物理學史研究和教學的體會

清華大學物理系教授 郭奕玲 (2004年4月3日)

我從20世紀80年代初開始，一直利用業餘時間在清華大學為全校開出兩門物理學史選修課,一門叫《物理學史的啟示》,一門叫《科學家成功之路》。經過多年探索，到了90年代，這兩門課逐漸走上正規,形成一套比較成熟的教學內容和教學方法,受到學生們的普遍歡迎。

有學生譽我為“科學殿堂的引路人”,我實在不敢當。但我確實領悟到,我之所以會受到學生愛戴,是因為我的講課觸發了他們的上進心,對他們有所幫助,根本原因還在於他們本來就是好苗子,我起的作用也許只是借用物理學史和科技史中的典型案例，指明科學發展的規律和科學家成長的必由之路,使他們受到啟迪，從而促使他們健康地成長。我之所以能夠激發學生們的興趣，除了我做到了盡心盡力、熱愛教學，最主要的原因可能還是我把科學研究與教學結合起來，從教學的需要出發，選擇科學史研究的對象，並且把自己學習和研究的體會運用到教學之中。

[一]. 指導思想

正像錢三強教授在為我們的《物理學史》作序時所寫：

“科學上沒有平坦的大道。我們要通過物理學史的介紹，向學生講清楚，科學經歷的是一條非常曲折、非常艱難的道路。然而，我們的教師在對學生進行教育的時候往往是應用經過幾次消化了的材料來講授，或者經過抽象的理論分析加以表述，把已有的知識系統歸納，形成簡明扼要的理論體系，這當然是必要的，但是這樣的教學方法，往往會使學生對科學概念的產生和發展引起誤解，以為什麼結論都可用數學推導出來，失去了對觀察和實驗的興趣。這樣的結果使學生們不了解科學是怎樣來的，時間長了，等到他自己從事教學時就很容易把科學當作一門死科學來教。今天我們科學界有一個弱點，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過去受的教育有一定關係。”

講清科學發展的曲折性,在我的課程里始終是一條主線。我要讓學生們充分認識到,科學的道路是不平坦的,科學家成功之路是艱險的,要準備付出比常人更多的精力和代價,必須有熱愛科學、獻身科學的精神,要善於繼承又勇於創新,才有可能取得成功。

我講到牛頓怎樣站在巨人的肩上、愛因斯坦十年的追光思考、居里一家的艱難困苦、盧瑟福長期研究阿爾發射線以及量子理論早期發展所經歷的曲折和磨難。我從伽利略、牛頓講到法拉第、愛因斯坦,從外國科學家講到中國科學家,講他們的奮鬥歷程,講他們的創造過程.物理學發展史中每一次飛躍,經過了多少準備,又遇到那些矛盾。

理論與實踐的關係是我的第二個着重點。物理學是實驗科學，實驗工作是基礎。強調實驗的意義，並不是否定理論的重要性，只有在實驗的基礎上建立了正確的、經得起實踐檢驗的理論，才能由表及里達到對客觀事物的規律性認識。我在系統地介紹理論發展線索的同時，更多地介紹實驗工作的經過和所起的作用，分析理論與實驗相輔相成的依賴關係,務使這些觀點深深地在同學們的頭腦里紮根。

我通過自己的實踐體會到：科學史的學習對於樹立科學的世界觀和人生觀很有幫助。為此，我以大量的實例反覆闡明偶然與必然的關係,指導學生正確看待機遇。讓學生真正懂得“機遇偏愛有準備的頭腦”的道理,使他們明確今天的準備正是為了明天抓住機遇。要有哲學頭腦,要充分發揮自己主觀的能動作用, 增強自覺性.尋求機遇,開拓機遇,利用機遇,做好準備,當時機來臨時能夠抓住機遇。

我講到倫琴發現X射線和貝克勒爾發現放射性,講到法拉第發現電磁感應和昂納斯發現超導電性,講到錢三強發現重核三分裂,還講到某些科學家的挫折和失誤,分析其偶然性與必然性,機遇的得失,經驗與教訓,並聯繫當前的學習、今後的發展,以及基礎教學和專業的關係,基礎科學和應用開發的關係,讓學生們樹立向科學進軍的決心和信心。

正確人生觀的樹立往往會決定一個人的一生。我的學生多為大一大二本科生。他們正值人生轉變的關鍵時期。寒窗十餘載,過關斬將,終於進入了名牌大學,實現了從小就抱有的宿願,目的達到了,該鬆口氣了.他們滿懷熱情和好奇心來到最高學府,天真幼稚,認識模糊。我以科學家的實際經歷作為素材,諄諄誘導他們,給同學們講人生的道路長得很,一定要樹立遠大目標。

在這方面,我主要抓住如下幾點：

樹立正確的苦樂觀。什麼是苦?什麼是樂?科學家們怎樣看苦和樂?科學工作,雖苦猶樂。

樹立正確的價值觀。人生價值要放在社會的大環境中和歷史的長河裡去衡量。

培育高尚的情操,做一個脫離低級趣味的人。

樹立責任感,要象科學家那樣為國為民,奮發圖強.要經得起歷史的檢驗。

通過許多生動的事例,聽眾自然會對科學家增加了解,領會他們的思想感情,覺得他們親切可敬。更重要的是,他們能夠理解為什麼這些科學家會有克服困難的勇氣和毅力, 懂得是什麼促使他們獻身科學。

反面的事例往往能起到很好的教育作用。我從一些人弄虛作假、誇大事實、隱瞞真象、貪圖名利的惡劣行為講到病態科學的社會基礎,教導學生要謙虛謹慎,不要貪圖名利；要嚴謹踏實,不要弄虛作假；要一步一個足印,不要做壇花一現的人物。

我以大量的事例引導同學們樹立正確的人生觀,教育學生如何做人。我頌揚科學家們的高尚品德,教導同學們要當科學家,首先要學會做人。

[二]. 採取新穎的課程結構和講授方法。在課程結構和講授方法上，如其平鋪直敘地羅列一大堆史實，不如抓住若干典型，進行個例剖析，搞得深透些。什麼是個例剖析?我指的是就某一個事件、某一項發現或某一位科學家的成就進行充分的揭示，說明其前因後果、來龍去脈，不僅說有什麼，還要說為什麼。例如，可以問一問：為什麼會出現那樣的事件?為什麼會發生新的突破?為什麼會造就偉大的人物?分析其成功的要素，總結其經驗教訓，提煉出可供大家共享的精神財富。我在《物理學史的啟示》中選了十幾個專題，每講一個專題，分析一個例子，也就是說，從個例剖析中得到有益的啟示，這些啟示並不是生硬灌輸給學生，而是通過真實的歷史、實際的資料、生動的情景把學生引向歷史的場面，讓他們自己去體會，自己去獲取教益。

怎樣進行個例剖析呢?

簡單說來，就是在充分占有資料的前提下，沿着如下的線索進行研究：

個例剖析示意圖

我用這張圖來表示研究的方法。一條線代表時間，一條線代表人物的活動，一條線代表事件的發展經過。在全面考察了人和事的發展經過之後，由遠而近，把注意力聚焦在當事人作出發現的關鍵時刻，分析6個W：

(1) Why?為什麼會發生?一個物理事件之所以發生，必定有其歷史背景和動因。

(2) What?事件的性質，有何特點?有何意義?在歷史上起了什麼作用?

(3) When?有什麼時代特點?為什麼在這個時候出現?有沒有歷史的必然性?

(4) Where?為什麼在這個地方?是什麼社會因素決定的?

(5) Who?分析人物的特點，他的成功要素。為什麼會作出這個成果?

(6) How?他們是怎樣作出成果的，所經的曲折和奮鬥歷程以及從中可以得到的啟示。

我力求全面回答這些問題，從而儘可能深入地了解事件的歷史背景和當事人取得成功的經驗。每個課題都將圍繞這6個問題(6個W) 展開。當然，具體提出幾個問題應視課題而異。

[三]. 貫穿始終的是九個字,即:找觀點，學方法，樹榜樣。

什麼叫找觀點?找觀點就是學習前輩科學家的看法和見解。他們在推動科學前進時是受什麼思想支配的。他們為什麼要研究這些問題?他們怎樣看待這些問題?他們怎樣處理理論與實驗之間的分歧?他們怎樣分析事物的矛盾?他們奮鬥的目標是什麼?等等等等。

例如,牛頓把各種力歸結為近距力和遠距力，他把天體吸引力和地球重力統一到一起，歸結為萬有引力。而萬有引力和電力，磁力之間的統一性雖未找到，卻啟示了後人發現電力和磁力的平方反比定律。奧斯特在1820年發現電流的磁效應，並非偶然，而是受19世紀一種科學思潮的影響，認為自然力是統一的。法拉第也篤信自然“力”的統一性。在這一思想的推動下，他幾經挫折，在1845年發現了磁場對光學偏振面的影響。

什麼叫學方法?這裡有三層意思。一是要注意學會用歷史的方法。歷史方法是科學研究的重要方法之一。收集和分析歷史資料，是科學研究的一項基本功。每一個研究生在做學位論文時大概都要首先對本門學科作一歷史的回顧和發展的綜述，這就是歷史的方法，物理學史的學習可以幫助學生掌握這個方法。我在講課中常常運用的個例剖析其實就是一種歷史方法。

再一層意思就是從前輩科學家的創新活動學習他們處理問題的方法。例如：他們是怎樣抓住新課題，從而把握科學發展新動態，發現新規律，新現象；他們是怎樣借鑑前人，總結歷史的經驗教訓，從而找到新的途徑；他們是怎樣對待矛盾，從矛盾的對立中找到突破口；他們是怎樣設計新實驗，從而取得判決性實驗結果的。

還有一層意思就是學習具體的研究方法。例如：對比方法是探索新現象的規律常用的方法。人們用移植的方法可以大大加快新興領域的發展速度。理想實驗是科學思維的重要手段，反證法也是邏輯推理的有力工具。佯謬(悖論) 法在暴露矛盾上有驚人的魔力,往往由此取得重大突破.實驗方法和數學方法更是物理學研究的精髓,等等等等。科學方法多種多樣，既可以採用這種方法，也可以用那種方法，不同性質的問題,不同的研究對象,要用不同的方法.因勢利導，辯證下藥，通過物理學史的學習，對各種方法在歷史上的具體應用進行比較，層次分明,對比強烈,科學先輩們往往因為方法得當,難題迎刃而解,了解這些可以進一步體會到先輩們智慧之所在。每當我講到精彩處,常聽到發自學生內心的嘆服聲。整部科學方法論貫穿在我的物理學史的啟示中,雖然沒有花專門的時間,沒有設專門的課程進行講授，卻比單開一門課還有效，因為引起了同學們的濃厚興趣,有的同學課餘找參考書,有的在課堂上特別注意聽老師講方法,有的課外認真思考,有的認為這些內容好比獵槍,對今後的學習和工作大有益處。

什麼叫樹榜樣?當然包括從各種典型案例中找典型人物，引為自己的榜樣，樹為自己的學習楷模。我這裡指的是更廣泛的涵義，既包括科學家的治學創業，也涉及他的為人處世。大科學家也是人，從小長大，各有其成長的過程。他們的成長道路對學生和教師有特殊的參考價值。科學家也有自己的喜怒哀樂。他對待困難和逆境的態度，他對名譽、地位的看法，他堅持不懈，頑強拼搏的毅力，他靈活機動的風格和嚴謹踏實的作風,他敏銳的觀察和一針見血的洞察力，他對祖國對人民的熱愛，他的獻身精神，等等，都值得我們學習和借鑑。

榜樣的力量是巨大的。我們當然可以抽象出他們成功的共同要素，提煉成幾條座右銘，但是重要的並不在於現成的結論，而在真正有所體會，變成自己的信條。所以應該讓學生自己去吸取經驗，真正做到心悅誠服,深入了解一兩位或幾位科學家，以他們為榜樣，學習他們的精神並在自己的實踐中努力照着做，往往會起很大的鼓舞作用。

[四] 選修課要有特色。清華大學多年來為本科生開設了上百門選修課,物理學史不是學生特別熱衷的課程,為什麼每年會有近千人選修? 經過調查,許多同學是受高班影響,慕名而來,認為我的課內容生動,富有啟發,頗有特色。如果說有什麼特點的話,那也許是：

1.內容精練,點題確切。用個例剖析方法,比較深刻透澈。寓教於史,引而不發。一件事往往可以得到多方面的啟示,令人回味不盡。我把傳授知識、科學普及和思想教育結合起來,以學生們喜聞樂見的形式進行授課,自然會受到學生們的歡迎。

2.親切動情,思想交融。在講課中我沒有說教,總像講故事拉家常一樣向同學們介紹歷史的經過。講到動情處,確實有點像演員進入角色那樣,具有一定的感染力。

當講到科學家的生平事跡時,我往往是帶着激情,歌頌他們刻苦鑽研,熱愛科學,獻身科學的忘我精神。曾有學生說聽我的課象讀一部史詩,也有說象進入了歷史的殿堂,科學家們活生生地在和他們對話,有身臨其境之感。這些過頭話我不敢當,但我的講話確實是發自內心的,我把自己也溶合到這些歷史過程中了,我自己首先受到教育,受到激勵。我只不過是向學生傳達我的感受而已。

3. 經過幾十年的積累,我掌握有大量原始資料和歷史圖片,經過反覆提煉,編輯成透明片、幻燈片,再加上錄音錄相和多媒體教材，把每堂課都變成音像俱全的歷史殿堂,使聽眾不僅聽我講,還要跟我看,這樣就增強了歷史氣氛,使課堂內容生動形象,親切可信,從而大大提高了學生的興趣,增進講課的效果。

4. 以父輩的愛心,諄諄誘導同學們從歷史經驗獲得有益啟示,幫助他們改進學習方法,端正人生目標,樹立為振興中華奮發的志向。我每年要批閱數千份學生作業,有些確是值得一讀的好文章,我從中了解到許多真實情況,同學們的體會有的比我深刻,我向他們學習,用他們的語言,再來和他們交談,這樣就使得我們之間倍感親切。

5. 教育者首先要受教育,這一點我有實際體會。我之所以能堅持下來,十幾年把選修課開得越來越興旺,是因為我受到科學先輩們的激勵,他們那種堅韌不拔的精神首先給了我力量。

我認識到這項工作的深遠意義,克服各種困難堅持了下來。我之所以能取得一定效果,是因為我自己確有體會,我在講課中只是把自己的體會向學生交流。我把這一切當做我的享受和樂趣。

教書育人是我的事業。向學生交流自己的思想和體會,得到他們的認同和共鳴,在我的幫助下他們健康成長,這是我的最大快慰。

6. 作為一名基礎課教師,我從物理學史的研究得到了提高。如果說我有什麼經驗的話,那就是要努力把科研與教學緊密結合起來,兩者關係處理得好,可以發揮很好的作用。我的工作很平凡,但確也嘗到一點甜頭。例如:我的科研成果,我收集的大量資料、寫的三十幾本書和上百篇論文，都為講課提供了厚實的基礎。

我一直有這樣的看法,認為教師的作用有三:一是向學生傳授知識,二是培養學生的能力,三是鼓勵學生上進。在物理教學中,運用一點物理學史的材料,有助於這些工作。本着這個看法,我在教學之餘開展了一些科研工作。我從教學需要出發,有目的地收集了各種物理學史料。這些史料經過分析研究和系統整理,再反饋到教學之中加以運用,取得了一定效果。我在從事這些工作時,一般是先向自己提出問題,再帶着問題去查找資料。當我掌握了過硬的資料,經過自己的學習和研究而有所悟時,我才把自己的體會介紹給讀者和學生。我向自己提的問題一般也是學生和讀者容易感到疑惑的地方。所以當我介紹這些資料時,很容易獲得他們的共鳴,引起他們的興趣,他們也就在聽課中不知不覺地接受了我的觀點。

[五] 幾點看法：

1. 物理學史可以看成是某種載體，不只是傳授知識，更重要是傳達科學前輩的思想、方法、情趣和經驗。目的是給人以啟發。

2. 既要有形象資料，也要介紹思想的精華。使其生動活潑而又意境深邃。

3.

既要博古，也要厚今，重點應該是20世紀物理學的發展和現代科學家（諸如諾貝爾獎獲得者）的經歷。

4. 既要講述理論的發展，也要介紹實驗的發現和檢驗，這樣才能說清楚物理學的來龍去脈。

5.

史料不宜簡單地堆積，而要放在歷史的長河中運用，這樣才能充分顯示其歷史價值。這就好比是信息：不僅給出信息的“振幅”，還要給出信息的“相位”。“全息”才能栩栩如生。

6. 學一點科學史有助於科學素質和人文素質的提高。最好是從中小學做起。

最後我想談談,一名年過古稀之年的物理學教授,為什麼還要花這麼多的精力給大學低年級學生（甚至中學生）講課?這到底值不值得?我要說,很值得。我算過一筆帳,我每年給上千名學生講課,十年就有一萬。這些人將來會有不少成為棟梁之材,我能對他們的成長起一點引導作用,那怕只有百分之一的學生受到啟蒙,也是一個了不起的貢獻。我寄希望於後來者，希望他們能把這件事繼續做下去，取得很大的成效。