朱世秋 賈貴儒 劉玉穎

摘? 要：新時(shí)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)強(qiáng)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(shì)。文章以物理學(xué)家們對(duì)太陽(yáng)系和原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)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(shí)說明科學(xué)的發(fā)展是不斷否定再肯定的辯證過程，鼓勵(lì)學(xué)生在探索真理的過程中不怕“犯錯(cuò)”，在不斷糾錯(cuò)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

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）24-0082-03

Abstract： The fundamental task of undergraduate education in the new era is to "establish virtue and cultivate character". Under the guidance of the education philosophy of taking moral education as priority， China Agricultural University emphasizes the importance of professional courses teaching in cultivating students' ideological and political qualities. Physics， as the foundation of natural science， studies the structures and properties of matters as well as how they interact with each other. The teaching of college physics has its disciplinary advantages in establishing virtue and cultivating character. This paper takes physicists' investigation of the solar system and atomic structure as examples， demonstrating the irreplaceable importance of physics in establishing faith in science and scientific worldviews， at the meantime revealing that scientific development is a critical process consisting of constant refutations and confirmations. Thus， we encourage students to not be afraid of making mistakes in pursuing the truth， and to find truth and establish scientific worldviews and positive attitudes towards life in the process of self-corrections.

Keywords： teaching of college physics; cultivating qualities by courses; worldviews; scientific belief

物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展歷程決定了物理學(xué)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)信念、幫助學(xué)生樹立科學(xué)世界觀中具有獨(dú)一無二的重要作用。我們把“德育為先”的教學(xué)理念滲透到大學(xué)物理學(xué)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，進(jìn)行了“大學(xué)物理學(xué)”課程育人教學(xué)模式的改革和實(shí)踐，包括突出文化特色和人文情懷的教學(xué)模式[1]，突出學(xué)科交叉、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的教學(xué)模式[2]等，在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、啟發(fā)人文情懷、培養(yǎng)科學(xué)思維等方面，取得了較好的教學(xué)效果，被學(xué)校作為“課程育人”先進(jìn)事例在全校宣傳推廣。同時(shí)，我們積極進(jìn)行了物理學(xué)“課程育人”培養(yǎng)科學(xué)世界觀和積極人生觀的教學(xué)嘗試。在教學(xué)中，按物理學(xué)發(fā)展時(shí)間軸，學(xué)習(xí)物理學(xué)家們探索真理過程中鍥而不舍的信念和積極求索、永不放棄的樂觀精神，新理論的發(fā)現(xiàn)和新試驗(yàn)的成功，以及對(duì)人類科技進(jìn)步和文明的貢獻(xiàn)，帶給科學(xué)家的喜悅和人類社會(huì)的貢獻(xiàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生積極樂觀的情緒體驗(yàn)，塑造學(xué)生的積極人格，對(duì)提高思政教育工作的實(shí)效具有重大意義。[3]

我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容把物理學(xué)家們尋找真理的事跡有序穿插于教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生求知欲，幫助學(xué)生建立堅(jiān)定樂觀的求學(xué)信念、樹立科學(xué)世界觀。

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(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)新成就，除對(duì)人類社會(huì)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(duì)社會(huì)和自我的認(rèn)知得到提升。隨著對(duì)自然認(rèn)識(shí)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(duì)空間與時(shí)間、存在與意識(shí)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(duì)自然的認(rèn)識(shí)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(duì)整個(gè)世界以及人與世界關(guān)系的總的看法和根本觀點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)即是從根本上去理解世界的本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)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(duì)象是“人”，不是“書”，教育的首要任務(wù)是“育人”。物理學(xué)對(duì)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(huì)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?cè)谘芯窟^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(jiān)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(duì)自然世界的認(rèn)知力，才能建立起對(duì)人生、對(duì)社會(huì)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(gè)世界的方式，而引領(lǐng)人類不斷求索的動(dòng)力都是強(qiáng)烈的求知欲。這種強(qiáng)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(duì)太陽(yáng)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(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律。我們?cè)诮虒W(xué)中按經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展時(shí)間線穿插講授物理學(xué)家們探索天體運(yùn)行的過程，從“地球不動(dòng)且是宇宙的中心”到“地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)”的轉(zhuǎn)變，顛覆了人們對(duì)世界的看法，導(dǎo)致從亞里士多德時(shí)期到牛頓時(shí)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(shí)驗(yàn)，推動(dòng)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(yáng)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(yùn)動(dòng)，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(dòng)且是宇宙的中心，而他的信念體系正是形成同時(shí)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(yuǎn)鏡，遙遠(yuǎn)的“天體”變得可以觀測(cè)。通過觀測(cè)得到的實(shí)證數(shù)據(jù)表明地球和其它行星都是圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的。哥白尼發(fā)現(xiàn)，需要作出以太陽(yáng)為中心的假設(shè)，行星軌道周期的計(jì)算才合理且準(zhǔn)確。但是，此觀點(diǎn)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(zhēng)議，他在《天體運(yùn)行論》中，第一次提出了地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的日心說，否定了當(dāng)時(shí)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(yùn)動(dòng)。而另一科學(xué)家開普勒對(duì)探索宇宙的藍(lán)圖充滿激情，為回答他自己的“為什么上帝這樣隔開各個(gè)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(yùn)動(dòng)，而不是在完美的圓周軌道上勻速運(yùn)行。最后，牛頓以行星運(yùn)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(dòng)且是宇宙的中心”的信念體系瓦解，以牛頓運(yùn)動(dòng)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(duì)論時(shí)空觀，并不是否定牛頓力學(xué)建立的時(shí)空觀， 而是對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀在高速下的修正和補(bǔ)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(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起加以思考，并得出了整個(gè)宇宙中物體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一理論，牛頓運(yùn)動(dòng)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(gè)全新秩序。一場(chǎng)由哥白尼、伽利略、開普勒和牛頓發(fā)動(dòng)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(shí)實(shí)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(shí)代的偉大科學(xué)家，在他之前，人類對(duì)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(duì)薄弱，整個(gè)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(shí)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(cuò)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(duì)數(shù)學(xué)的認(rèn)識(shí)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(shí)刻的完整描述，那么在牛頓運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(shí)代的來臨。

牛頓向人們證明：萬物是運(yùn)動(dòng)的，這些運(yùn)動(dòng)遵循著特定的規(guī)律，而萬物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律又是可以被人們認(rèn)識(shí)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(duì)自然的認(rèn)識(shí)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(duì)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(huì)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(shí)，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(shí)后，人類本身向上的力量就會(huì)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(gè)“排錯(cuò)”過程。人類對(duì)事物的認(rèn)識(shí)過程也是一個(gè)“排錯(cuò)”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(duì)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（J J Thomson）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(cè)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(gè)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(gè)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（E Rutherford）為了驗(yàn)證導(dǎo)師的模型做了散射實(shí)驗(yàn)，用α粒子去打擊原子。盧瑟福按湯姆遜模型計(jì)算表明，如果用帶正電的α粒子打進(jìn)原子，會(huì)有一個(gè)不大的偏轉(zhuǎn)角。可實(shí)驗(yàn)中α粒子打到原子后卻是四面八方的散射，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(shí)驗(yàn)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(gè)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(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。這個(gè)模型能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但在解釋周期律和光譜線時(shí)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(shí)產(chǎn)生輻射，能量會(huì)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(guó)物理學(xué)家（M Planck）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(shí)驗(yàn)規(guī)律，量子化概念開始進(jìn)入近代物理學(xué)家的信念中。實(shí)驗(yàn)方面，當(dāng)時(shí)積累了大量的原子光譜實(shí)驗(yàn)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（N Bohr）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(yùn)動(dòng)時(shí)，只有電子的角動(dòng)量L等于h/2？仔的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的。即L=nh/2？仔。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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)能量En的定態(tài)躍遷到能量Ek的另一個(gè)定態(tài)時(shí)，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(dòng)量只能取一系列不連續(xù)的值，即軌道量子化。原子從能級(jí)En躍遷到能級(jí)Ek時(shí)，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（A Sommerfeld）對(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)也證明微觀粒子具有波動(dòng)性，才使科學(xué)界對(duì)原子、電子甚至光子等微觀粒子的本質(zhì)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。電子的波動(dòng)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(shí)驗(yàn)-計(jì)算-肯定的不斷“排錯(cuò)”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(shí)的原子內(nèi)部世界。

通過以上部分內(nèi)容的教學(xué)，鼓勵(lì)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(cuò)誤而不敢創(chuàng)新，不要因?yàn)闀簳r(shí)的失敗而放棄。在科學(xué)發(fā)展史上總是可以看到，人們對(duì)世界的認(rèn)知難免會(huì)有錯(cuò)誤，這并不可怕。一個(gè)經(jīng)常犯錯(cuò)但允許別人修正自己錯(cuò)誤的科學(xué)家，也許比一個(gè)曾經(jīng)正確但是不接受任何批評(píng)的所謂權(quán)威，更能促進(jìn)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(gè)例子，說明我們?cè)诖髮W(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(yàn)，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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