由迈尔的科学蒙难谈热力学第一定律教学中的潜科学分析

2022-09-11

在物理学发展史上, 热力学第一定律的建立过程是异常艰辛的, 其中蕴涵着丰富的潜科学形态, 如果在教学中把潜科学分析的思想充分展开, 不仅能够使学生更好地理解和掌握知识, 而且能促进学生思维能力的提高, 还可以使学生了解理论发展的曲折经历, 培养学生百折不挠的科学精神。

1 潜科学与潜科学分析

潜科学即指潜在形态的科学, 它有两个方面的含义, 一是从科学认识过程来看, 它指的是孕育过程中的科学;二是从科学发展的曲折性来看, 它指的是处于待显阶段的科学[1], 即理论虽然已经显现、但还没有被学界认同的科学。物理中的潜科学形态有很多, 例如科学幻想、科学蒙难、科学争论等。在教学过程中分析潜藏在一些错误理论中的科学问题逐渐显露的发展历程、分析科学猜测逐渐成熟, 逐渐接近科学真理的经过、分析科学蒙难过程中物理学家经历的艰辛历程等都可以作为潜科学分析的内容。

2 迈尔的科学蒙难在热力学第一定律教学中的潜科学分析

科学蒙难是指在科学发展的进程中, 由于习惯势力的阻挠、反动阶级的扼杀、管理政策、法规与方法的不当、错误哲学思想的诋毁、嫉妒行为的干扰、自卑感的否定、胆怯的排斥、人为自然因素的影响等等, 使某些科学成果在发现或公认的时间上被延迟, 在传播空间上受到限制, 以及使发现者遭遇不幸等现象[2]。科学蒙难是科学发展领域中普遍存在的一种现象。

热力学第一定律是19世纪自然科学的一块重要理论基石。热力学第一定律的孕育也历经曲折, 本文以潜科学分析的方法来讨论德国物理学家迈尔在发现该定律过程中的艰难历程及使用的科学方法。

1840年迈尔随船驶经热带海域时, 发现船员的静脉血颜色像动脉血那样新鲜[3]。这一奇怪的现象引起了迈尔的深思。迈尔认为血液之所以呈现鲜红色, 一定是因为其中含有较多的氧气, 氧在人体内燃烧生成热, 维持人的体温, 而热带气候炎热, 人的体温并不用那么多氧气去维持, 所以静脉管里的血液是鲜红的。问题虽然解决了, 可是迈尔又想人身上的热究竟由什么转化来的?是心脏的跳动转化的吗?他计算了一下, 心脏运动所做的功生成的热根本不可能维持全身的体温。既然不是心脏那就是靠全身的血肉来维持, 而这血肉之躯是靠获得食物而维系的, 食物又是直接或间接地沐浴太阳光热的恩泽而生长成。那太阳的光热又是从何而来呢?太阳可能是一块燃烧的大煤……迈尔就是这样不断地联想, 各种能的形式在他的脑海里不断置换, 越想越多, 越想越宽[4]。迈尔经过了深刻的思考之后, 提出了关于各种形式能量的转化和守恒思想雏形。他把自己的观点写成了一篇论文, 指出能量在量上是不灭的, 只是形式发生变化。可以由于他的观点过于新颖而且又缺乏严密的科学论证, 缺少精确的实验证明, 因此, 这篇论文被拒绝发表, 迈尔本人甚至被嘲笑疯子。实际上, 迈尔的思想正是在观察和实验的基础上提出来的, 学界的冷漠, 预示着迈尔必然要蒙受灾难。

迈尔在初次受挫之后, 并不气馁。为了让别人接受自己的理论, 必须要确定热和运动之间的定量关系, 于是他用一匹马拉着搅拌棒转圈儿来搅拌大锅里的纸浆, 只要测出纸浆的温度升高了多少, 就可以得出马做一定量的机械功所产生的热是多少, 虽然他的实验很不精确, 但这也是迈尔为自己的理论积极寻求佐证的一个努力。1848年迈尔又发表了一篇关于守恒问题的论文, 把能量守恒和转换的思想扩大到电学、磁学和化学等现象, 从而上升为普遍规律。迈尔逐渐接近真理, 可是他的景遇并没有好转, 论文不但未受到重视, 反而受到了更多的讥讽, 他被斥为“肤浅的局外人”, “不负责任的人”, 甚至被家人认为精神有问题。学术界对迈尔的打击使迈尔的精神受到严重刺激, 他的科学成就长期得不到社会的承认, 加之他的三个孩子相继夭亡, 这些挫折逼得迈尔跳楼自杀, 幸未致死, 但却成了一个跛子。1851年秋, 迈尔因精神错乱被关在精神病院中, 与世隔绝, 甚至被人误称因病早亡。七八年之后, 迈尔逐渐恢复了健康, 直到1862年才又恢复了科学活动。可见一种新的科学理论的建立该有多么艰难!

通过对迈尔经历的分析, 我们可将迈尔遭遇蒙难归结为以下几个原因: (1) 认识上的局限性。新发现本身在开始阶段是不完善的, 这种不完美成为被反对者攻击的目标; (2) 科学界对新思想的抵触。传统观念的束缚是阻碍科学发展的重要原因之一, 新的科学思想往往要受到旧观念的束缚, 必然造成科学发现在公认时间上被延迟, 在传播空间上受限制; (3) 对个人的偏见。迈尔是“半路出家”的医生, 由于别人的偏见而埋没了他的重要发现。

迈尔在发现真理的过程中, 利用细心的观察和认真的思考, 出色运用联想的方法提出了能量转化和守恒的思想。联想方法在推理、创造中起着重要的作用, 通过联想, 可以把客观事物中那些接近的、相似的、对立的, 或者有一定因果关系的事物建立联系, 从而沟通知识之间的逻辑关系, 促进知识之间、方法之间的迁移和同化, 有利于认识新事物、产生新的设想。在教学中, 教师只要花费很少的时间就可以让学生了解这位科学家是如何思考的, 是运用什么方法思考的, 这样简单的几句陈述, 就可以避免使学生产生物理知识是“空降”的感觉, 帮助学生顺利建构自己的知识体系。

3 结语

科学发现由“潜”到“显”的过程是异常艰苦的, 通过对蒙难过程中的潜科学因素的分析, 不仅给学生提供了学习前辈物理学家科学研究思想、方法的一条有效途径[5], 还可以使学生充分了解物理规律是经过怎样的思维过程逐渐建立和发展起来的, 更能让学生充分体会到科学发展的道路不是一帆风顺的, 要有充分的精神准备承受可能出现的打击, 在遭受逆境的时候, 百折不挠的精神是科学工作者不可缺少的, 因此, 在以后的学习过程中既要加强学术修养, 又要加强意志力和思想品质方面的修养, 这对学生的成长是大有裨益的。

摘要：为讨论潜科学分析教学思想与大学物理教学的结合, 以科学家迈尔的蒙难为例, 对热力学第一定律教学进行潜科学分析, 阐述了迈尔在发现热力学第一定律过程中的蒙难及其使用的研究方法, 为利用潜科学分析思想进行大学物理教学的可行性提供了论证。

关键词：潜科学,热力学第一定律,物理教学,科学蒙难