机效率不可能大于可逆热机的效率。从这一段历史里面，我们可以看出：（1）真理的发现往往不是一蹴而就的。卡诺采用的“热质论”，现在看来是不对的，导致论文中也有部分不正确的结论。但是他关于卡诺定理的描述是正确的．这为提高热机效率指明了方向，并且包含了热力学第二定律的基本内容。后来，克劳修斯（RudolfClausius，1822—1888）在卡诺工作的基础上去掉了热质假说，提出了热力学第二定律的克劳修斯表述。（2）物理直觉和想象力在物理规律的发现过程中起到重要作用。卡诺从蒸汽机产生动力同时需要高温物体和低温物体得到启示，提出“单独的热源不能产生推动力”这个重要观点。（3）物理学发展的非逻辑性。按照逻辑来讲，热力学第二定律的建立应该在第一定律建立以后，可是历史上发展顺序正好是反过来的。（4）物理学发展的阶段性。通过介绍物理学史上的真实案例，使学生明白物理观点处在不断地更新过程中，从而潜移默化地培养学生的批判眼光和独立思考能力。

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