物理学史研究和教学的体会

清华大学物理系教授 郭奕玲 (2004年4月3日)

我从20世纪80年代初开始，一直利用业余时间在清华大学为全校开出两门物理学史选修课,一门叫《物理学史的启示》,一门叫《科学家成功之路》。经过多年探索，到了90年代，这两门课逐渐走上正规,形成一套比较成熟的教学内容和教学方法,受到学生们的普遍欢迎。

有学生誉我为“科学殿堂的引路人”,我实在不敢当。但我确实领悟到,我之所以会受到学生爱戴,是因为我的讲课触发了他们的上进心,对他们有所帮助,根本原因还在于他们本来就是好苗子,我起的作用也许只是借用物理学史和科技史中的典型案例，指明科学发展的规律和科学家成长的必由之路,使他们受到启迪，从而促使他们健康地成长。我之所以能够激发学生们的兴趣，除了我做到了尽心尽力、热爱教学，最主要的原因可能还是我把科学研究与教学结合起来，从教学的需要出发，选择科学史研究的对象，并且把自己学习和研究的体会运用到教学之中。

[一]. 指导思想

正像钱三强教授在为我们的《物理学史》作序时所写：

“科学上没有平坦的大道。我们要通过物理学史的介绍，向学生讲清楚，科学经历的是一条非常曲折、非常艰难的道路。然而，我们的教师在对学生进行教育的时候往往是应用经过几次消化了的材料来讲授，或者经过抽象的理论分析加以表述，把已有的知识系统归纳，形成简明扼要的理论体系，这当然是必要的，但是这样的教学方法，往往会使学生对科学概念的产生和发展引起误解，以为什么结论都可用数学推导出来，失去了对观察和实验的兴趣。这样的结果使学生们不了解科学是怎样来的，时间长了，等到他自己从事教学时就很容易把科学当作一门死科学来教。今天我们科学界有一个弱点，这就是思想不很活泼，这也许跟大家过去受的教育有一定关系。”

讲清科学发展的曲折性,在我的课程里始终是一条主线。我要让学生们充分认识到,科学的道路是不平坦的,科学家成功之路是艰险的,要准备付出比常人更多的精力和代价,必须有热爱科学、献身科学的精神,要善于继承又勇于创新,才有可能取得成功。

我讲到牛顿怎样站在巨人的肩上、爱因斯坦十年的追光思考、居里一家的艰难困苦、卢瑟福长期研究阿尔发射线以及量子理论早期发展所经历的曲折和磨难。我从伽利略、牛顿讲到法拉第、爱因斯坦,从外国科学家讲到中国科学家,讲他们的奋斗历程,讲他们的创造过程.物理学发展史中每一次飞跃,经过了多少准备,又遇到那些矛盾。

理论与实践的关系是我的第二个着重点。物理学是实验科学，实验工作是基础。强调实验的意义，并不是否定理论的重要性，只有在实验的基础上建立了正确的、经得起实践检验的理论，才能由表及里达到对客观事物的规律性认识。我在系统地介绍理论发展线索的同时，更多地介绍实验工作的经过和所起的作用，分析理论与实验相辅相成的依赖关系,务使这些观点深深地在同学们的头脑里扎根。

我通过自己的实践体会到：科学史的学习对于树立科学的世界观和人生观很有帮助。为此，我以大量的实例反复阐明偶然与必然的关系,指导学生正确看待机遇。让学生真正懂得“机遇偏爱有准备的头脑”的道理,使他们明确今天的准备正是为了明天抓住机遇。要有哲学头脑,要充分发挥自己主观的能动作用, 增强自觉性.寻求机遇,开拓机遇,利用机遇,做好准备,当时机来临时能够抓住机遇。

我讲到伦琴发现X射线和贝克勒尔发现放射性,讲到法拉第发现电磁感应和昂纳斯发现超导电性,讲到钱三强发现重核三分裂,还讲到某些科学家的挫折和失误,分析其偶然性与必然性,机遇的得失,经验与教训,并联系当前的学习、今后的发展,以及基础教学和专业的关系,基础科学和应用开发的关系,让学生们树立向科学进军的决心和信心。

正确人生观的树立往往会决定一个人的一生。我的学生多为大一大二本科生。他们正值人生转变的关键时期。寒窗十余载,过关斩将,终于进入了名牌大学,实现了从小就抱有的宿愿,目的达到了,该松口气了.他们满怀热情和好奇心来到最高学府,天真幼稚,认识模糊。我以科学家的实际经历作为素材,谆谆诱导他们,给同学们讲人生的道路长得很,一定要树立远大目标。

在这方面,我主要抓住如下几点：

树立正确的苦乐观。什么是苦?什么是乐?科学家们怎样看苦和乐?科学工作,虽苦犹乐。

树立正确的价值观。人生价值要放在社会的大环境中和历史的长河里去衡量。

培育高尚的情操,做一个脱离低级趣味的人。

树立责任感,要象科学家那样为国为民,奋发图强.要经得起历史的检验。

通过许多生动的事例,听众自然会对科学家增加了解,领会他们的思想感情,觉得他们亲切可敬。更重要的是,他们能够理解为什么这些科学家会有克服困难的勇气和毅力, 懂得是什么促使他们献身科学。

反面的事例往往能起到很好的教育作用。我从一些人弄虚作假、夸大事实、隐瞒真象、贪图名利的恶劣行为讲到病态科学的社会基础,教导学生要谦虚谨慎,不要贪图名利；要严谨踏实,不要弄虚作假；要一步一个足印,不要做坛花一现的人物。

我以大量的事例引导同学们树立正确的人生观,教育学生如何做人。我颂扬科学家们的高尚品德,教导同学们要当科学家,首先要学会做人。

[二]. 采取新颖的课程结构和讲授方法。在课程结构和讲授方法上，如其平铺直叙地罗列一大堆史实，不如抓住若干典型，进行个例剖析，搞得深透些。什么是个例剖析?我指的是就某一个事件、某一项发现或某一位科学家的成就进行充分的揭示，说明其前因后果、来龙去脉，不仅说有什么，还要说为什么。例如，可以问一问：为什么会出现那样的事件?为什么会发生新的突破?为什么会造就伟大的人物?分析其成功的要素，总结其经验教训，提炼出可供大家共享的精神财富。我在《物理学史的启示》中选了十几个专题，每讲一个专题，分析一个例子，也就是说，从个例剖析中得到有益的启示，这些启示并不是生硬灌输给学生，而是通过真实的历史、实际的资料、生动的情景把学生引向历史的场面，让他们自己去体会，自己去获取教益。

怎样进行个例剖析呢?

简单说来，就是在充分占有资料的前提下，沿着如下的线索进行研究：

个例剖析示意图

我用这张图来表示研究的方法。一条线代表时间，一条线代表人物的活动，一条线代表事件的发展经过。在全面考察了人和事的发展经过之后，由远而近，把注意力聚焦在当事人作出发现的关键时刻，分析6个W：

(1) Why?为什么会发生?一个物理事件之所以发生，必定有其历史背景和动因。

(2) What?事件的性质，有何特点?有何意义?在历史上起了什么作用?

(3) When?有什么时代特点?为什么在这个时候出现?有没有历史的必然性?

(4) Where?为什么在这个地方?是什么社会因素决定的?

(5) Who?分析人物的特点，他的成功要素。为什么会作出这个成果?

(6) How?他们是怎样作出成果的，所经的曲折和奋斗历程以及从中可以得到的启示。

我力求全面回答这些问题，从而尽可能深入地了解事件的历史背景和当事人取得成功的经验。每个课题都将围绕这6个问题(6个W) 展开。当然，具体提出几个问题应视课题而异。

[三]. 贯穿始终的是九个字,即:找观点，学方法，树榜样。

什么叫找观点?找观点就是学习前辈科学家的看法和见解。他们在推动科学前进时是受什么思想支配的。他们为什么要研究这些问题?他们怎样看待这些问题?他们怎样处理理论与实验之间的分歧?他们怎样分析事物的矛盾?他们奋斗的目标是什么?等等等等。

例如,牛顿把各种力归结为近距力和远距力，他把天体吸引力和地球重力统一到一起，归结为万有引力。而万有引力和电力，磁力之间的统一性虽未找到，却启示了后人发现电力和磁力的平方反比定律。奥斯特在1820年发现电流的磁效应，并非偶然，而是受19世纪一种科学思潮的影响，认为自然力是统一的。法拉第也笃信自然“力”的统一性。在这一思想的推动下，他几经挫折，在1845年发现了磁场对光学偏振面的影响。

什么叫学方法?这里有三层意思。一是要注意学会用历史的方法。历史方法是科学研究的重要方法之一。收集和分析历史资料，是科学研究的一项基本功。每一个研究生在做学位论文时大概都要首先对本门学科作一历史的回顾和发展的综述，这就是历史的方法，物理学史的学习可以帮助学生掌握这个方法。我在讲课中常常运用的个例剖析其实就是一种历史方法。

再一层意思就是从前辈科学家的创新活动学习他们处理问题的方法。例如：他们是怎样抓住新课题，从而把握科学发展新动态，发现新规律，新现象；他们是怎样借鉴前人，总结历史的经验教训，从而找到新的途径；他们是怎样对待矛盾，从矛盾的对立中找到突破口；他们是怎样设计新实验，从而取得判决性实验结果的。

还有一层意思就是学习具体的研究方法。例如：对比方法是探索新现象的规律常用的方法。人们用移植的方法可以大大加快新兴领域的发展速度。理想实验是科学思维的重要手段，反证法也是逻辑推理的有力工具。佯谬(悖论) 法在暴露矛盾上有惊人的魔力,往往由此取得重大突破.实验方法和数学方法更是物理学研究的精髓,等等等等。科学方法多种多样，既可以采用这种方法，也可以用那种方法，不同性质的问题,不同的研究对象,要用不同的方法.因势利导，辩证下药，通过物理学史的学习，对各种方法在历史上的具体应用进行比较，层次分明,对比强烈,科学先辈们往往因为方法得当,难题迎刃而解,了解这些可以进一步体会到先辈们智慧之所在。每当我讲到精彩处,常听到发自学生内心的叹服声。整部科学方法论贯穿在我的物理学史的启示中,虽然没有花专门的时间,没有设专门的课程进行讲授，却比单开一门课还有效，因为引起了同学们的浓厚兴趣,有的同学课余找参考书,有的在课堂上特别注意听老师讲方法,有的课外认真思考,有的认为这些内容好比猎枪,对今后的学习和工作大有益处。

什么叫树榜样?当然包括从各种典型案例中找典型人物，引为自己的榜样，树为自己的学习楷模。我这里指的是更广泛的涵义，既包括科学家的治学创业，也涉及他的为人处世。大科学家也是人，从小长大，各有其成长的过程。他们的成长道路对学生和教师有特殊的参考价值。科学家也有自己的喜怒哀乐。他对待困难和逆境的态度，他对名誉、地位的看法，他坚持不懈，顽强拼搏的毅力，他灵活机动的风格和严谨踏实的作风,他敏锐的观察和一针见血的洞察力，他对祖国对人民的热爱，他的献身精神，等等，都值得我们学习和借鉴。

榜样的力量是巨大的。我们当然可以抽象出他们成功的共同要素，提炼成几条座右铭，但是重要的并不在于现成的结论，而在真正有所体会，变成自己的信条。所以应该让学生自己去吸取经验，真正做到心悦诚服,深入了解一两位或几位科学家，以他们为榜样，学习他们的精神并在自己的实践中努力照着做，往往会起很大的鼓舞作用。

[四] 选修课要有特色。清华大学多年来为本科生开设了上百门选修课,物理学史不是学生特别热衷的课程,为什么每年会有近千人选修? 经过调查,许多同学是受高班影响,慕名而来,认为我的课内容生动,富有启发,颇有特色。如果说有什么特点的话,那也许是：

1.内容精练,点题确切。用个例剖析方法,比较深刻透澈。寓教于史,引而不发。一件事往往可以得到多方面的启示,令人回味不尽。我把传授知识、科学普及和思想教育结合起来,以学生们喜闻乐见的形式进行授课,自然会受到学生们的欢迎。

2.亲切动情,思想交融。在讲课中我没有说教,总像讲故事拉家常一样向同学们介绍历史的经过。讲到动情处,确实有点像演员进入角色那样,具有一定的感染力。

当讲到科学家的生平事迹时,我往往是带着激情,歌颂他们刻苦钻研,热爱科学,献身科学的忘我精神。曾有学生说听我的课象读一部史诗,也有说象进入了历史的殿堂,科学家们活生生地在和他们对话,有身临其境之感。这些过头话我不敢当,但我的讲话确实是发自内心的,我把自己也溶合到这些历史过程中了,我自己首先受到教育,受到激励。我只不过是向学生传达我的感受而已。

3. 经过几十年的积累,我掌握有大量原始资料和历史图片,经过反复提炼,编辑成透明片、幻灯片,再加上录音录相和多媒体教材，把每堂课都变成音像俱全的历史殿堂,使听众不仅听我讲,还要跟我看,这样就增强了历史气氛,使课堂内容生动形象,亲切可信,从而大大提高了学生的兴趣,增进讲课的效果。

4. 以父辈的爱心,谆谆诱导同学们从历史经验获得有益启示,帮助他们改进学习方法,端正人生目标,树立为振兴中华奋发的志向。我每年要批阅数千份学生作业,有些确是值得一读的好文章,我从中了解到许多真实情况,同学们的体会有的比我深刻,我向他们学习,用他们的语言,再来和他们交谈,这样就使得我们之间倍感亲切。

5. 教育者首先要受教育,这一点我有实际体会。我之所以能坚持下来,十几年把选修课开得越来越兴旺,是因为我受到科学先辈们的激励,他们那种坚韧不拔的精神首先给了我力量。

我认识到这项工作的深远意义,克服各种困难坚持了下来。我之所以能取得一定效果,是因为我自己确有体会,我在讲课中只是把自己的体会向学生交流。我把这一切当做我的享受和乐趣。

教书育人是我的事业。向学生交流自己的思想和体会,得到他们的认同和共鸣,在我的帮助下他们健康成长,这是我的最大快慰。

6. 作为一名基础课教师,我从物理学史的研究得到了提高。如果说我有什么经验的话,那就是要努力把科研与教学紧密结合起来,两者关系处理得好,可以发挥很好的作用。我的工作很平凡,但确也尝到一点甜头。例如:我的科研成果,我收集的大量资料、写的三十几本书和上百篇论文，都为讲课提供了厚实的基础。

我一直有这样的看法,认为教师的作用有三:一是向学生传授知识,二是培养学生的能力,三是鼓励学生上进。在物理教学中,运用一点物理学史的材料,有助于这些工作。本着这个看法,我在教学之余开展了一些科研工作。我从教学需要出发,有目的地收集了各种物理学史料。这些史料经过分析研究和系统整理,再反馈到教学之中加以运用,取得了一定效果。我在从事这些工作时,一般是先向自己提出问题,再带着问题去查找资料。当我掌握了过硬的资料,经过自己的学习和研究而有所悟时,我才把自己的体会介绍给读者和学生。我向自己提的问题一般也是学生和读者容易感到疑惑的地方。所以当我介绍这些资料时,很容易获得他们的共鸣,引起他们的兴趣,他们也就在听课中不知不觉地接受了我的观点。

[五] 几点看法：

1. 物理学史可以看成是某种载体，不只是传授知识，更重要是传达科学前辈的思想、方法、情趣和经验。目的是给人以启发。

2. 既要有形象资料，也要介绍思想的精华。使其生动活泼而又意境深邃。

3.

既要博古，也要厚今，重点应该是20世纪物理学的发展和现代科学家（诸如诺贝尔奖获得者）的经历。

4. 既要讲述理论的发展，也要介绍实验的发现和检验，这样才能说清楚物理学的来龙去脉。

5.

史料不宜简单地堆积，而要放在历史的长河中运用，这样才能充分显示其历史价值。这就好比是信息：不仅给出信息的“振幅”，还要给出信息的“相位”。“全息”才能栩栩如生。

6. 学一点科学史有助于科学素质和人文素质的提高。最好是从中小学做起。

最后我想谈谈,一名年过古稀之年的物理学教授,为什么还要花这么多的精力给大学低年级学生（甚至中学生）讲课?这到底值不值得?我要说,很值得。我算过一笔帐,我每年给上千名学生讲课,十年就有一万。这些人将来会有不少成为栋梁之材,我能对他们的成长起一点引导作用,那怕只有百分之一的学生受到启蒙,也是一个了不起的贡献。我寄希望于后来者，希望他们能把这件事继续做下去，取得很大的成效。