在高中物理定律教學中有效滲透物理學史教育的研究

顏輝　蘇蕓

摘 要：在現(xiàn)行的高中物理定律教學中，過多地重視定律的識記與應用，而忽視了定律得出的過程和方法。本文將從當前高中物理定律教學的現(xiàn)狀入手，對物理學史教育在高中物理定律教學中的價值和意義進行研析，并結合自己的教學實踐，探討在高中物理定律教學中有效滲透物理學史教育的實施策略，為優(yōu)化高中物理定律教學提供參考價值。

關鍵詞：物理定律教學；有效滲透；物理學史

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）11-0074-3

1 國內(nèi)高中物理定律教學滲透物理學史教育現(xiàn)狀

一堂高三物理復習課上，復習牛頓運動定律的內(nèi)容時，筆者向?qū)W生提出一個問題“根據(jù)牛頓第二定律，如果物體受到的合外力為零，它的加速度即為零，物體將處于平衡狀態(tài)，因此牛頓第一定律僅僅是第二定律的一種特例，是不是就不需要牛頓第一定律了？請說出自己的判斷依據(jù)?！睂W生被這一問題問得一頭霧水，不知如何回答，甚至有些學生還認為這是對的。牛頓第一定律中闡述物體處于平衡狀態(tài)的前提是物體不受任何力的作用，從而揭示力不是維持物體運動的原因，運動是物體的一種屬性即慣性?，F(xiàn)實環(huán)境中無法找到一個不受力的物體，牛頓第一定律是從大量的觀測和實驗事實中抽象和概括出來的，它歷經(jīng)幾代科學家的發(fā)現(xiàn)和探索，因此牛頓第一定律的教學是一堂生動的物理學史的教育課。反思高中物理定律教學的現(xiàn)實狀況，教師和學生在應試為背景的教育中為了追求成績，過分重視定律的識記和解題應用，卻忽視了定律得出的過程和方法，這與《普通高中物理課程標準（實驗）》[1]中 “注重提高全體學生的科學素養(yǎng)”這一課程目標背道而馳。

物理定律是物理學理論的基礎，物理學史詳盡地記錄了每個定律得出的過程和方法，而這些應該是高中物理定律教學的核心內(nèi)容。在平時的教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)多個版本的高中物理教科書中與物理定律相關的物理學史資源較為有限，甚至有些物理學史的論述不夠全面、客觀。還有許多教師把物理學史教育視為一種負擔，一味地照本宣科，而沒有運用正確的方法去滲透物理學史教育，這樣會使物理學史教育對學生核心素養(yǎng)的提升作用大打折扣。筆者結合物理定律的教學實踐，著重探討如何有效滲透物理學史教育，從而有針對性地改進和解決存在的問題。

2 物理學史教育在高中物理定律教學中的價值和意義

2.1 有助于物理課程三維目標的達成

高中物理課程的三維培養(yǎng)目標在重知識技能的基礎上，更應注重思想與方法、態(tài)度與價值觀的培養(yǎng)。物理學史由于它所具有的豐富內(nèi)容和獨特視角，為提升學生的科學素養(yǎng)、促進三維課程目標的達成提供了重要的素材[2]。如英國物理學家法拉第十年磨一劍，雖歷經(jīng)無數(shù)次失敗，但他并沒有失去探索真理的信念。他不斷地總結和反思實驗失敗的原因，改進實驗方案，最終總結出運動和變化是產(chǎn)生“磁生電”效應的條件。教師不必空洞地說教，可以讓學生親自體驗法拉第的實驗過程，在實驗中掌握技能和方法，同時通過物理學史的滲透讓學生體會到科學研究的過程需要實事求是的科學態(tài)度和堅持不懈的毅力。

2.2 提高學生的科學思辨能力和對科學本質(zhì)的認識

思辨能力是包含質(zhì)疑的態(tài)度、邏輯推理知識以及分析、綜合和評價的認知技能[3]。每一個物理定律背后，都蘊含著人類科學研究的思辨過程和對科學本質(zhì)的探索、認識過程。比如，電荷間相互作用的探索中，卡文迪許很早就做了同心球電荷分布實驗，但是他并沒有將自己的觀點著作發(fā)布出去，經(jīng)輾轉(zhuǎn)他的手稿到了麥克斯韋手中，麥克斯韋帶著質(zhì)疑的態(tài)度進行了重復試驗，并將其整理出版才讓大家知曉。最后，這個科學問題由法國學者庫侖解決了。一個物理定律的最終得出歷經(jīng)不同科學家們的質(zhì)疑和檢驗，不同的人用不同的方法得到的驗證效果也不同，通過不斷的思辨一點點地接近科學真理。這些鮮活的科學史的滲透能夠增強學生的科學思辨能力和對科學本質(zhì)的認識。

2.3 激活學生學習物理的潛在動能和創(chuàng)造力

物理定律如果只作為結論生硬地灌輸給學生，給學生的感覺是物理都是一些毫無趣味的條條框框，然而物理定律的得出是一種接力棒式的科學傳承，是幾代科學家們在其特定的社會歷史條件下努力探索的結晶。物理定律背后的科學史蘊藏著社會、人文和科技探索等豐富內(nèi)容，這些內(nèi)容恰恰是學生很感興趣的，物理課堂因此變得生動有趣，學生由被動地接受知識變?yōu)橹鲃拥貙W習知識，學生身上潛在的學習動能被激活，從而最大限度地提升他們發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

3 在高中物理定律教學中有效滲透物理學史教育的實施策略

3.1 辯證推演物理學史，領略物理定律的思辨過程

物理定律的得出過程不是一帆風順的，要經(jīng)歷無數(shù)的失敗，而失敗是成功之母，在失敗中反思，在反思中進步，在不斷的否定和自我否定中最終得到真知。教師應該辯證地看待物理學史的內(nèi)容，在高中物理定律教學中滲透物理學史教育采取一言堂、非黑即白或是以偏概全的態(tài)度都是不可取的，應該采用辯證推演的方法。

例如，在介紹牛頓第一定律的得出過程時，對待亞里士多德的錯誤觀點不能全盤否定，應該辯證、客觀地看待。正因為2000多年前亞里士多德提出了運動和力的問題，從而啟發(fā)后人對這一問題進一步的探索。教師在演示完理想斜面實驗后可以辯證地啟發(fā)和設問： “伽利略的斜面實驗并沒有找到完全沒有摩擦的環(huán)境，然而他設計的實驗為什么可以說明沒有摩擦的情況下物體將會怎樣運動呢？”啟發(fā)學生自己總結出理想實驗是根據(jù)可靠的實驗事實，再經(jīng)過理想化的處理，從而發(fā)揮人們理性思維的力量，這樣可以大大超越科技水平的限制最終得出結論。法國學者笛卡爾也進行了大量的實驗，補充和完善了伽利略的觀點。又隔了一代人，英國科學家牛頓誕生，他在前人研究的基礎上對于物體運動的原因，以及運動與力的關系進行了創(chuàng)造性的概括和詮釋，他建立了很多全新的物理概念。教師通過辯證推演的方法引導學生對比這幾位科學家的觀點的不同之處，通過對比讓學生體驗物理定律得出的科學探究過程是一個不斷思辨和進步的過程，從而讓學生真正理解物理定律的內(nèi)涵，而不是記住了定律的形式。endprint

3.2 滲透中增強渲染，體驗物理定律背后的科學方法和本質(zhì)

高中物理定律的教學不應該僅僅只有定律本身，而要讓學生理解和掌握物理定律背后所蘊藏的科學方法和本質(zhì)。教師在滲透物理學史教育時應該增強渲染，渲染是建立在教師對教學內(nèi)容進行深入剖析的基礎上，并對其進行深加工后再呈現(xiàn)給學生。教師可以通過故事、實驗、演繹、情感、啟發(fā)、討論和多媒體技術等多種手段進行渲染，讓學生對物理定律背后的科學方法和本質(zhì)有真正的體會和認識，從而有效提升學生的科學素養(yǎng)。

例如，在“太陽與行星間的引力”教學中，學生通過前面的學習已經(jīng)知道了哥白尼的日心說和開普勒行星運動定律，行星運動定律對于學生來說是很抽象的概念，教師可以將太陽系中的行星運動用多媒體動畫的方式直觀地呈現(xiàn)給學生，從而讓學生對抽象的定律有形象的認識。牛頓坐在蘋果樹下被下落的蘋果砸到的故事學生都很熟悉，教師可以演繹當時的場景來活躍課堂氣氛，接著啟發(fā)式地設問：“究竟是什么神奇的力量讓行星繞著太陽轉(zhuǎn)，讓蘋果落到地上呢？他們受到的力是一樣的嗎？”各種渲染手段的應用激發(fā)了學生利用所學的知識去推演萬有引力定律的興趣和動力，推演的過程讓學生對運動與力、作用力與反作用力、向心加速度和開普勒行星運動定律等知識的理解更近了一步，與灌輸式和填鴨式的定律教學相比大大提高了學生學習的主動性，并且提升了他們對知識的獲得感。

3.3 開發(fā)和改進物理學史實驗資源，還原探究物理定律的過程和方法

物理是一門基于觀察和實驗的學科，幾乎每個物理概念和物理定律的發(fā)現(xiàn)都離不開實驗。在物理學史中有大量的實驗資源，教師可以嘗試對教材中已有的物理學史實驗資源進行改進，并主動開發(fā)教材外的物理學史實驗資源，如實驗儀器、實驗教具或?qū)嶒灧桨傅?，補充和完善高中物理學史實驗資源庫，并在教學中大膽地應用實驗探究的方法得出物理定律。通過經(jīng)典實驗的再現(xiàn)和還原，讓學生親歷科學家們的實驗探索過程和思維方法，在實驗過程中他們會遇到科學家們曾經(jīng)遇到過的問題，或是沒有出現(xiàn)過的新問題，教師鼓勵和引導學生自己想辦法去解決問題，這樣可以讓學生真正領會物理定律的科學本質(zhì)和研究方法，同時也能有效提升教師自身的業(yè)務水平和能力。

例如，在教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)，高中實驗室中理想斜面實驗演示儀的教學效果并不理想，學生知其一不知其二，他們并不知曉伽利略理想斜面實驗的設計過程和思路。伽利略先是研究擺的運動，從擺的運動規(guī)律中得到啟發(fā)，他設想如果將拴著擺球的繩子拿掉，讓球在軌道上滾動會有怎樣的效果，接著他想到改變對接軌道的傾斜度來觀察小球的運動情況。為了讓學生更好地體驗伽利略理想實驗的魅力，可以在原有實驗演示儀中融入伽利略擺實驗，這樣可以有效還原伽利略的思考和探索過程，讓學生對伽利略的理想實驗有著更全面、更深刻的認識，從而讓他們領悟到實驗觀察、科學想象和科學推理的魅力所在[4]。

又如，在準備閉合電路歐姆定律這堂課的過程中，通過翻閱物理學史資料，發(fā)現(xiàn)史料中記錄了歐姆發(fā)現(xiàn)歐姆定律的實驗過程。他將銅框的兩端分別插入沸水和冰水混合物中，制成能穩(wěn)定供電的溫差電池，并在沒有檢流計的條件下自制了絲懸磁針電流計，將小磁針懸掛在有電流通過的銅框上方，通過小磁針偏轉(zhuǎn)的角度間接測出電流大小。有了穩(wěn)定的電源和電流計，歐姆用導線連接電源的正負極，觀察并記錄小磁針偏轉(zhuǎn)的角度與導線長度的關系，通過大量的實驗總結出了閉合電路歐姆定律。多版本的高中物理教材中都沒有涉及歐姆發(fā)現(xiàn)閉合電路歐姆定律所做的實驗，教師可以主動開發(fā)課外的物理學史實驗資源，設計一個探究閉合電路歐姆定律的分組實驗。學生通過實驗探究方法的還原與實踐，可以大大提升物理定律的教學效果和學生實驗探究的能力。

3.4 物理學史“微課程”化，優(yōu)化物理定律教學過程

物理定律所蘊藏的物理學史內(nèi)容有些涉及的面很廣，有些較為復雜、抽象，有些史料中涉及的實驗在高中階段無法在課堂上完成，這些都在一定程度上制約了物理學史在教學中的滲透。因此，在現(xiàn)代信息和網(wǎng)絡技術發(fā)展日新月異的今天，研究如何將物理學史“微課程”化，對于優(yōu)化物理定律的教學是很有幫助的。

“微課程”以新型網(wǎng)絡視頻資源為主要載體，有以下幾個方面的優(yōu)點：一是可以做到圖文和聲像同步，形象、生動地模擬物理學史情景，比起教師枯燥的陳述更能激發(fā)學生學習的興趣；二是可以在短時間內(nèi)利用豐富的網(wǎng)絡素材資源，從多種形式、多角度呈現(xiàn)物理學史內(nèi)容，使得物理學史內(nèi)容呈現(xiàn)得更加全面具體；三是可以支持多種學習方式，不受空間和時間的約束，在教師的指導下學生可以反復觀看重難點內(nèi)容，成為課堂教學的有效延伸和補充；四是可以模擬演示一些高中課堂無法完成的物理學史實驗和物理學史情境，使得科學探究的過程和方法直觀地呈現(xiàn)出來。如19世紀末期，“物理兩朵烏云”對近乎完美的經(jīng)典物理理論發(fā)起挑戰(zhàn)。邁克耳孫-莫雷實驗讓“以太”說破滅了，然而卻翻開了相對論理論的新篇章，用經(jīng)典物理學理論解釋黑體輻射以失敗告終，這是經(jīng)典物理學的“災難”，然而它催生了量子理論，至此更多全新的物理定律被科學家發(fā)現(xiàn)。教師講授和學生理解這部分物理學史內(nèi)容是有困難的，它涉及很多抽象難懂的物理概念、思想方法和高中實驗室無法完成的物理實驗，物理學史微課程化可以有效突破這些難點，從而為物理學史的科學思想方法教育提供有效的輔助和支撐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗） [S].北京：人民教育出版社，2003：1-2.

[2]李勇，程力.課程標準高考物理學史考查的理念和方法研究[J].中國考試，2015（3）：15-16.

[3]李靜，楊宏.談非英語專業(yè)大學生思辨能力的培養(yǎng)[J].中國電力教育，2014（32）：54-55.

[4]鄭曼瑤，張軍朋.《牛頓第一定律》教學的創(chuàng)新設計[J].物理教學探討，2014，32（8）：66-68.（欄目編輯 鄧 磊）endprint