1. 引言
“了解一门科学的历史，是理解这门科学的关键”，物理学史作为物理学科演化的“元研究”，记录了物理概念的形成、理论的突破与实验方法的革新[1]。在大学物理教学中，培养学生的物理核心素养：包括物理观念、科学思维、科学探究与科学态度与责任等，已成为课程核心目标[2] [3]。
当前物理学史融入大学物理教学的研究虽取得一定进展，但仍存在明显不足：一是融入方式零散，多为课堂“碎片化”举例，缺乏系统性设计；二是实践反馈缺失，案例设计与学生认知规律适配度低；三是教学模式模糊，未形成可复制的理论框架，且物理学史资源库建设与实操路径仍待完善。基于此，本文结合大学物理教学需求，提出落实物理学史教育价值的实施路径，探索其在核心素养培养中的应用，让物理学史真正成为提升教学质量的助力[4] [5]。
2. 物理学史的育人价值
长期以来，大学物理教学长期侧重公式推导与解题训练，忽视物理学史的教育价值；而且部分学校的师资力量缺乏物理学史与教学融合的能力，缺少成熟的教学模式[6]。物理学史是物理学发展的“活档案”，包含重要科学家的事迹、标志性实验、理论突破及背后的社会背景，聚焦物理学科特有的思维方式与研究方法。本文所指的物理学史，是符合大学物理课程标准，可融入教学的内容，包括经典物理与现代物理的重要进展、概念理论的演化过程，以及科学家的研究历程。目前物理学史的育人价值已被学界认可，它能打破公式化教学的枯燥，激发学生学习兴趣；帮助学生理解物理概念的“来龙去脉”，避免机械记忆；通过科学家的研究案例，培养学生的科学思维与探究能力；借助中外科学家的事迹，塑造学生的科学态度与家国情怀[7] [8]。
3. 物理学史融入大学物理教学的实施路径
物理学史融入大学物理教学的实施路径分为以下四个部分：补充物理学史素材，激发学生学习兴趣、呈现知识发展过程，优化课堂知识结构、渗透学科思想方法，培养核心素养、讲述科学家事迹，树立科学精神。
3.1. 补充物理学史素材，激发学生学习兴趣
3.1.1. 讲述科学故事，唤醒求知欲
物理学发展中涌现出大量兼具趣味性与思想性的故事。教师可梳理关键事件(如牛顿发现万有引力)、理论突破(如相对论的诞生)与科学家经历(如居里夫人提炼镭的过程)，构建“问题–探索–发现”的故事链条，而非单纯罗列史实。例如：在讲解“电磁感应”时，可讲述法拉第“十年磨一剑”的探索：从奥斯特发现“电生磁”后，他坚持十年实验，最终在1831年通过“磁通量变化”实现“磁生电”，让学生感受科学研究的坚持与突破，激发求知欲。
3.1.2. 创设历史情境，提升参与度
基于物理学史创设教学情境，能让学生从“旁观者”变为“参与者”。教师可还原经典实验场景、学术争论或理论困境，设定挑战性任务，引导学生模拟科学家的研究过程。例如讲授“黑体辐射”时，可创设“19世纪末物理学危机”情境，呈现当时经典物理无法解释“紫外灾难”的困境，提供普朗克、瑞利等科学家科研经历，让学生分小组进行讨论分析探讨、提出假说，再对比普朗克提出“能量量子化”的过程。通过角色扮演、小组辩论等活动，提升学生的课堂参与度与主动思考能力。
3.2. 呈现知识发展过程，优化课堂知识结构
3.2.1. 阐明知识背景，深化概念理解
传统的大学物理教学多直接呈现公式与结论，学生难以理解概念的本质。融入物理学史时，教师需梳理概念的起源背景：包括最初要解决的问题、依托的实验技术，以及与其他学科的关联。例如在讲解“牛顿力学”时，可追溯其历史脉络：从伽利略的“理想斜面实验”推翻“力是维持运动的原因”，到开普勒行星运动定律为万有引力提供数据支撑，再到牛顿整合前人成果提出了三大定律与万有引力定律。通过呈现概念的“演化逻辑”，帮助学生构建结构化认知，避免机械记忆公式。
3.2.2. 展示历史观点，理解科学进程
“教育重演论”指出，学生的学习过程是人类认知发展的“重演”[9] [10]。呈现物理学史中的不同观点，能够帮助学生预判认知冲突，理解科学的动态发展。教师可通过梳理核心领域的学术分歧，构建“观点时间轴”，展示观点的继承与革新。例如：讲解“光的本性”时，可呈现从牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”之争，到麦克斯韦提出“电磁说”，再到爱因斯坦通过“光电效应”提出“光子说”的过程，让学生明白“光的波粒二象性”是一个不断修正的结果，培养其历史观与科学思维。
3.3. 渗透学科思想方法，培养核心素养
3.3.1. 提炼科学方法，塑造物理思维
物理学史是科学方法的“宝库”，教师可从科学家的研究中提炼方法，引导学生掌握物理思维。例如讲解“狭义相对论”时，可分析爱因斯坦的思维路径：从“光速不变”与“伽利略相对性原理”的矛盾出发，通过“思想实验”(如“火车实验”和“电梯实验”)突破经典物理的框架，最终提出了相对论。通过拆解这一过程，让学生理解“矛盾分析”、“思想实验”等方法，培养其抽象思维与逻辑推理能力。
3.3.2. 结合研究案例，提升探究能力
物理学史中的经典实验案例，是培养学生科学探究能力的优质素材。教师可选取经典实验(如密立根油滴实验)，引导学生还原实验设计、分析误差、推导结论。例如讲解“电子电荷量测量”时，可呈现密立根的实验过程：从最初的“云雾室法”到改进后的“油滴法”，分析他是如何通过控制变量、反复验证，最终确定电子电荷量的数值。让学生分组模拟实验设计，提升其动手能力与科学探究素养。
3.4. 讲述科学家事迹，树立科学精神
3.4.1. 依托中外事迹，培育家国情怀
中外科学家的爱国事迹与社会责任感，是塑造学生家国情怀的重要载体。教师可介绍我国科学家的贡献：如钱学森放弃国外优渥的条件回国参与“两弹一星”的研究，邓稼先在艰苦环境中研制原子弹；同时也不忽视国外科学家的科学精神。通过对比讲述，让学生理解个人理想与国家发展的关联，激发民族自豪感与爱国热忱。
3.4.2. 剖析研究细节，培养严谨态度
科学研究的严谨性是科学精神的核心。教师可挖掘科学家在实验设计、数据处理、理论构建中的严谨做法。例如讲解“万有引力常量测量”时，介绍卡文迪许的“扭秤实验”：他通过改进装置减少误差，反复测量数十次，最终精确得到G值；同时呈现他对实验数据的严格审核，即使与预期不符也不随意修改。让学生体会到严谨态度对科学研究的重要性，养成细致的学习习惯。
3.4.3. 聚焦真理探索，塑造执着精神
科学家们追求真理的执着，是推动物理学发展的动力。教师可选取科学家突破困境的案例：如霍金在身患渐冻症后仍坚持宇宙学研究。讲解“量子物理”时，可讲述玻尔、海森堡等科学家在“哥本哈根学派”与爱因斯坦的争论中，既坚持己见又尊重对手，通过学术辩论推动理论完善。让学生领悟追求真理需勇气与执着，培养其敢于质疑、勇于创新的精神。
4. 物理学史融入教学案例设计——以“量子物理基础”为例
采用“四维递进式”教学，以“量子物理基础”部分为例，引导学生理解量子物理的发展脉络与核心思想，具体设计如下表1：
Table 1. Illustration of the “four-dimensional progressive” teaching approach
表1. “四维递进式”教学示意
实施步骤 |
教师活动 |
学生活动 |
步骤1：理论溯源–人物与背景导 |
展示普朗克、爱因斯坦、玻尔的生平时间轴；重点标注1900年普朗克提出“能量量子化”、1905年爱因斯坦“光电效应”等节点，结合19世纪末“经典物理危机”(如黑体辐射、光电效应)，分析量子物理诞生的时代背景。 |
标注关键节点，结合社会背景(如工业革命对能源的需求)，讨论“为何量子物理诞生于20世纪初”，思考理论与社会需求的关联。 |
步骤2：实验剖析–经典实验还原 |
呈现黑体辐射实验、光电效应实验的原始数据与装置图，引导学生分析经典物理的矛盾(如“紫外灾难”)，讲解普朗克如何通过“量子假设”拟合实验数据，爱因斯坦如何用“光子说”解释光电效应。 |
分组分析实验数据，尝试用经典物理公式与“量子假设”分别拟合数据，对比差异，理解“量子化”的必要性。 |
步骤3：观点碰撞梳理 |
以“玻尔原子模型”为核心，呈现玻尔如何结合卢瑟福“核式结构”与普朗克量子理论，提出“定态”“跃迁”假说；同时展示爱因斯坦对“量子纠缠”的质疑与玻尔的反驳，构建理论演进时间轴。 |
制作“量子物理观点对比表”，梳理普朗克、爱因斯坦、玻尔的核心观点，分析观点间的继承与批判关系。 |
步骤4：现实应用 |
介绍量子物理的现代应用(如量子计算机、量子通信)，播放我国“九章”量子计算原型机的视频，引导学生讨论量子物理对科技发展的影响；引入学术争议(如量子物理的诠释问题)，鼓励学生提出自己的思考。 |
举办“量子科技与未来生活”主题演讲，结合生活案例(如智能手机中的量子器件、量子计算机)，分析物理学理论与现实应用的关联。 |
以步骤4进行丰富举例而言，比如：在播放“九章”量子计算机视频时，老师可以提出关键问题：“‘九章’为何能实现‘量子计算优越性’？其技术突破对我国量子领域布局有何价值？”可以发现同学们多惊叹于其超快的计算速度，课堂讨论也常围绕“比传统计算机快多少”“能解决哪些实际问题”等展开。针对疑问点，教师需先肯定学生们的兴趣，再用通俗语言解释，同时补充中外研究进展对比。课后教师也要进行相应的教学反思：有哪些成功的地方，比如成功激发了同学们科技自信与探索欲；待改进处是原理讲解较浅，可后续结合简单模拟实验深化理解。
5. 关于物理学史融入教学的思考
5.1. 融入原则
5.1.1. 科学性原则
选取物理学史素材时，需要符合物理学逻辑与认知规律，避免单纯的碎片化堆砌。例如在讲解“相对论”这一知识点时，需从经典物理的局限性出发，逐步地推导出相对论的假设与结论，而非孤立介绍爱因斯坦的事迹。
5.1.2. 真实性原则
要忠实还原历史事实，不夸大或简化其中的关键细节。例如讲述“牛顿与莱布尼茨的微积分之争”时，需客观地呈现两人的研究过程与争议背景，培养学生尊重史实的态度。除了榜样的作用外，也可以适当引入历史争议(如密立根的数据取舍问题)，引导学生辩证地看待科学发展和科学家，培养批判性思维。同时，应明确指出实施这些方法的现实局限性，培养持续改善提高的意识。
5.1.3. 适量性原则
控制素材数量，避免信息过载。每节课物理学史内容占比建议不超过15%，如讲解“电磁学”时，可选取1~2个核心故事(如法拉第、麦克斯韦)，而非覆盖所有科学家。
5.1.4. 启发性原则
通过问题设计引导思辨，如讲解“量子物理”后，提问“‘薛定谔的猫’思想实验如何挑战我们对‘现实’的认知”，推动学生从记忆性学习转向批判性思考。
5.2. 规避误区
5.2.1. 避免“西方中心论”
不能只聚焦西方科学家，需融入中国贡献。例如讲解“圆周率”时，可介绍祖冲之的计算；讲解“核物理”时，加入于敏、邓稼先、钱三强、何泽慧等中国科学家的发现及贡献，构建多元的科学史观。
5.2.2. 防止“理论静态化”
不将物理理论视为“终极结论”。例如讲解“牛顿力学”时，需指出其在高速、微观领域的局限性，说明相对论与量子物理对它的拓展，让学生理解科学的动态发展。
5.2.3. 杜绝“脱离实践”
链接现代科技与生活。例如讲解“热力学第二定律”时，结合“碳中和”目标，分析能源利用的效率问题，让学生体会物理学的“经世致用”价值。
6. 结论
在大学物理教学中融入物理学史，绝非简单穿插趣味“历史花絮”以活跃课堂。其核心价值在于，通过深入挖掘科学家探索过程中的思维脉络与实践细节，帮助学生理解物理学科的本质、掌握科学方法、塑造科学精神，真正理解物理概念的形成逻辑与学科本质。这一融入过程，能让学生直观感受控制变量、理想模型等科学方法的实际应用，进而掌握科学研究的核心范式。同时，科学家面对未知时的质疑精神、坚持真理的执着态度，也能潜移默化地塑造学生的科学精神与责任感。本文提出的四类实施路径，为大学物理的教学提供了可操作的框架，未来还需进一步建设物理学史资源库、研发融合型教案，最终推动大学物理教学从单纯的知识传递，向综合素养培育的深层转型。
基金项目
本文受到安徽省高校科学研究项目(2024AH051739)和淮南师范学院质量工程项目(2024hskc36, 2025hsjyxm15)的资助。
NOTES
*通讯作者。