在大學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)世界觀

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摘要：新時代大學(xué)教學(xué)的根本任務(wù)是“立德樹人”。在“德育為先”的教育理念引領(lǐng)下，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)強調(diào)發(fā)揮專業(yè)課思政教育功能的重要性。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和物質(zhì)間相互作用規(guī)律的學(xué)科，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。大學(xué)物理教學(xué)在“立德樹人”中具有學(xué)科優(yōu)勢。文章以物理學(xué)家們對太陽系和原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程為例，說明物理學(xué)在科學(xué)信念和科學(xué)世界觀的建立中有不可替代的重要作用，同時說明科學(xué)的發(fā)展是不斷否定再肯定的辯證過程，鼓勵學(xué)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(xué)的世界觀和積極的人生觀。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理教學(xué)；課程育人；世界觀；科學(xué)信念

一、物理學(xué)與世界觀

物理學(xué)是研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、基本運動形式以及物體間相互作用規(guī)律的科學(xué)，是人類探索自然奧秘的過程中形成的學(xué)科。物理學(xué)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(xué)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(chǎn)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(rèn)知得到提升。隨著對自然認(rèn)識的不斷深入，人們的世界觀隨之不斷改變。尤其是物理學(xué)在20世紀(jì)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(chǎn)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(rèn)識理念。從哲學(xué)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(guān)聯(lián)、環(huán)環(huán)相扣、連貫一致[4]。廣義的物理學(xué)作為自然科學(xué)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(guān)系的總的看法和根本觀點，其實質(zhì)即是從根本上去理解世界的本質(zhì)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(xué)家們一直在探索解決的問題。在世界觀和科學(xué)信念的建立過程中，物理學(xué)具有無可替代的作用。

二、培養(yǎng)科學(xué)世界觀———大學(xué)物理“課程育人”教學(xué)嘗試

教育的對象是“人”，不是“書”，教育的首要任務(wù)是“育人”。物理學(xué)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(xué)教學(xué)的目的不僅是讓學(xué)生學(xué)會書本上的概念、定理和公式，更重要的是學(xué)習(xí)物理學(xué)家們在研究過程中積累的研究方法和思維方式，學(xué)習(xí)物理學(xué)家探索世界的精神，領(lǐng)悟物理精神和物理文化[5]，最終幫助學(xué)生建立堅定的科學(xué)信念、形成科學(xué)世界觀和積極人生觀?？茖W(xué)的世界觀是積極人生觀的基礎(chǔ)，只有當(dāng)學(xué)生具備了對自然世界的認(rèn)知力，才能建立起對人生、對社會的正確認(rèn)知，這是幫助塑造學(xué)生積極人格的重要基礎(chǔ)。物理學(xué)家也具有人文情懷，金曉峰教授[5]所說：“科學(xué)和人文同是人類思考包括人在內(nèi)的整個世界的方式，而引領(lǐng)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(lǐng)著科學(xué)和人文循著各自不同的軌跡，殊途同歸地奔向?qū)κ澜绫举|(zhì)的追索”。物理學(xué)和人文科學(xué)相輔相成，承載著“立德樹人”的歷史使命。下面以經(jīng)典力學(xué)教學(xué)中對太陽系的認(rèn)知發(fā)展和近代物理教學(xué)中原子模型的建立過程為例，說明物理學(xué)發(fā)展對人們的信念和世界觀的重要影響，大學(xué)物理的教學(xué)過程即是“立德樹人”的“育人”過程。

（一）經(jīng)典力學(xué)教學(xué)中對學(xué)生世界觀的培養(yǎng)

經(jīng)典力學(xué)的核心內(nèi)容是牛頓運動定律和萬有引力定律。我們在教學(xué)中按經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展時間線穿插講授物理學(xué)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(zhuǎn)”的轉(zhuǎn)變，顛覆了人們對世界的看法，導(dǎo)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(xué)家的不斷觀察、探索與實驗，推動了人們科學(xué)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(jì)之前，人們觀察到太陽日復(fù)一日東升西落地圍繞地球轉(zhuǎn)，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(dǎo)，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(jì)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(zhuǎn)的。哥白尼發(fā)現(xiàn)，需要作出以太陽為中心的假設(shè)，行星軌道周期的計算才合理且準(zhǔn)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(zhuǎn)的日心說，否定了當(dāng)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(xué)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(xué)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(xué)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(jì)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(xué)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(xué)家與思想家

在牛頓經(jīng)典力學(xué)的教學(xué)中，我們更重要的是學(xué)習(xí)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(dāng)于創(chuàng)立了有關(guān)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(xué)革命”將現(xiàn)代科學(xué)的種子遍撒歐洲大地，并讓科學(xué)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(xué)技術(shù)和文化文明創(chuàng)新的基礎(chǔ)。牛頓是一位劃時代的偉大科學(xué)家，在他之前，人類對自然規(guī)律的了解還非常有限，物理學(xué)和天文學(xué)體系不完整，數(shù)學(xué)作為物理學(xué)的工具也相對薄弱，整個西方世界的科學(xué)都以亞里士多德的物理學(xué)理論為基礎(chǔ)。由于時代的局限，大多數(shù)結(jié)論都是定性而非定量的，有些結(jié)論甚至是錯的。在牛頓之后，經(jīng)典的物理學(xué)和天文學(xué)完全建立起來，人們對數(shù)學(xué)的認(rèn)識從靜止的變量上升到變化的函數(shù)。牛頓力學(xué)倡導(dǎo)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(zhǔn)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(xué)家，也是偉大的思想家。他不僅用簡單而優(yōu)美的數(shù)學(xué)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(rèn)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(rèn)識還充斥著迷信和恐懼，因此屈服于神權(quán)。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(dǎo)致了教會權(quán)威的逐步喪失。無知是人類最大的敵人，當(dāng)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(dāng)人們開始獲得知識后，人類本身向上的力量就會引導(dǎo)自己走向自由，走向自信和樂觀。

（二）近代物理教學(xué)中世界觀的培養(yǎng)

在近代物理的教學(xué)中，以“原子結(jié)構(gòu)”的發(fā)現(xiàn)過程為例說明科學(xué)發(fā)展是一個“排錯”過程。人類對事物的認(rèn)識過程也是一個“排錯”過程，在教學(xué)中讓學(xué)生領(lǐng)悟到這一科學(xué)信念的重要性，對培養(yǎng)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)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(rèn)為原子不可分，如今發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)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(fù)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(xué)生盧瑟福（ERutherford）為了驗證導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhì)量大的帶正電的原子核，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，好像行星繞著太陽運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時產(chǎn)生輻射，能量會隨之減少，造成電子旋轉(zhuǎn)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(xué)家（MPlanck）普朗克提出了能量量子化假設(shè)，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(xué)家的信念中。實驗方面，當(dāng)時積累了大量的原子光譜實驗數(shù)據(jù)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子的特征光譜中包含了有關(guān)原子結(jié)構(gòu)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(xué)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(chǔ)上，玻爾提出3條假設(shè)：（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(zhuǎn)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(rèn)為，電子繞核旋轉(zhuǎn)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(nèi)部運動的客觀規(guī)律。但是，由于仍然應(yīng)用了經(jīng)典力學(xué)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(shè)，實驗也證明微觀粒子具有波動性，才使科學(xué)界對原子、電子甚至光子等微觀粒子的本質(zhì)有了進一步認(rèn)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(xué)家們就是這樣，通過假設(shè)-否定-再假設(shè)-實驗-計算-肯定的不斷“排錯”過程，一步步揭開了原子結(jié)構(gòu)的神秘面紗，向世人呈現(xiàn)真實的原子內(nèi)部世界。通過以上部分內(nèi)容的教學(xué)，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)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(xué)發(fā)展史上總是可以看到，人們對世界的認(rèn)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(xué)家，也許比一個曾經(jīng)正確但是不接受任何批評的所謂權(quán)威，更能促進科學(xué)的發(fā)展。本文列舉了經(jīng)典物理學(xué)和近代物理學(xué)教學(xué)中的兩個例子，說明我們在大學(xué)物理學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)信念、科學(xué)世界觀和積極人生觀的教學(xué)嘗試。在教學(xué)中通過科學(xué)家事跡、物理學(xué)發(fā)展歷程的穿插教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生客觀積極的情緒體驗，把科學(xué)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(xué)效果。大學(xué)物理教學(xué)在培養(yǎng)“德、智、體、美”全面發(fā)展的高素質(zhì)人才方面起著舉足輕重的作用。

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作者：朱世秋 賈貴儒 劉玉穎 單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)