物理学史的教育功能.doc

物理学史的教育功能上海市朱家角中学 俞成摘要 本文认为物理学史有如下教育功能：（1）加深学生对物理知识本质的理解，（2）培养学生的科学方法，（3）培养学生的创新精神，（4）培养学生的人文精神，（5）对学生进行科学美学教育，（6）对学生进行思想品德教育，（7）对学生进行爱国主义教育，（8）培养学生的学习兴趣。关键词：物理学史 物理教学 教育功能物理学史是科学史的重要分支，是一门关于历史的科学。物理学史融合了与物理学有关的自然科学以及与人类思想、社会历史发展有关的文史哲的多学科知识，是一门自然科学、人文科学、社会科学、思维科学紧密交叉渗透的综合学科。物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、结构、特性、规律和本质的历程。它包含了丰富的认识论和方法论因素，包含了深刻的物理思想和观念的变革，包含着探索者的思索、创造、艰辛与悲欢，人类对物理知识的认识发展历程，比起教科书上知识的编排的逻辑体系有着更多的矛盾，更为丰富多彩，复杂曲折，因而包含着丰富的教育功能。一、加深学生对物理知识本质的理解 在物理教学中引人物理学史可以帮助学生理解科学发现的本质。科学知识是不断继承发展而得以扩充深化的。现有的物理知识都是人类从与物理世界的长期对话中，经过无数的曲折与反复，抽象、概括而获得的。在物理学习时，对于物理学中的各个基本概念、定律和理论，只有了解它的产生、形成和发展的过程，即具体了解它们是根据什么科学问题和实际原型被提出来的，又由于哪些矛盾和发现而得到修正和发展，经历了哪些重要发展阶段，为什么呈现出目前的状态，才能真正懂得它们的本质，理解它们丰富的内涵。比如，物理学中非常重要的两个概念“动量”和“动能”，它们都与质量和速度有关，都能对机械运动进行量度，各自都有相关的定理和守恒定律。如果只从定义和罗列二者的适用条件对它们进行区分，学生还是难以理解它们的本质区别。如果能对物理学史上长达二百年的关于“运动的量度”的争论做出介绍，并说明恩格斯从运动转化的高度上对两种量度的本质区别所做的剖析，必然会帮助学生深刻理解这两个概念及有关原理的实质，提高这部分内容教学的科学性和思想性。 在物理教学中引人物理学史可以帮助学生理解物理理论的相对真理性。任何一个科学理论都包含着对与错、真与假、优与劣的双重因素，包含大量未知因素，不可能完美无缺。任何一个科学理论都是变化发展的，具有相对真理性。比如，关于光的本性的认识就经历了牛顿微粒说与惠更斯波动说之争菲列耳的波动理论麦克斯威的光的电磁说光的波粒二相性的认识历程。如果在教学中不做历史回顾，很容易使学生对物理知识的来源和理论体系的形成感到深奥莫测，很容易对物理知识进行僵化的绝对化的理解。因此，在物理教学中应该结合物理学史既要讲清理论的由来和发展，讲述理论的成功，解决了哪些问题；也要讲清理论的缺陷和局限，讲清理论存在的矛盾和发展前景。在物理教学中引人物理学史可以帮助学生了解物理学基本观念的变革。爱因斯坦曾指出“在建立一个物理学理论时，基本观念起作最主要的作用。” 爱因斯坦著，物理学的进化，上海科学技术出版社，第201页。物理学理论的发展，最集中、最本质地表现在物理学基本观念和相应的物理世界图景的演变上。不同的物理学基本观念，描绘出不同的物理世界图景。每一次物理学理论的变革，都使人们面对一个崭新的世界。物理学的发展总是以物理观念、物理思想的突破为先导的。比如，中心力的传统观念，使奥斯特寻找电流对磁针作用的实验屡遭失败，当他从通电导线发热乃至发光的现象受到启示，考虑电流对磁针的作用可能是一种“横向力”，他才获得成功，并第一次发现了非中心力，产生了场的初步观念。再比如，马赫对牛顿绝对时空观的批评，深刻地影响了爱因斯坦，使他终于迈出了创立狭义相对论的步伐。二、培养学生的科学方法 物理学的发展历史表明，物理学的发展与科学方法的产生、发展和完善密切相关。伽利略正是借助于实验方法、理想化方法和数学方法通过推理才得出落体运动定律的。牛顿用实验观察方法和归纳法研究了光的色散问题，应用数学方法和综合方法得到了万有引力定律和力学三大定律。科学家在探索物理规律时的独特的思维方法非常值得我们研究、借鉴和学习，是我们的宝贵的精神财富。在物理教学中把物理规律的基本内容与历史发展过程结合起来，让学生了解科学家发现物理规律的历史过程，循着科学家的思维方法和探索途径来“发现”物理概念和规律，可以使学生受到科学研究方法的熏陶。但是，需要指出的是，科学创造绝没有一种“放置四海而皆准”方法，科学创造本身就是一个再创造的过程。因此，学习前人的方法，与其说是为了掌握具体的方法本身，倒不如说是为了积累前人科学思维的经验，是为了科学思维训练。对学生进行科学方法的教育最有效的方式是在物理教学中精心选择物理学史上的一些重要“案例”进行剖析。在教学中除了对学生进行逻辑方法的培养外，还应对学生进行非逻辑方法的训练。因为在实际的科学发现过程中，科学家们的创造工作往往带有浓厚的非理性、非逻辑的色彩，敢于突破前人的传统观念，离开坦途，另辟途径，往往是科学发现的关键因素。特别是由于现代物理学的研究对象和理论体系脱离直观经验和高度抽象化的特征日益增强，通常的思维方式越来越无能为力，科学想象、理想实验、试探猜测、大胆假设以及直觉、灵感等思维方式在建立新理论过程中的作用越来越重要。三、培养学生的创新精神 科学的本质在于探索，科学的生命在于创新。整个一部物理学史就是一部突破和创新的历史。物理学发展史上的创新精神主要体现在以下两个方面。1、物理学观念和思想的创新。例如，1900年普朗克在热辐射的研究中，面对经典物理学的困境，大胆突破了经典物理学长期信奉的自然过程不做跃变，一切都是连续的传统观念，提出了能量量子化的思想，引发了认识领域的一场深刻的革命。2、物理学研究方法和手段的创新。科学方法和研究手段的创新往往促成科学与技术的重大发现和发展。比如，伽利略借助于小球在斜面上运动的研究，利用理想实验的方法得到了惯性定律，冲破了自亚里士多德以来人们一直信奉的受力运动的物体当外力停止作用时便归于静止的错误观点，正确地指出力不是运动的原因，而是运动变化的原因。 在物理教学中培养学生的创新精神，最重要的一点就是培养学生的怀疑和批评精神。科学史上的大量事例表明，不迷信传统理论和观念，不迷信权威和书本，是科学创新的思想前提。在科学本身的矛盾已经显现出来时，谁能首先同束缚科学发展的传统观念决裂，勇于提出新思想、新见解，谁就可能抢占科学发现的前沿阵地，做出突破性的发现。比如，1956年，当精确的实验结果把粒子物理学中的“-”疑难尖锐地摆到物理学家面前时，李政道和杨振宁敏锐地审查了从未被怀疑的宇称守恒定律的适用范围，大胆提出了弱相互作用中宇称不守恒的假说，从而导致了物理学理论的一个突破性进展。怀疑精神的具体表现就是敢于和善于提出科学问题。爱因斯坦说：“提出一个问题往往比解决一个问题重要。因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。” 爱因斯坦著，物理学的进化，上海科学技术出版社，第66页。在物理教学中，为了培养学生提出科学问题的能力，必须从真实的物理学认识发展的历史进程中，展示物理学探索过程中问题背景的演化，阐明重大物理学问题产生的历史条件及其所导致的深远后果。四、培养学生的人文精神 人类教育在经历了古典人文教育、近代科学教育之后，正在进入一个更加成熟的人文教育和科学教育并重的时代。人文学科再度受到重视，反映了现代人类从物质追求到重视精神追求的时代趋势，反映了教育从人文化到科学化再走上科学化与人文化兼容互补的历史发展轨迹。关于人文精神的定义虽然目前尚未统一，但学术界和公众对其基本内涵已有共识。人文精神是人类以人为对象，在追问人存在的合理性的理性探索中提升出的一种价值观念体系。人文精神强调人的本质，注重人的存在和发展，关注人的权利、价值和人类的命运。人文精神对人的关照体现在个性和人类两个方面，前者可概括为对个体的人格完善的追求与对个体的社会地位和命运的关怀，后者主要指对人类生存前景的关怀。从操作层面上看，人文精神在宏观上常常表现为人对自身、他人、人类及社会的求真求善求美的态度。例如，培养自己独立的、批判的、求索的、创造的健康人格，尊重、理解、宽容他人并肯于和善于与他人合作，关心社会的公正、平等、民主以及科学、技术与社会间相互促进和制约的关系与它们的健康发展，关心人类与自然、环境之间的可持续的和谐发展，等等。 综观物理学的发展，物理学史中含有丰富的人文精神因素，它们可以作为在物理教学中进行人文精神培养的素材。首先，物理学概念和规律的建立体现着物理学家对真善美的追求。对寻求自然界物质、物质的组成及其运动规律的物理学来说，首要的任务就是追求自然界的真，许多物理概念、规律从最初提出到最终的确立都经历了科学化不断提高的过程。比如，从牛顿的光粒子到光的波粒二相性。科学的物理概念和规律在建立之后将被应用于社会，即用来行善。美，在物理学领域一直作为一种重要的物理思想和物理方法而起作用。其次，物理学的发展体现了人类对终极性真理的渴望。“人之处，性本善”，关心人类应有的健康天性以及它在个体身上的发展是人文精神的典型宏观表现，对物理学的发展来说，当物理学的发展的主要推动力由物理学家个人的好奇，经过受生产力直接推动阶段，逐渐转入对物理学理论自身内在逻辑自恰性的思考时，物理学的发展就已超越直接的社会功利性而表现为人类（通过物理学家群体）对自然的本源，宇宙的形成、发展与演化，物质运动的最普遍规律等终极性真理的探索。比如，对物质运动形式的研究，人们一直存在用一个统一规律描述各种运动的统一理论之梦。物理学家对自然科学终极性真理的追求与人类探索自身生存意义一样，实质都反映了人类追求未知的天性。因此，在物理教学中应注意让学生从物理学的发展体会物理学家追求终极性真理的精神，就可以使学习者受到人文精神的熏陶并努力保持自己的人生境界。第三，物理学思想和方法对人类精神境界有着深远的影响。科学及其思想的发展不断改变着人们的精神境界。就物理学来说，日心说粉碎了宗教神学存在的基础，从而使人们摆脱了“神”的束缚而为尽情展现多彩多姿的人性提供了科学基础。伽利略和牛顿奠基的经典物理，使人类充分认识到大自然的变幻是有规律的、可认识的。到了18世纪末，人类对宇宙体系的研究已使人们认识到太阳并不是宇宙的中心，使“权威象征中心”的思想受到挑战；人类的精神世界开始挣脱传统意识的桎梏，萌生宇宙万物平权且有秩序、有组织的观念。于是，在人与人、人与社会的关系上，人人生而平等的民主思潮开始发展，民主的国家体制与法制的社会秩序也开始逐渐建立。在人类与自然界的关系上，人类作为万物之灵统治世界或人类应该征服自然、改造自然的认识已被放弃，代之的是，人类的智慧表现在人类能设法保持人类社会与自然界的平衡与和谐发展。第四，物理学家的事迹闪烁着人文精神的光辉。纵观物理学的发展可以发现大多数物理学家都关心研究成果要应用于社会的发展，不要用于邪恶的用途。他们运用自己的社会影响，反对战争，保卫和平，关注社会、人民、正义和公正，科学家崇高的道德品质显示着耀眼的人文精神光辉。 物理学史中既然含有如此多的人文精神因素，因此在物理教学中我们必须充分应用它们。我们要把科学认识发展的脉络、动因、历史背景和发展规律揭示出来，阐明重要的科学概念、定律和理论的产生和发展过程，介绍科学观念和研究方法的演化和变革，论述重大科学突破对人类认识和社会发展的巨大影响，显示科学技术是人类社会发展的根本动力。我们在介绍科学技术给人类带来幸福的同时，还应强调科学技术的“双刃剑效应”，必须使学生了解科学技术的进步也带来了一些负面效应，如环境污染、生态失调、人口膨胀、能源枯竭和核战争的阴影等。使学生增强社会责任感，确立关于科学的正确的社会评价，学会关怀社会，关怀全球的发展，关怀人类的命运，关怀人类的可持续发展问题。物理学的发展与哲学的关系十分密切，许多著名的科学家也是哲学家，许多物理学的问题也是哲学问题，在物理教学中，我们可以通过物理学史对物理学理论的本质、物理世界图景的变革以及对物理学大师们科学思想的揭示，提高学生的哲学素养，特别是加深理解各种哲学思想的科学基础和科学思想的内涵。科学作为人类文化的有机组成部分，它的产生、发展与人类社会的整个文化背景有着不可分隔的联系，科学思想与文学艺术、宗教神学、道德伦理等人类文化是紧密相关的。中国古代的一些物理学和自然科学知识，往往是在古人的神话传说、诗词歌赋、经典史籍、笔记杂说、戏曲传奇、小说野史中记载下来的，比如，宋代诗人陈与义曾写到：“飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。卧看满天云不动，不知云与我俱东。” 转引自A热著，可怕的对称，湖南科学技术出版社，第60页。在这里诗人就提到相对运动知识。我们应该把这些科学史的内容引入物理教学，对学生进行文化熏陶。对学生进行美学教育也是培养学生人文精神的重要方式，这个问题将单独作为一节来讨论。五、对学生进行科学美学教育 著名物理学家李政道认为：艺术和科学事实上是一个硬币的两面。因为伟大艺术的美学鉴赏和伟大科学观念的理解都需要智慧。物理学史中蕴涵着大量的科学美。从古代毕达哥拉斯学派把对自然奥妙的探索与对自然美的追求统一起来到现代理论物理学家把美学原则作为评价科学理论的一个重要依据来看，众多的物理学家从各自的科学创造实践中，感受到科学理论的审美价值；在科学美学原则的指导下，他们做出了杰出的工作。 在物理学的发展过程中，物理学家在探索物理学规律的艰辛旅程中，一方面总是伴随着对美的热烈追求，另一方面又强烈地表现出他们精神上的种种美德。这些都是审美教育中珍贵的美学因素，物理学家们对美的执着追求和他们的人生美德，可以启迪学生的智慧，引发学习的兴趣，激励成功的意志，养成献身科学的良好品德。哥白尼与托勒密的地心说决裂，就是有其执着追求美的因素。他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的，而托勒密为了解释天文观测的结果，引入了许多“均轮”、“本轮”，使得地心说既复杂又缺乏逻辑自洽性。因此，在极端困难的条件下，哥白尼殚精竭虑，研究了三十多年，终于建立了不朽的日心说。电磁学的发展在很大程度上得益于对称美的启示。法拉第深信电与磁是对称的，他认定既然电能生磁，那么磁也能生电。他坚持奋斗十年，发现了电磁感应现象。同样，麦克斯韦的位移电流假设，除了逻辑思维上的原因外，确信物理规律具有对称、和谐统一的美的形式，也是一个不可忽视的重要原因。 以上这些事实告诉我们，审美活动与物理学研究密切相关，克服物理理论中某些美学因素上的缺陷，往往导致物理学新现象、新规律的发现。这是因为在客观世界中，真与美是统一的，它们是同一事物的两个侧面，对真理的追求必然伴随着对美的追求。物理学家们在探求物理发展过程中表现出的人生美德更是感人至深。面对罗马教廷的熊熊烈火，布鲁诺用响彻环宇的“火并不能把我征服”的宣言，宣告了神学的毁灭，真理的永存。他捍卫真理的英名和美德，万世留芳。构建了经典物理宏伟大厦的牛顿，向世人宣告“我有幸捡到美丽的贝壳，是因为我站在巨人们的肩膀上”，表现了他谦逊的美德。居里夫人不惜用二年多的时间研究铀盐，并提炼出放射性元素，她为了纪念自己的祖国，把其中一种元素命名为钋。她在功成名就的情况下，依然保持着百折不挠的献身精神和爱国主义精神，显示出崇高的心灵美。中国现代物理学家王淦昌、钱三强、钱学森、邓稼先为了祖国的科学事业，放弃国外优越的生活条件，毅然回国，报效自己的祖国，表现出同样伟大的精神美德。法拉第成名之后世界各国赠给他的各种学位头衔达几十个之多，但他却把所有荣誉和奖章都收藏起来，连最亲近的朋友都未见过，当有人问他喜不喜欢这些荣誉时，他说“我从来没有为追求这些荣誉而工作”，朴实的话语表达出他不图虚荣的人格美。在教学中结合物理学史向学生宣传科学家们的人生美德可以使学生在知、情、意、行上得到美的升华，使学生学到物理知识的同时，得到情操上的熏陶、思想上的教育、心灵上的启迪。六、对学生进行思想品德教育 物理学史以其独特的精神价值，在学生的思想品德教育中可以发挥重要的作用。深入剖析科学伟人的生平、环境、教育和成长道路，可以发现科学家不是超道德的，他们的科学探索活动和科学成就，与道德价值观是密不可分的。科学家是普通的人；但是他们又极不普通，这极不普通体现在他们的敬业精神和对科学事业的热爱与专注，体现在他们耐得寂寞、甘守清贫的勤恳诚实的劳动上，体现在他们对他人、对集体、对社会的强烈的责任感上。教学中利用物理学史对学生进行思想品德教育主要表现在以下几个方面。（1）培养学生追求真理、献身科学的牺牲精神。物理学史上大量的事例表明，追求真理的科学理想和献身科学的牺牲精神，是科学伟人取得成就的崇高思想境界的支撑。布鲁诺为捍卫科学真理牺牲在罗马鲜花广场上；伽利略被终身监禁而矢志不移；富兰克林为研究雷电而冒险进行“费城实验”，里赫曼为同一目的遭雷击身亡；居里夫妇为提炼镭元素而甘受放射性的伤害，他们的女儿和女婿也因长期从事放射性研究伤害了健康而英年早逝这些感人的事例，对于培养学生的科学理想和科学精神是很有感染力的。 （2）培养学生树立正确的人生观和价值观。利用物理学史可以培养学生树立正确的人生观和价值观，利用科学家的言行使学生认识到人生的价值要放在社会大环境中和历史的长河中去衡量。爱因斯坦在我的世界观中说过：“人是为别人而生存的。” 许良英主编，爱因斯坦文集，第三卷，商务印书馆，1983年，第42页。“我从来不把安逸和享乐看作是生活目的本身这种伦理基础，我叫它猪栏的理想。照亮我的道路，并且不断地给我新的勇气去愉快地正视生活的理想，是善、美和真。” 许良英主编，爱因斯坦文集，第三卷，商务印书馆，1983年，第43页。在论教育中他教育年青人“要把为社会服务看作是自己人生的最高目的”。 许良英主编，爱因斯坦文集，第三卷，商务印书馆，1983年，第143页。 （3）培养学生团结协作的科学态度。科学是全人类的事业。科学概念的形成、科学理论的建立、重大的科学发现都是经过许多人的共同努力才完成的。例如，弱相互作用中宇称不守恒的发现就是科学合作的典范；玻尔在科学研究中表现出来的团结协作精神更是脍炙人口。 （4）培养学生的责任感。培养学生对他人、对集体和对社会的责任感应该是物理教学的重要目标。许多科学家研究科学的动机就是为人类造福。居里夫人无私地拒绝拥有镭的发现的专利权；当爱因斯坦知道原子弹投入广岛造成大量的贫民伤亡时，非常后悔自己给原子弹的建造做出了贡献。在教学中引用这些活生生的事例比简单说教在效果上要好得多。七、对学生进行爱国主义教育 我国是世界四大文明古国之一。在物理教学中适当介绍我国古代的科学成就，可激起学生的民族自豪感，增强民族自信心，受到生动的爱国主义教育。战国时代墨家关于杠杆和浮力知识的成就，比西方阿基米德早约两个世纪。西汉时期写成的春秋纬考灵曜中关于地动