談物理學(xué)史在物理教學(xué)中的運用

鄧宗茂

《普通高中物理課程標準》明確指出中學(xué)物理課程總目標是：“學(xué)習科學(xué)探究方法……發(fā)展好奇心與求知欲，發(fā)展科學(xué)探究興趣，有堅持真理、勇于創(chuàng)新、實事求是的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，有振興中華，將科學(xué)服務(wù)于人類的社會責任感?！毕旅娼Y(jié)合本人多年教學(xué)實踐談?wù)勅绾谓Y(jié)合物理學(xué)發(fā)展史來實現(xiàn)以上物理課程目標，發(fā)揮物理課程在情感、態(tài)度和價值觀等方面的教育功能。

一、運用物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習興趣

愛因斯坦說：“熱愛是最好的老師?！痹S多物理學(xué)家之所以取得成就。是由于他們具有強烈的求知欲和濃厚的學(xué)習興趣。興趣是靠引導(dǎo)而逐漸形成的。在物理教學(xué)中，我講了一些物理學(xué)史的故事。例如，在講單擺知識時，介紹伽利略觀察教堂吊燈的晃動而發(fā)現(xiàn)了擺動的等時性，從而發(fā)明了擺鐘；在講光的色散知識時，演示了牛頓關(guān)于光的色散的實驗，當學(xué)生看到白光變成美麗的彩帶時，都驚訝不已；講浮力，談曹沖稱象和阿基米德稱皇冠的故事；講大氣壓強，講馬德堡半球的故事和為解決礦井抽水問題托里拆利所做的實驗。這樣的史實不僅能使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容印象深刻，同時還會引發(fā)學(xué)習物理知識的興趣。樂于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)原理，樂于參與觀察、實驗、制作、調(diào)查等科學(xué)活動，增強將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于日常生活、社會實踐的意識。

二、運用物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生愛國主義感情

中國是世界文明發(fā)達最早的國家之一，當歐洲處于中世紀黑夜時，在我國是從南北朝到明代，正是封建社會和科學(xué)技術(shù)的繁榮時期。物理學(xué)在中國有悠久的歷史，它在古代的成就曾對世界文化與科學(xué)的發(fā)展有著相當?shù)挠绊憽＠缰v物體重心時，我介紹了距今約六千年前的西安半坡出土的仰韶文化遺物中，以及在黃河兩岸地區(qū)都曾發(fā)現(xiàn)有的“欹器”，“虛則欹，中則正，滿則覆”的描述說明當時人們對物體的重心已有認識并加以應(yīng)用；在講力學(xué)時談到戰(zhàn)國時期(公元前四世紀)的《墨經(jīng)》中對力作出了“刑(形)之所以奮”的定義，對杠桿、輪軸和斜面作了分析，明確指出“衡，……長重者下，短輕者上”，這不僅考慮到力和重物的因素，而且考慮兩端與支點距離的因素，初步討論了物體平衡原理。

戰(zhàn)國時期墨家最偉大的成就在光學(xué)方面?！赌?jīng)》中以八條文字連續(xù)地記述了光學(xué)問題。它們依次序分別為：影子生成的道理；光線與影的關(guān)系；光線直線行進實驗；光反射特性：從物體與光源的相對地位確定影子大小；平面鏡的反射現(xiàn)象；凹面鏡的反射現(xiàn)象；凸面鏡的反射現(xiàn)象。晉代張華曾發(fā)現(xiàn)用梳子梳理頭發(fā)和解脫絲綢毛料衣服時的起電現(xiàn)象，他看到靜電閃光。聽到放電的噼啪聲。明代的都邛曾記述了一種絲綢的摩擦起電實驗：“吳綾出火，吳綾為裳，暗室中力持曳，以手摩之良久，火星直出”這些靜電現(xiàn)象在歐洲直到近代科學(xué)誕生的十七、十八世紀才被發(fā)現(xiàn)。春秋末期成書的《管子·他數(shù)編》，戰(zhàn)國時期的《鬼谷子》，戰(zhàn)國末期的《呂氏春秋》等，都記述到天然磁石及其吸鐵現(xiàn)象，記述了世界上最古老的指南針“司南”。

運用這些史料，教育學(xué)生增強民族自信心、自豪感和愛國熱情。

此外我還講述改革開放以來我國物理學(xué)的成就。如講到萬有引力與人造地球衛(wèi)星時結(jié)合“神舟五號”、“神舟六號”載人航天事業(yè)的巨大發(fā)展，指出我國已經(jīng)成為世界上第三個具備載人航天技術(shù)的航天大國。激勵學(xué)生學(xué)好物理知識，為祖國建設(shè)作貢獻。

三、運用物理學(xué)史，進行科學(xué)思想與方法教育

物理教學(xué)的任務(wù)之一是傳授前人已經(jīng)獲得的理論知識。反映在現(xiàn)在教科書中的物理學(xué)理論，都是人們根據(jù)教學(xué)的需要經(jīng)過多次編輯整理，形成的嚴密理論邏輯體系。教師在講授時，也往往只注意理論本身的邏輯結(jié)構(gòu)，習慣于從少數(shù)幾個基本假設(shè)或定律出發(fā)運用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出結(jié)論，這就掩蓋了科學(xué)認識由感性到理性。由現(xiàn)象到本質(zhì)，由個別聯(lián)系到普通聯(lián)系的具體發(fā)展過程。這樣會使學(xué)生對這些知識的來源，理論體系的形成，感到深奧莫測，認為各個物理學(xué)概念，原理和定律的獲得都是一蹴而就的，只是歷史上那些智慧超人的科學(xué)偉人的“靈感”的創(chuàng)造，是歷史的巧合和偶然，是常人所不能及的。這樣的教學(xué)結(jié)果在學(xué)生身上就表現(xiàn)為長于演繹推理而短于歸納推理。對于以一般性結(jié)論為大前提、題設(shè)條件為小前提得出特殊情況下的結(jié)論的推理形式，學(xué)生有清晰的思路，但在歸納推理方面能力卻比較差。例如當問到。在力的分解中有哪幾種情況可以得出確定的解?在滿足什么條件時帶電粒子才是沿電場線運動的?面對這一類需要將若干情況和條件進行歸納對比，從而得出一般性結(jié)論的問題時，就連解題能力較強的學(xué)生也感到無從下手。

面對這一局面我在物理教學(xué)中力圖運用物理學(xué)史實來使學(xué)生明白：任何一點物理知識的獲得，都是一個動態(tài)的歷史的過程，都有一個從感性到理性，從低級到高級，從片面到全面的發(fā)展和演變過程，都是科學(xué)思想與方法的巧妙結(jié)合過程。就以萬有引力的發(fā)現(xiàn)為例。早在17世紀初，吉爾伯特、開普勒、伽利略等人都提出過天體間存在著引力的思想。1645年，法國天文學(xué)家布里阿爾德奧已提出了太陽對行星的引力和二者距離的平方成反比的假說。在牛頓正式提出萬有引力定律之前，1616年英國皇家學(xué)會已成立了一個專門委員會研究重力問題。羅伯特·胡克，克里斯托夫·雷恩和愛德索·哈雷等人在引力問題研究上都做出了重大貢獻。胡克已覺察到引力和地球上物體的重力有相同的本質(zhì)；哈雷和雷恩也在1679年按照圓軌跡由開普勒第三定律和惠更斯的向心力公式證明作用于行星的引力與它們到太陽的距離平方成反比。牛頓是在研究和概括前人的成果，并在數(shù)學(xué)上對月球與地球間的引力與運動規(guī)律做了大量的檢驗工作之后。于1685年得到萬有引力定律的表達式的。所以，這個定律決不是像某些人說的那們。是牛頓從看到蘋果落地所得到的“頓悟”中突然產(chǎn)生的。這樣學(xué)生才會了解一個理論建立的實驗基礎(chǔ)，了解一種抽象模型所依據(jù)的實際原理，了解一種觀點和物理思想的演變，使學(xué)生在課堂上親身經(jīng)歷一下物理學(xué)基本概念、原理和理論的產(chǎn)生，形成和發(fā)展的過程。這樣有助于消除學(xué)生對已有物理學(xué)知識來源的“偶然性”和“神秘感”，有效地進行科學(xué)思想與方法的教育，同時培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

四、運用物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神

科學(xué)精神是人類科學(xué)文化的重要財富，也是民眾科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。美國面向21世紀人才培養(yǎng)的“2061計劃”在《面向全體美國人的科學(xué)》一書中就將科學(xué)不仰仗權(quán)威作為美國基礎(chǔ)教育中科學(xué)世界觀的構(gòu)成要素：我國正在進行的新一輪高中課程改革也明確將科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神列為科學(xué)教育的重要目標。其目的就是要使科學(xué)教育超越公式與符號，使學(xué)生成為真正具有科學(xué)素養(yǎng)的人?？茖W(xué)精神與科學(xué)知識、科學(xué)方法一樣，是構(gòu)成科學(xué)素養(yǎng)不可缺少的要素；也是當前科學(xué)教育最缺少，而又是人們最需要的素養(yǎng)。

教學(xué)中滲透科學(xué)史的知識，有助于培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的正確認識，有助于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，有助于學(xué)生理性懷疑意識的建立和批判精神形成。

1909年盧瑟福在做a粒子散射實驗時發(fā)現(xiàn)大約有八千分之一的a粒子發(fā)生超過90°的大角度散射。盧瑟福后來提起這件事時說：“這是我一生中最不可思議的事件，這就是您對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反彈回來的炮彈擊中一樣的不可思議?！边@促使盧瑟福去思考他的老師湯姆生原子模型的正確與否這一問題。本來，湯姆生為a散射建立了一個多次碰撞的理論，可以解釋大角度散射。由于a粒子比電子的質(zhì)量大得多。因而兩者多次碰撞幾率趨于零。而實驗結(jié)果卻是八千分之一這是一個極大的矛盾。

一邊是恩師的理論，一邊是千真萬確的實驗結(jié)果，盧瑟福陷入了極其矛盾的境地，經(jīng)過長時間的思考，1910年底，盧瑟福終于做出決斷，放棄湯姆生模型，承認原子有核，從而建立了原子核式結(jié)構(gòu)模型，為原子物理和核物理奠定了最主要的基礎(chǔ)。

批判精神的核心是懷疑精神，表現(xiàn)為不迷信權(quán)威，不迷信書本，堅持真理。哈佛大學(xué)的校訓(xùn)是“以柏拉圖為友，以亞里士多德為友，更要以真理為友”；亞里士多德的名言：“吾愛吾師，吾更愛真理”，都是批判精神的寫照。物理學(xué)的發(fā)展史就是一部反思、懷疑、批判、求真、求美、求新的科學(xué)史。從光的微粒說。波動說到波粒二象性和光子說；從古典力學(xué)到相對論力學(xué)；從熱質(zhì)說，熱力學(xué)到能量說；愛因斯坦與玻爾之間就量子力學(xué)是否完備發(fā)生的長期爭論等，都是讓學(xué)生體悟批判精神的生動素材，對物理學(xué)史的閱讀、聽講、討論本身就是一種培養(yǎng)批判精神的過程。通過對批判精神的培養(yǎng)逐步形成判斷大眾傳媒是否符合科學(xué)規(guī)律的初步意識。

當然，物理課不必堂堂講史。講史必須適逢其時，恰到好處，畫龍點睛，其關(guān)鍵在于講史和講知識、講方法水乳交融。使學(xué)生在學(xué)習物理的同時受到相信科學(xué)、熱愛科學(xué)的教育，使學(xué)生獲得基礎(chǔ)知識與基本技能的過程同時成為形成正確價值觀的過程。在學(xué)習知識的同時潛移默化地受到辯證唯物主義教育，培養(yǎng)了實事求是的科學(xué)態(tài)度與嚴謹?shù)目茖W(xué)作風，以及愛國主義情操。