物理学史与物理教育研究

李升健

(韩山师范学院，广东 潮州 521041)

大学阶段的物理学习对于学习者的物理知识基础、思维能力等提出了较高的要求，以往的物理学习主要围绕公式、定理展开，缺乏对于理论知识、实验现象所产生的过程的了解。而通过物理学史的学习，可以有效借助角色代入领会到相关知识推理演绎的过程，在夯实知识基础的同时也有助于培养物理思维能力。

一、物理学史所传递出的教育功能

基于美国认知教育心理学家Ausubel所提出的有意义学习理论视角，物理学史发挥着物理教育的“先行组织者”功能，通过回顾历代学者关于某一物理概念的探索历程，帮助学习者建立起宏观认知基础，明确物理概念与理论的由来、推导方式、所能解决的问题与未来发展前景，有效深化学习者对于物理知识的认知[1]。同时，物理学的发展离不开一系列耗时数年、耗材大量的物理实验，物理学史可以帮助学习者了解到实验创设的背景、实验条件、实验过程与试验方法，深入实验当中厘清设计思想与问题解决策略，有助于培养学习者的观察力与分析能力，降低物理实验失误问题的发生概率。此外，物理学史与物理教育的结合能够将相关物理观念、思想的发展变革过程进行清晰梳理，引导学习者在接受新理论的同时也能够转变原有的思维模式，进一步站在宏观角度培养物理学科思维模式，领会物理学的思想真谛。

二、物理学史与物理教育相关性分析

(一)关于气体状态方程的物理学史

在我们学习气体状态方程这一知识时，常常在热力学温标、热力学参量等知识点的学习中产生一定的困惑，不明白为什么必须要应用热力学温标构建理想气体状态方程，也难以明确温度、压强、体积之间的变化关系。而通过了解物理学史相关知识，可以发现气体状态方程的出现最早可以追溯到大气压实验，托里拆利借助水银柱实验论证了大气具有压力这一物理事实，并由此延伸到所有气体中；在此基础上，波义耳通过加热气体的实验论证气体压强与体积的关系，由此创设了波义耳定律；到了18世纪，华伦海特通过酒精在毛细管中的热胀冷缩原理发明出世界上第一个酒精温度计，并创设了华氏温标，随后经瑞典学者林奈的改造形成了当今社会通用的摄氏温标；在19世纪，查理定律与盖吕萨克定律针对气体压强、体积与温度之间的关系进行了实验论证，并给出了-273.15°C这一温度轴指标；随后化学家阿伏伽德罗通过提出假说、实验论证得出了这一表达式，经由常数k的引入构成了理想气体状态方程。通过物理学史的学习，我们可以更加明确热力学温标的形成过程，认识到学科理论是经历数代物理学者不断推理演绎、借助实验事实得以论证、总结而来的，有效实现物理学科思维模式的动态培养。

(二)关于热力学理论的物理学史

在利用物理学史重构热力学理论的形成过程时，首先可以从瓦特改良蒸汽机这一知识点入手，当时学者为提高蒸汽机效率设法扩大机器容量，但却以失败告终；卡诺基于理想的热力学循环视角提出“蒸汽机效率是由高低温热源温度决定的”这一观点，并形成了卡诺定理，证实了100%效率热机实则是一个悖论；在此基础上，开尔文于1851年将卡诺循环理论进行了完善，证实了单一热源吸热的不合理性，并提出了热力学第二定律。通过这一物理学史内容的学习，我们可以明确物理学基本定律的提出并非是空想，而是物理学家通过观察现象受到启发，经由大量实验进行论证所得来的，理论创设的根源实则是为解决社会生产问题，这也就说明了运用物理学知识解决实际问题的重要性，也证实了社会问题的出现可以反作用于物理学科发展。

(三)关于相对性原理的物理学史

当学习爱因斯坦的相对性原理时，可以先重新回顾牛顿相对性原理的提出过程，寻求理论与生活经验之间的契合点；接下来进入到麦克斯韦的理论研究范畴中，依托电动力学原理推翻牛顿的相对性原理，指出真空中的光速与参考系之间并无明确关联；随即借助1904年洛伦兹变换理论的提出进行铺垫，推翻伽利略变换；最后进入1905年，爱因斯坦在麦克斯韦方程组的基础上进一步论证了牛顿相对性原理的错误性，提出了狭义相对论等两条假设。通过物理学史的研究可以明确推翻牛顿理论的必要性，也能够更加清晰的认识到牛顿相对性原理所存在的主要误区，从而构建更加完整的知识思维体系[2]。

三、结论

总而言之，物理学作为一门体系结构复杂、思维延展性较强的系统学科，经由一代又一代物理学家的设想、推理、讨论、否定与重建，最终形成了完整的学科体系。学习物理学史能够更加深入的了解物理学大师发现问题、思考问题、解决问题的方式，引导学习者掌握物理学的思考模式，进一步提升教育价值。