物理学史电磁学论文

物理学史作为阐述物理学发展历程的学科，蕴涵着丰富的素质教育资源。正如我国著名物理学家钱三强曾经说过的：“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，这块宝地值得我们去开垦，这些精神财富值得我们去发掘。如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得效益，我相信对我国的教育事业和人才培养都会大有益处的。”如今，随着物理学史知识和教学普及工作的深入发展，物理学史的教育功能已越来越受到国内外教育工作者的关注，将物理学史引入物理教学中也成为物理教育改革的重要举措之一。但与此同时，物理学史教学也存在不少的困难和问题，在实践层面上探索物理学史融入物理教学的行之有效的途径仍是一个亟待解决的问题。一、物理学史和物理教育融合的客观依据（一）传统课程的弊端现代认知理论认为，知识是价值负载的（value-laden）。施瓦布（J.J.Schwab）曾写道：“任何给定时期的科学知识都并非建立在一切事实的基础之上，而是建立在经过选择的事实的基础之上——而这种选择是建立在探究的概念原则的基础之上的。”因此，“科学知识的教学要跟产生该知识的研究过程联系起来。”传统的物理教学往往过于强调学科体系，过于专注于专业知识的系统传授，不注重知识由此获得的探究过程。这种课程严重阻碍了学生对学科实质结构的理解，更背离了科学教育面向真实科学的初衷。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、规律和本质的历程。任何一个具体的物理知识或理论体系都是在众多研究成果的基础上建立起来的，常常需要科学研究者们几十年甚至上百年的努力才能迈出有意义的一步。因此，物理学的发展史包含着丰富的认识论和方法论因素，以及物理思想和物理观念深刻的变革。同时，物理学的发展过程还包含着丰富的情感体验，体现着认识过程中理论与实践、继承与突破、理性与非理性的辩证统一，具有丰富的“教书育人”的教育因素。通过物理学史教学，让学生不仅可以学到具体的科学知识，而且可以学到“科学的方法”，开拓学生的视野，使学生能更准确地理解科学概念，更好地理解科学的发展，更全面地认识到科学的整体性。从这个角度上看，物理学史应成为物理教学中不可缺少的组成部分。（二）物理学史融入物理教学符合学生的认知规律建构主义认为，学习是主体对知识主动建构的过程，学生是认知信息的加工者、认知结构的建构者，而不是外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象。教育重演论（Recapitulation theory of education）中也指出：“现代学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，即现代人的认知发展是对其祖先认知水平长期演化过程的浓缩。”教师是学生自主建构的帮助者、促进者和引导者，教师的主要作用是为学生的探索提供桥梁和阶梯，诱导学生自己去分析问题、探究问题并获取知识。物理教师安排教学活动要从学生已有的认知结构出发，教学过程要力图适应这一要求。物理学的发展规律与人的认知规律具有一致性，因而物理学史可以为教师把握好学生的认知规律提供很好的借鉴作用。“教学中的难点常常是科学发展史上难以攻克的科学难题；教学中的重点，也正是科学发展史上关键性的突破和物理学大师们伟大贡献的精华之点。”物理教学从物理学史的角度入手，可以把文化的传授和学习转化成历史上文化创造者与今天文化学习者之间的对话，让学生在相应的文化背景中“身临其境”，从而构建合理的知识体系，主动学习和建构知识。二、促进物理学史和物理教学融合的教学原则（一）适度的原则物理教学的主要任务是使学生系统地掌握物理学知识，发展智力，培养能力，提高品德修养。物理学史引入教学是由于物理学史具有丰富的教育功能，引入时必须围绕物理教学任务展开。目前的物理教材大多是按照逻辑体系编排的，侧重于物理理论的知识结构；物理学史则主要是按照历史发展的顺序编排的，二者有一定区别。我们要把历史的发展过程融入教学中，但不能用对物理学史的学习来代替对物理学本身理论的学习，不能在物理课堂上夸夸其谈，舍本求末，走入本末倒置的歧途。物理学史引入教学一定要坚持适度的原则，这样才能有效地发挥它的教育功能。（二）贴近的原则引入史料是为了更好地使学生理解物理知识，教学中要从学生的学习基础出发，引入的史料必须深入浅出，尽量不含学生尚未掌握的概念和原理。将一些物理学史中学生无法理解的、深奥的推理过程灌输给学生。这不仅起不到好的效果，反而会加重学生的学习负担，无法真正发挥物理学史的教育功能。（三）充分的原则引入史料时不应只是仅仅把它作为活跃课堂气氛的“糖衣”，将知识简单地“故事化”“庸俗化”处理，这是对物理学史不负责任、没有意义地滥用。一定要清楚引入的目标，有针对性地展开阐述，充分利用好引入的知识。（四）灵活的原则将物理学史引入教学中形式要灵活。灵活不仅包括引入的内容，也包括引入的时机和方式等。既可系统引入，也可分散引入；既可以在课堂上引入，也可以让学生在课外查找资料；既可以围绕知识点进行演绎，也可以针对知识面进行总结。总之，只有在有限的时间内做到重点突出、点面结合、详略得当，才能达到最佳的效果。（五）延伸的原则在教学中引入史料时不应单纯追求服务于课堂教学的某一知识点或面，而要将课堂上引入的史料作为一个切入点，营造一种“意味无穷”的教学心理境界，使学生带着更多、更新的内容兴趣盎然地进入新一轮的探索，把问题带到课外，有利于学生养成“终身学习”的好习惯。三、物理学史融入物理教学的具体方法（一）利用物理学史引入新课，激发学生兴趣“兴趣是最好的老师”，引入物理学史可以增强学生的学习兴趣。上新课之前，可根据教学内容搜集有关史料作为预习材料，以图文并茂、形象生动的表现手法展示给学生。在课堂上应尽快地把学生学习的积极性调动起来，吸引学生的注意力，形成探究的愿望，潜移默化地使其学习动力得到加强。（二）初学阶段教学中穿插史料，帮助学生理解物理知识学生学习新知识时引入的重点应放在帮助学生理解规律、降低学习难度上。可采取“演绎—对比”的方式将物理学史内容引入到理论的讲解中来，即适时地从概念、规律中引出假说，然后演绎其发展体系，将历史融汇到概念、思想或理论的提出和发展中，通过对各种假说异同的分析和比较，帮助学生理解规律。例如，在学习牛顿运动定律时，学生虽然在中学里学过也用过，但由于他们在中学里要应付考试，学习的重点一般都在做习题上，教学中一定要将学生的注意力吸引到理论本身上来。例如，可从惯性定律出发，引出其建立的曲折过程。从亚里士多德的“推动论”到中世纪时布里丹、阿尔伯特、奥里斯姆等人的“冲力理论”，到伽利略类似惯性原理的说法，到笛卡尔的惯性定律，再到牛顿将惯性定律以第一原理的形式正式确立下来。并在其间穿插介绍各种假说提出的历史背景、存在的困难、新旧理论之间的矛盾等，通过比较它们之间的异同，可以帮助学生理解三大定律的内涵以及其作为力学体系基础的重要作用，这样客观上可以起到帮助学生理解物理规律、减轻学习难度的作用。（三）理解加深阶段深化史料，抓住关键环节重点剖析此时学生头脑中对内容已有一定认识和理解，因此，重点可放在加强科学思维、方法教育方面。即对隐含在物理知识中的科学方法进行点拨、渗透，充分发挥物理学研究过程动态知识体系的价值。以毕奥—萨伐尔定律为例。18世纪牛顿力学的知识基础使得人们开始猜测电力和磁力是否也像万有引力一样遵守平方反比定律。在磁力研究方面，英国科学家米切尔明确提出了“磁力按磁极距离的平方的增加而减少”的观点。之后，毕奥和萨伐尔通过长直电流对磁极作用的实验，得出电流对磁极的作用力与磁极到长直电流导线的垂直距离成反比的结果，后在法国数学家拉普拉斯的帮助下，通过数学运算，分析得出了电流元激发磁场的准确公式，即毕奥—萨伐尔定律。以上研究过程中恰当的类比、巧妙设计的实验、适时引入的数学工具对规律的建立无不起着至关重要的作用。（四）知识升华阶段补充材料，启发学生此时重点应放在物理原理、思想和其在知识、哲学、世界观等方面的应用上。一段知识的学习结束后，可以以历史为线索，将内容梳理一遍，让学生对知识体系及其发展史有个整体的认识，带领学生从经典物理学的概念、思想方法、观念等逐步过渡到现代物理学，这样客观上可以起到促进教学内容现代化的作用。让学生充分了解到物理学作为自然科学基础的意义所在，增强学习的兴趣和信心；另外，将物理学大师们在探索世界奥秘道路上表现出的怀疑、求实、进取、创新、严谨、思辨、自强、爱国等优秀品质和科学素养对学生进行有效的强化和渗透，使学生从中受到熏陶和领悟，引导学生用物理学思想去指导学习、工作和以后的人生，培养创造性人才，这些从某种意义上讲比学生学到知识本身更加重要。比如电磁部分知识讲完后，可以以电磁学的发展史为线索将内容概括总结一下。从公元前基本电、磁现象的发现，到1600年吉尔伯特将它们转变为科学，到1750年米切尔、1785年库仑分别提出电力、磁力服从平方反比定律将电、磁学带入定量研究阶段，到1800年伏打发明电堆使电学由静电走向动电，再到1820年奥斯特发现电流的磁效应，打破了电、磁之间的界限。电磁相似性的发现带动了19世纪二三十年代电磁学突飞猛进的发展。后来，安培对电磁作用力的研究、1831年法拉第发现电磁感应现象进一步证实了电磁现象的统一。到最后1865年麦克斯韦将法拉第的电磁近距作用和安培的电动力学规律结合在一起，概括出描述电磁规律的方程组，建立了电磁场理论，并预测了光的电磁性质，实现了物理学史上第二次大综合。电磁理论为相对论的建立奠定了坚实的基础。它为光速不变性提供了理论依据，爱因斯坦也正是在研究麦克斯韦电动力学的不对称性时发现问题，进而建立狭义相对论的。相对论是现代物理学的基石，对物理学、天文学、哲学等的发展都起到了不可估量的作用。这样带领学生回顾之后，整个电磁学内容在学生头脑中会成为一个脉络清晰的整体，其间从经典知识到现代物理的过渡在历史的引导下也显得非常自然。科学家们工作的价值值得后人景仰，同时，科学家追求真理时表现出的坚忍不拔的意志、百折不回的决心、吃苦耐劳的品格和无所畏惧的献身精神等也让人为之赞叹。这些会潜移默化地影响到他们科学的世界观和人生观的建立，使他们终生受益。（五）充分发挥学生的积极能动作用，鼓励学生自觉投身物理学史学习，丰富精神生活物理课堂时间是有限的，教学内容也有一定的局限性。我们可以利用课外时间采取多种形式加强对学生的引导，激发他们的学习热情。传统教学中近现代物理知识涉及不多，但其中的革命性成果，如相对论打破了经典力学的时空观，量子力学打破了可控测量过程的梦想等对于开阔学生思维是极其有益的，可以开设专题讲座的形式介绍给学生。另外，开展专题讨论活动，如我们在学校2006级计算机系班级中开展了“引入物理学史加强大学生科学素质培养教育”的活动。由教师为学生提供研究题目、参考内容和指导，要求学生撰写相关的小论文。这样既培养了学生搜集和整理资料的能力，也在一定程度上提高了他们研究问题的能力。四、物理学史融入物理教学应特别关注的问题（一）物理教师应把物理学史素养提高到基本素养高度上来物理学史中整合了物理学科的知识体系，为教学提供了宏观、中观、微观的背景。通过对物理学史的学习，可以帮助教师发现物理学发生、发展和演化的规律，揭示相应认识论、方法论的变革，并对物理学发展的基本趋势产生一定的预测。教师只有对物理学有了整体的把握并用历史的眼光去看待、组织教学内容，才能避免教学中知识的“片段化”。“学史可以明智”，对学生如此，对教师亦是如此。（二）进一步探索适合二者结合的教学模式我们现在采取的教学模式相对比较传统，影响了物理学史教育功能发挥的效率。近年来，西方一些科学教育专家以建构主义为指导思想，倡导将科学史、科学哲学和科学社会学引入科学教育，形成所谓的HPS教育模式，将学生的观念与科学史中科学家的观念相互交融，建构科学观念。为此，必须重构知识体系，将科学史、科学社会等知识引入课堂，从而实事求是地反映人们对自然科学活动和自然科学知识性质的新认识，呈现自然科学知识发展中的矛盾、竞争和斗争，使学生对自然科学知识与社会的关系能有全面而深刻的认识。我们要借鉴国外这些先进的教育理念，进一步探索适合我国学生具体情况的教学模式。物理学史应该成为物理教学不可分割的一部分，它可以极为有效地激发学生的学习兴趣，使学生更好地掌握知识、发展能力和养成德行。