从教材中一则物理学史例的呈现谈谈物理科学方法的教学

薛钰康

（苏州工业园区星海实验中学，江苏 苏州 215021）

电磁感应是人类历史上极其重要的伟大发现，由于该发现才使人类社会步入电气化时代成为可能，中学物理教材中有专门章节讨论.参阅了多本教材，关于电磁感应现象发现的历史往往都是仅仅数语：英国物理学家法拉第经过10年不懈的努力，在1831年终于发现电磁感应现象.而对法拉第发现过程中历经的艰难与挫折只字不提，倒是有辅导材料上有关于科拉顿跑失电磁感应发现的故事：1820年，奥斯特的磁效应发表后，科学家想既然“电能生磁”，反过来“磁也能生电”.1825年，科拉顿做了这样一个实验，他将一个磁铁插入连有灵敏电流计的螺旋线圈，来观察在线圈中是否有电流产生.但是在实验时，科拉顿为了排除磁铁移动时对灵敏电流计影响放到另一间房里.他想，反正产生的电流应该是“稳定”的，插入磁铁后，如果有电流，跑到另一间房里观察也来得及，就这样，科拉顿开始了实验.然而无论他跑得多快，他看到的电流计指针都是指在“0”刻度的位置，科拉顿失败了.法拉第也在研究同一个问题，并于在1831年8月，观察到了电磁感应现象，并得出了著名的“法拉第电磁感应定律”.而大多数的材料中论及科拉顿时，总是认为其方法有问题，且表示出一种可惜与同情的心态，甚至有的材料中呈现出一种嘲讽的味道.笔者以为这样的看法是不对的.因为科拉顿的“磁生电”的研究方法设计本身是合适且恰当的，他甚至比法拉第考虑得更为仔细与全面，那么为什么科拉顿没有先发现呢？这是由于早期的物理学研究往往是许多有经济能力和对物理科学充满兴趣与热爱的人在从事，以个体研究为主，科拉顿就属于此类情形，如果是有助手协助他或者用现代的观点来说，注重团队协助研究的话，科拉顿就不会丢失电磁感应现象的发现权了.因此，我们不应该用嘲笑的观点来看待科拉顿，而应该将科拉顿和法拉第的研究进行对比，指出其实验与方法的合理与不足，抓住时机对学生进行科学方法的教学，我们应该像尊敬法拉第那样，对科拉顿表示同样的敬意.再回到教材，教材中没有重视法拉第发现的过程也不是很恰当，因为这是体现科学方法的非常好的实例，也是进行科学方法教学的有利时机.类似忽视科学方法实例的情形，在教材中还有，从教学来说，这不利于学生形成正确的物理知识观，也不利于学生形成正确的物理科学方法观.因此，笔者提出以下几点建议，与大家商榷.

1 师范物理教育要重视物理学史的教学

还记得20世纪70～80年代在大学师范学习的时候，学校为大三、大四开设选修科目的时候，物理学史就是作为选修课提供给学生学习的，而作为学生的我们，考虑的往往是，喜欢理论的会选择四大力学的深入课程；喜欢应用的往往会选择电子技术方面的课程，总是有这样的看法，物理学史想了解的话，今后通过自己阅读就可以了，因此选修物理学史课程的学生一般不是很多.可见当时对物理学史的教学与学习是不够重视的，最主要的是对学习物理学史的认识不到位，以为仅仅是了解一些物理学发展的时间编年情况，而没有认识到从物理学史中去认识学习物理科学方法的知识.当然，这也有其他的一些原因，比如，就书籍来说也不是很多，记得在图书馆可以查到较多的是德国劳厄的《物理学史》，我们学校采用的好像是北京物理学会编写的《物理学史专题讲座》，而这恐怕也是人们对物理科学方法教学的不够重视的因素之一吧.后来，随着国内更多的专家学者在自然辩证法、科学哲学方面研究的开展，物理学科学思想与方法方面的专著与译著逐渐增多，如杨仲耆和申先甲先生的《物理学思想史》、戴念祖先生的《中国物理学史大系》、申先甲和束炳如先生的《物理学史教程》、郭奕玲先生的《物理学史》、美国卡约里《物理学史》等等.虽然书籍是多了，研究的专家与成果也多了，但是，中学物理教育界对物理学史与物理科学方法方面的认识无多大的变化，虽然也有一些中学的学者型教师在积极开展这方面的研究与普及，如王溢然、束炳如主编了一套《中学物理思维方法丛书》等.但是，就从中学物理教学来说，影响还是不够大.而近几年随着张宪魁教授的《物理学方法论》等一系列课题与著作，特别由中国教育学会物理教学专业委员会组织的多次“全国物理科学方法教育学术”专题研讨会的召开，席新课程标准对科学方法目标要求之风，物理科学方法的教育在中学物理教学界逐渐重视起来.但是，相应地对教师原有的知识结构提出了更高的要求，从这几年接触的新毕业的物理师范生来看，他们在大学学习时对物理科学方法方面接受的教学同样不是很多，因此，笔者呼吁师范教学应该将物理学史的教学纳入其必修课程中去，物理学史是蕴藏物理科学方法的巨大宝库，通过物理学史的学习来继承与发展物理科学方法的教学，继续推进物理新课程改革的深化.

2 物理科学方法教学是物理教育的内涵之一

2011版义务教育《物理课程标准》“课程性质”指出：“义务教育物理课程作为科学教育的组成部分，是以提高全体学生科学素养为目标的自然科学基础课程.此阶段的物理课程不仅应注重科学知识的传授和技能的训练，而且应注重对学生学习兴趣、探究能力、创新意识以及科学态度、科学精神方面的培养.”“义务教育物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程.此阶段的物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力.”

课程标准中明确了科学方法也是科学知识的组成部分，物理科学方法教学目标就是发展学生如何解决问题的能力，包含实验方法、理论分析和运算方法等等多种能力.美国学者劳厄说过，教育无非是一切已学过的东西被遗忘后所剩下来的东西.这剩下的东西是什么？无非是态度、方法与精神.还是以法拉第与科拉顿对电磁感应现象的研究为例，他们10年的研究中，经历了怎样典型的实验探索、思维分析，如何从弯路中走出，或者是怎样无心插柳柳成阴的，这一些都是物理学习中的宝贵内容.方法的形成不是一蹴而就的，都是经历了艰难曲折的心路历程和千万次的实验探究，而且，我们可以从法拉第与科拉顿研究的对比中认识科学研究方法的趋同性与差异性.在此基础上，再经历自己亲身的实验探究过程，更有利于他们自身科学方法能力的形成，站在巨人的肩膀上让他们能看得更远更清，继承与发展科学的精神.

通过物理课的学习，要让学生明白科学研究是存在失败的，而且失败的远比成功的多，所有的科学知识都是在不断纠正错误认识的过程中建立起来的，而且还在不断的纠正与发展中.尤其让现在的学生明白这个道理很重要，当前，我们教育教学中把这一块宝贵的东西给丢弃了，教育的功利性很强.如今的教材编写、课堂教学中，很少有失败事例的教育，好像容纳不了失败；各种平时的练习、测验、考试更是如此，均分设置很高，斤斤计较在一两个小分上，做着无尽头的分值排序.为了习题的分数而忽视甚至放弃内容与实验中的科学方法教育，想方设法缩短形成知识概念、规律的过程，挤出时间进行操练，达成所谓的显性有效，而忽视了科学方法与能力的隐性发展.笔者听过一些精彩的展示课，他们利用现代DIS的新型实验手段后，用一节课的时间能完成原来两节课的教学工作，而节省出来的时间，还是用来做习题操练.因此，笔者希望大家都要关注这个问题，要明白物理科学方法教学也是物理教育的内涵，方法的教学有时显得更为重要，要想回答钱学森之问，还是必须要在这方面做更多的工作才行.

3 物理教材应该成为提供科学方法教育的范本

我们通常说的物理教材，主要就是指学生使用的物理课本.物理课本是学生学习物理最主要的依据，也是学生学习科学方法的主要来源.还是以上面说的法拉第电磁感应的发现来说，学生看了书上这么简单叙述法拉第发现的经历，然后做一个电磁感应的实验，就能有很大的科学方法的收获吗？而对比一下杰拉尔德.霍尔顿等编写的《光学与电磁学》中相应的内容：

法拉第用力线形象地描绘电场和磁场以后，就从事于探索用磁产生电流的方法.在他1824年以后的日记里有许多关于这种实验的描述.每一实验都以“不起作用”或“无结果”结束.

1831年终于出现了突破.像许多发现那样，经过一段初步的研究和科学家间的讨论，这次发现，是由两位科学家几乎同时分别在不同的国家里独立完成的.法拉第并不准确地是第一个用磁产生电的人.现在所称的电磁感应实际上是由美国科学家约瑟夫.亨利最先发现的.……

法拉第被认为是电磁感应（用磁产生电流）的发现者，不单是因为他第一个发表论文而首先获得公认，主要还是因为他对论题的各个方面进行了彻底的研究.……

他们是从法拉第的日记写到亨利的工作，再写到为什么法拉第被认为是电磁感应现象的发现者，有着详细与精彩的描述.这仅仅是我们课本中的一个例子而已.希望专家们在教材中，能增加一些有关物理学史中科学方法内容编写的量，增加教材的可阅读性与可阅读量，让课本成为提供科学方法教育的范本.

4 物理学史研究中要加强科学方法的案例化记录

笔者在上面提到了大学师范物理教学中要加强物理学史的学习，这也是受张宪魁教授倡导科学方法教育工作的影响，使笔者开始关注科学方法的教学与资料问题.原来虽然也对科学家的奇闻异事比较感兴趣，也喜欢阅读一些科技史料方面的东西，但从没有从教学方面去思考.而从这几次与张教授的接触之后，深切感受到物理科学方法教学的重要性.但也深感好的科学方法方面的书籍不是很多，而关于科学方法的主流书籍还是物理学史和科学技术方面的为主.而一般的物理学史与技术史的编写方式，主要采用的是历史编年史的书写形式，就好像是我们生活中的流水账，记录了随纪元年的变化，物理、科学技术的发展.多数记录了各个事件发生的时间与进程，而对每一件事件发生的前因后果、变化过程等，特别是物理学家的研究原始过程记录很少.因此，才会出现说牛顿引力研究得于受苹果落地、伽利略比萨斜塔铁球实验的传说，寄托了人们无限的遐想，也将科学家的研究经历变得神化了，遮掩了其原始的科学思维与科学方法.因此，笔者希望用案例性的记录方式，或者是物理学家对话型方式，来书写我们的物理学史与科学方法史，将物理学家的原始思维记录下来，让我们的学生与读者能深受其益.记得，杨振宁先生在《几个科学家的故事》中讲述了费米、泰勒、玻尔等的研究风格，在《美与物理学》中讲述了海森堡、狄拉克等不同的研究风格；李政道先生在怀念导师费米时，总是要叙述“计算尺”的故事，表达了费米研究方法、风格对他的深刻影响.如果，我们的物理学史、课本的编写中多多运用如哈佛医学案例剖析的方法，那对物理科学方法的教学与普及是非常有利的.

1 谢东，王祖源编著.人文物理［M］.北京：清华大学出版社，2006.

2 杰拉尔德.霍尔顿.光学与电磁学［M］.北京：文化教育出版社，1980.