在大學物理教學中培養(yǎng)科學世界觀

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摘要：新時代大學教學的根本任務是“立德樹人”。在“德育為先”的教育理念引領下，中國農業(yè)大學強調發(fā)揮專業(yè)課思政教育功能的重要性。物理學是研究物質結構、性質和物質間相互作用規(guī)律的學科，是自然科學的基礎。大學物理教學在“立德樹人”中具有學科優(yōu)勢。文章以物理學家們對太陽系和原子結構的認識過程為例，說明物理學在科學信念和科學世界觀的建立中有不可替代的重要作用，同時說明科學的發(fā)展是不斷否定再肯定的辯證過程，鼓勵學生在探索真理的過程中不怕“犯錯”，在不斷糾錯中發(fā)現(xiàn)真理、建立科學的世界觀和積極的人生觀。

關鍵詞：大學物理教學；課程育人；世界觀；科學信念

一、物理學與世界觀

物理學是研究物質基本結構、基本運動形式以及物體間相互作用規(guī)律的科學，是人類探索自然奧秘的過程中形成的學科。物理學中每一個新概念的提出、新規(guī)律的建立、新理論的誕生，都伴隨著物理學家們艱苦卓絕的探索過程和追求真理鍥而不舍的精神。他們的每一個新成就，除對人類社會發(fā)展和生活產生重大影響外，還能使人們看待自然和世界的觀念得到更新、對社會和自我的認知得到提升。隨著對自然認識的不斷深入，人們的世界觀隨之不斷改變。尤其是物理學在20世紀取得的驚人成就，改變了我們對空間與時間、存在與意識的看法，也改變了我們描述自然的基本語言，使人類的生產方式、生活方式以及思維方式發(fā)生了深刻的變革，改變了人們對自然的認識理念。從哲學的概念來講，世界觀主要指“一套信念體系”，且各條信念互相關聯(lián)、環(huán)環(huán)相扣、連貫一致[4]。廣義的物理學作為自然科學就是為了解答始終困撓人類的大問題：“我是誰？從哪里來？到哪里去？”。世界觀是人們對整個世界以及人與世界關系的總的看法和根本觀點，其實質即是從根本上去理解世界的本質和運動根源，解決的是世界是什么、為什么的問題，這正是物理學家們一直在探索解決的問題。在世界觀和科學信念的建立過程中，物理學具有無可替代的作用。

二、培養(yǎng)科學世界觀———大學物理“課程育人”教學嘗試

教育的對象是“人”，不是“書”，教育的首要任務是“育人”。物理學對未知事物和世界做永無止境的探索，并且在探索的過程中為人們提供了研究方法和思維方式。物理學教學的目的不僅是讓學生學會書本上的概念、定理和公式，更重要的是學習物理學家們在研究過程中積累的研究方法和思維方式，學習物理學家探索世界的精神，領悟物理精神和物理文化[5]，最終幫助學生建立堅定的科學信念、形成科學世界觀和積極人生觀?？茖W的世界觀是積極人生觀的基礎，只有當學生具備了對自然世界的認知力，才能建立起對人生、對社會的正確認知，這是幫助塑造學生積極人格的重要基礎。物理學家也具有人文情懷，金曉峰教授[5]所說：“科學和人文同是人類思考包括人在內的整個世界的方式，而引領人類不斷求索的動力都是強烈的求知欲。這種強烈的“渴望求知”引領著科學和人文循著各自不同的軌跡，殊途同歸地奔向對世界本質的追索”。物理學和人文科學相輔相成，承載著“立德樹人”的歷史使命。下面以經(jīng)典力學教學中對太陽系的認知發(fā)展和近代物理教學中原子模型的建立過程為例，說明物理學發(fā)展對人們的信念和世界觀的重要影響，大學物理的教學過程即是“立德樹人”的“育人”過程。

（一）經(jīng)典力學教學中對學生世界觀的培養(yǎng)

經(jīng)典力學的核心內容是牛頓運動定律和萬有引力定律。我們在教學中按經(jīng)典物理學發(fā)展時間線穿插講授物理學家們探索天體運行的過程，從“地球不動且是宇宙的中心”到“地球圍繞太陽轉”的轉變，顛覆了人們對世界的看法，導致從亞里士多德時期到牛頓時期，人們的世界觀發(fā)生了天翻地覆的變化。這其中，正是物理學家的不斷觀察、探索與實驗，推動了人們科學理念的改變和世界觀的建立。

1.從哥白尼日心說的革新到牛頓世界觀

17世紀之前，人們觀察到太陽日復一日東升西落地圍繞地球轉，而在地面上的人本身無法感知到地球在運動，因此亞里士多德的信念體系占據(jù)了西方思想界的主導，其核心即為地球靜止不動且是宇宙的中心，而他的信念體系正是形成同時代世界觀的重要元素。直到17世紀早期伽利略發(fā)明望遠鏡，遙遠的“天體”變得可以觀測。通過觀測得到的實證數(shù)據(jù)表明地球和其它行星都是圍繞太陽轉的。哥白尼發(fā)現(xiàn)，需要作出以太陽為中心的假設，行星軌道周期的計算才合理且準確。但是，此觀點和基于亞里士多德宇宙觀的羅馬天主教基本教義相違背。他在去世前才得以發(fā)表他的論著，而且不出意外的引起了很大爭議，他在《天體運行論》中，第一次提出了地球繞太陽旋轉的日心說，否定了當時被廣為接受的托勒密地心說。亞里士多德世界觀基于“天堂是完美的”這一信念，即行星以勻速在完美的圓周軌道上運動。而另一科學家開普勒對探索宇宙的藍圖充滿激情，為回答他自己的“為什么上帝這樣隔開各個行星，而不是用其它方式”的問題，他發(fā)現(xiàn)了“宇宙固有的規(guī)律”———開普勒三大定律。開普勒的天文學體系否定了亞里士多德的完美信念，揭示出行星在橢圓軌道上做變速運動，而不是在完美的圓周軌道上勻速運行。最后，牛頓以行星運行三大定律和萬有引力定律完善了日心說的理論依據(jù)。新科學改變了人們的信念，亞里士多德“地球靜止不動且是宇宙的中心”的信念體系瓦解，以牛頓運動規(guī)律為理論依據(jù)的嶄新世界觀成為了人們信念體系的核心。到20世紀初愛因斯坦提出的狹義相對論時空觀，并不是否定牛頓力學建立的時空觀，而是對牛頓絕對時空觀在高速下的修正和補充，與牛頓世界觀的信念是互相兼容的。

2.牛頓——科學家與思想家

在牛頓經(jīng)典力學的教學中，我們更重要的是學習牛頓的探索精神。牛頓首次把天上和地上的運動聯(lián)系在一起加以思考，并得出了整個宇宙中物體運動的統(tǒng)一理論，牛頓運動三定律和萬有引力定律。從某種意義上說，這相當于創(chuàng)立了有關客觀世界的一個全新秩序。一場由哥白尼、伽利略、開普勒和牛頓發(fā)動的“科學革命”將現(xiàn)代科學的種子遍撒歐洲大地，并讓科學實實在在地成為了歐洲文化的重要基因[4]。奠定了西方科學技術和文化文明創(chuàng)新的基礎。牛頓是一位劃時代的偉大科學家，在他之前，人類對自然規(guī)律的了解還非常有限，物理學和天文學體系不完整，數(shù)學作為物理學的工具也相對薄弱，整個西方世界的科學都以亞里士多德的物理學理論為基礎。由于時代的局限，大多數(shù)結論都是定性而非定量的，有些結論甚至是錯的。在牛頓之后，經(jīng)典的物理學和天文學完全建立起來，人們對數(shù)學的認識從靜止的變量上升到變化的函數(shù)。牛頓力學倡導的決定論觀念表明，只要給出世界在某一時刻的完整描述，那么在牛頓運動規(guī)律的幫助下，過去和將來的任何事件都能被準確無誤地描述出來，事物是可以被人知的。牛頓不僅是偉大的科學家，也是偉大的思想家。他不僅用簡單而優(yōu)美的數(shù)學公式破解了自然之謎，而且還通過自己的偉大成就宣告了人類理性時代的來臨。牛頓向人們證明：萬物是運動的，這些運動遵循著特定的規(guī)律，而萬物運動的規(guī)律又是可以被人們認識的。牛頓的發(fā)現(xiàn)給人類帶來了從未有過的自信。在牛頓之前，人類對自然的認識還充斥著迷信和恐懼，因此屈服于神權。而在牛頓之后，人類開始以理性的眼光對待一切已知和未知，上帝逐漸走下神壇，人類一步步地站了起來，最終導致了教會權威的逐步喪失。無知是人類最大的敵人，當人類處于無知狀態(tài)時，就難免陷入迷信和被奴役的狀態(tài)。而當人們開始獲得知識后，人類本身向上的力量就會引導自己走向自由，走向自信和樂觀。

（二）近代物理教學中世界觀的培養(yǎng)

在近代物理的教學中，以“原子結構”的發(fā)現(xiàn)過程為例說明科學發(fā)展是一個“排錯”過程。人類對事物的認識過程也是一個“排錯”過程，在教學中讓學生領悟到這一科學信念的重要性，對培養(yǎng)學生積極的學習情緒、塑造積極健康的人格具有重要意義。

1.從湯姆遜模型的西瓜模型到盧瑟福的行星模型

1897年，湯姆遜（JJThomson）發(fā)現(xiàn)了電子。在這之前人們認為原子不可分，如今發(fā)現(xiàn)了帶負電的電子，根據(jù)原子是電中性的，可以合理推測原子中必有一些成分帶正電。于是，湯姆遜提出了西瓜模型：原子就像一個均勻帶正電的西瓜，帶負電的電子像瓜子一樣鑲在西瓜里面。然而，這個模型可以解釋周期律，卻不能解釋光譜線。湯姆遜的學生盧瑟福（ERutherford）為了驗證導師的模型做了散射實驗，用α粒子去打擊原子。盧瑟福按湯姆遜模型計算表明，如果用帶正電的α粒子打進原子，會有一個不大的偏轉角?？蓪嶒炛笑亮Ｗ哟虻皆雍髤s是四面八方的散射，少數(shù)α粒子的散射角很大，有的甚至接近180°。顯然，西瓜模型解釋不了這一實驗現(xiàn)象，湯姆遜原子模型被否定了。1911年，盧瑟福提出了有核原子模型：原子中心是一個體積小、質量大的帶正電的原子核，電子圍繞原子核旋轉，好像行星繞著太陽運轉一樣。這個模型能解釋實驗現(xiàn)象，但在解釋周期律和光譜線時仍有問題，與經(jīng)典電磁理論矛盾，根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子圍繞原子核旋轉時產生輻射，能量會隨之減少，造成電子旋轉半徑不斷縮小，直到最終落在原子核上。因此盧瑟福原子模型是不穩(wěn)定的。

2.玻爾原子模型-分立軌道模型

1900年，為了解釋黑體輻射困難，德國物理學家（MPlanck）普朗克提出了能量量子化假設，并成功解釋了黑體輻射實驗規(guī)律，量子化概念開始進入近代物理學家的信念中。實驗方面，當時積累了大量的原子光譜實驗數(shù)據(jù)，物理學家發(fā)現(xiàn)原子的特征光譜中包含了有關原子結構的重要信息。為解決盧瑟福原子模型的困難，1913年丹麥物理學家（NBohr）玻爾提出了氫原子的玻爾模型。在盧瑟福有核原子模型的基礎上，玻爾提出3條假設：（1）電子在繞核運動時，只有電子的角動量L等于h/2π的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的。即L=nh/2π。其中，h為普朗克常數(shù)；n稱為量子數(shù)，軌道量子化。（2）電子滿足條件一的任一軌道上運動時，原子具有穩(wěn)定的能量En，不輻射也不吸收能量，這稱為定態(tài)。（3）原子從一個能量En的定態(tài)躍遷到能量Ek的另一個定態(tài)時，輻射或吸收具有一定頻率的光子，光子的頻率是v=|En-Ek|/h。根據(jù)玻爾定態(tài)躍遷原子模型，電子繞核旋轉有許多分立的軌道，軌道角動量只能取一系列不連續(xù)的值，即軌道量子化。原子從能級En躍遷到能級Ek時，放出單色光。玻爾假說很好地解釋了氫原子線光譜的規(guī)律。

3.玻爾模型的發(fā)展-空間的量子化

索末菲（ASommerfeld）對玻爾的氫原子理論作了發(fā)展[7]。索末菲認為，電子繞核旋轉的軌道為橢圓軌道，軌道平面在空間取向方位不連續(xù)，只能存在一些不連續(xù)的特定方位，即空間的量子化。玻爾-索末菲的原子模型在一定程度上反映了原子內部運動的客觀規(guī)律。但是，由于仍然應用了經(jīng)典力學去研究電子軌道運動，盡管加上量子條件，還是沒有跳出經(jīng)典理論的范疇，沒有擺脫軌道這一經(jīng)典概念。

4.電子云模型

最終由德布羅意的波粒二象性假設，實驗也證明微觀粒子具有波動性，才使科學界對原子、電子甚至光子等微觀粒子的本質有了進一步認識。電子的波動性使原子的電子軌道概念失去了意義，而只能說在離開原子核周圍空間某處發(fā)現(xiàn)電子的概率是多少，概率密度的分布稱為電子云。玻爾模型中所說的電子軌道，只不過是電子出現(xiàn)概率最大的區(qū)域而已。物理學家們就是這樣，通過假設-否定-再假設-實驗-計算-肯定的不斷“排錯”過程，一步步揭開了原子結構的神秘面紗，向世人呈現(xiàn)真實的原子內部世界。通過以上部分內容的教學，鼓勵學生學習物理學家們勇于探索、直面失敗的探索精神，不要因怕犯錯誤而不敢創(chuàng)新，不要因為暫時的失敗而放棄。在科學發(fā)展史上總是可以看到，人們對世界的認知難免會有錯誤，這并不可怕。一個經(jīng)常犯錯但允許別人修正自己錯誤的科學家，也許比一個曾經(jīng)正確但是不接受任何批評的所謂權威，更能促進科學的發(fā)展。本文列舉了經(jīng)典物理學和近代物理學教學中的兩個例子，說明我們在大學物理學教學中培養(yǎng)學生科學信念、科學世界觀和積極人生觀的教學嘗試。在教學中通過科學家事跡、物理學發(fā)展歷程的穿插教學，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生客觀積極的情緒體驗，把科學世界觀和積極人生觀的培養(yǎng)作為“課程育人”的重要部分，取得了較好的教學效果。大學物理教學在培養(yǎng)“德、智、體、美”全面發(fā)展的高素質人才方面起著舉足輕重的作用。

參考文獻：

[1]朱世秋，李春燕，賈貴儒，等.突出文化特色的大學物理教學模式[J].物理與工程，2014，Z1：84-87.

[2]朱世秋，甘德昌，劉玉穎，等.大學物理學教學中培養(yǎng)科學思維與激發(fā)學習興趣[J].物理與工程，2017（S1）：38-43.

[3]陳銀平.積極心理學應用于高校思想政治教育的思考[J].高教探索，2015（7）：87-90.

作者：朱世秋 賈貴儒 劉玉穎 單位：中國農業(yè)大學理學