對在高中物理課堂教學中引入物理學史的幾點認識

李　茂

摘要：物理學史集中體現(xiàn)了人類探索和逐步認識物理世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律和本質(zhì)的歷程。它涉及到認識論和方法論的因素，體現(xiàn)著認識過程中理論與實踐、繼承與突破、理性與非理性的辨證統(tǒng)一，因而，物理學史富含著“教書育人”的教育因素。高中物理新教材在各模塊中多處引入物理學史，教師在教學過程中應(yīng)注重將物理學史有序、有趣、有度地融入課堂教學，使得科學教育和人文教育交融，以此增強課堂教學內(nèi)容的生動性、藝術(shù)性和實效性。

關(guān)鍵詞：物理學史；物理課堂；引入

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2009)4(S)-0007-3

歌德曾說過：“一門科學的歷史,就是這門科學本身?！痹缭?0世紀30年代,著名的物理學家保羅?朗之萬也指出：“在科學教學中，加入歷史的觀點是有百利而無一弊的?！本透咧须A段的物理教學而言，筆者認為更應(yīng)如此。高中階段學習的物理知識更嚴密、更系統(tǒng)，知識面逐漸拓展,這要求學生具有勤學好問、獨立思考、深入鉆研的自覺性。因此，學生需要的不是“滿堂灌”式的講授，更渴望引人入勝的啟迪。

在課堂中系統(tǒng)地引入物理學史教育，將有助于學生順利地完成此階段的學習任務(wù)。因為歷史上物理學家在形成物理概念，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程中所遇到的困難，所產(chǎn)生的種種想法（其中包括很多錯誤想法），所做出的種種判斷（包括一些錯誤判斷）等，學生在學習過程中往往也遇到過、產(chǎn)生過、做出過。當學生了解到物理學家們也有同樣的想法時，會產(chǎn)生共鳴，而且能從他們的想法中得到啟迪。教學實踐也表明，一個初學者通常難以學會的那些部分往往正是科學進展中難于攻克的部分。熟知物理學史的教師，能夠了解學生在學習過程中可能出現(xiàn)的問題和困難，進而將之作為重點和難點，并有針對性地幫助學生克服認識上的困難，排除誤解和疑問，從而使學生正確地理解和掌握物理知識。如何在課堂教學中靈活地引入物理學史，筆者認為應(yīng)該做到有序、有趣、有度。

1 要注重引入物理學史的有序性

引入物理學史的有序性主要體現(xiàn)在引入對象和引入行為自身（即物理學史）兩個方面的有序性。

1.1 引入對象的有序性

高中階段沒有專門開設(shè)物理學史課程，大多數(shù)教師引入物理學史是為了學生更易了解和掌握物理知識，視物理學史為一種工具，但筆者認為，物理學史在高中物理教學中，不僅具有工具性，更具目的性。物理新課程各模塊的教科書中，無論是側(cè)重于基礎(chǔ)的必修部分，還是側(cè)重人文的選修1系列，側(cè)重應(yīng)用的選修2系列，或是側(cè)重理論的選修3系列，物理學史作為敘事脈絡(luò)始終貫穿于各模塊教材。作為教科書的有機組成部分，物理學史無論是從內(nèi)容選入上，還是呈現(xiàn)方式上都較以往有著很大的不同。在內(nèi)容上增加了很多歷史知識，主要呈現(xiàn)在“科學足跡”、“科學漫步”、“STS”等欄目中。可以說，物理學史教育已經(jīng)成為了一個相對獨立的教學目標。

物理學史是關(guān)于物理學發(fā)生、發(fā)展的歷史，它們自身的知識是有序的。因此引入課堂的物理學史也應(yīng)有自身的發(fā)展脈絡(luò)和完整性，而不應(yīng)是支離破碎、混亂的。例如在高中物理階段，涉及了物理學史上四次影響深遠的“統(tǒng)一”：第一次是牛頓三定律和萬有引力定律的建立確立了天上和地上的物體遵循相同的規(guī)律；第二次是麥克斯韋電磁場理論的建立，實現(xiàn)了電和磁的統(tǒng)一；第三次是人們確認了光是某一頻率的電磁波，實現(xiàn)了電磁波和光的統(tǒng)一；第四次是愛因斯坦的光子說和德布羅意的物質(zhì)波理論的提出，實現(xiàn)了波和粒子的統(tǒng)一。以上“統(tǒng)一”都是科學史上的一個里程碑。

又如，1900年普朗克曾提出著名的能量量子化假說，那正是量子論新紀元的開始，十分巧合的是，在量子概念產(chǎn)生的同年，W?泡利降生了。以后每隔一年，海森堡（1901年生）、狄拉克（1902年生）等人又相繼來到世間。我們知道，除了這幾人以外，在世紀之交，即物理學史上風云際會的時期前后誕生的還有赫茲（1857~1894）、普朗克（1858~1947）、密立根（1868~1953）、盧瑟福（1871~1937）、愛因斯坦（1879~1955）、朗之萬（1872~1946）、波恩（1882~1970）、玻爾（1885~1962）、薜定諤（1887~1961）、德布羅意（1892~ ）等人。他們在青年時代就脫穎而出，才華橫溢。近代物理學發(fā)展史上著名的二十世紀物理學革命，總是與這些了不起的人物的名字聯(lián)系在一起。在時間非常有限的高中物理教育中，我們不可能窮盡浩瀚的物理學史，應(yīng)刪繁就簡，合理安排教學計劃，盡量充分展現(xiàn)物理學史發(fā)展的清晰脈絡(luò)，讓學生了解較為完整有序的物理學史知識體系。

1.2 引入行為的有序性

物理學發(fā)展史的有序性是單一的，即以時間為序。但引入行為的有序性則是靈活多樣的。引入行為是思想到行動的過程，最終體現(xiàn)在教師的語言上。教師在敘述史實時，或以時間為序，或以空間為序，也可以相關(guān)理論、人物、事件的關(guān)聯(lián)為序；同時選擇敘述的方式，可順敘，可倒敘，也可插敘，還可補敘。比如，關(guān)于盧瑟福發(fā)現(xiàn)放射性元素半衰期的歷史，可以在高一物理第一節(jié)課緒言部分論及物理學的未來時插入，也可以在高三第十九章新課中關(guān)于半衰期的定義時插入。其實，物理學史既可在新課上，也可在復(fù)習課上，還可以在習題課上引入；或者在課堂開頭做為引言，或者在課堂進程中間做為論證證據(jù)，或者在課堂結(jié)尾時做為總結(jié)等。只要結(jié)合教學需要，考慮到學生的接受能力和興趣，教師可以充分發(fā)揮主觀能動性。

必須正確處理好引入對象和引入行為的有序性兩者的關(guān)系。筆者認為，引入對象的有序性要為引入行為的有序性規(guī)劃整體運行軌跡，引入行為的有序性最終要完全展現(xiàn)引入對象的有序性。在課堂上以自由靈活的方式引入的物理學史實，盡管它們是物理學史中的片斷，散布于整個高中物理課堂之中，但是整體來看，是一幅歷史畫卷。

2 要注重物理學史引入課堂的趣味性

一些學生因初中階段缺乏牢固的物理知識基礎(chǔ)，進入高中階段后一時無法適應(yīng)，難以跟上教學進程，往往出現(xiàn)厭學情緒，覺得物理枯燥乏味，倍感焦躁與不安。無疑，物理學史的引入為他們學習物理開啟了另一扇窗。將學生們感興趣的知識的發(fā)現(xiàn)歷程和物理學家成長經(jīng)歷，以講故事的方式娓娓道來，最大程度地還原知識產(chǎn)生的過程，這不僅利于學生理解知識，而且有利于激發(fā)他們的求知欲和學習的激情。因此，在引入物理學史時，趣味性應(yīng)重點強調(diào)。

2.1 側(cè)重引入物理學家的趣味故事

物理學史由于具有故事的情節(jié)性、人物的生動性、過程的坎坷性而極容易引起學生的注意力。例如，費恩曼與老婦人關(guān)于汽車超速問題的不同解釋，幽默地說明了科學知識與人們生活經(jīng)驗的區(qū)別，這也是學生學習過程中往往遇到的困惑。又如，在學習胡克定律時，可適當介紹胡克在發(fā)表這個定律時的故事：胡克于1676年發(fā)現(xiàn)物體的彈性規(guī)律時，既想領(lǐng)先發(fā)表這一定律，又不愿讓競爭對手直截了當?shù)卣莆者@一定律，于是他采用了當時流行的辦法--用猜謎的方式發(fā)表了這一定律，謎面是“ceiiinosssttuv”。兩年后，胡克才揭曉了謎底，即拉丁語“uttensiosicvis”，翻譯成中文就是“有多大的伸長就有多大的力”（物體的形變跟受到的力成正比），這一史實很容易吸引學生，從而激發(fā)其好奇心。

2.2 側(cè)重物理學前沿的最新發(fā)展史

對未來的探索追問，是青少年最為感興趣的話題。高中階段的學生最富于幻想，較少保守思想，物理學家們進行創(chuàng)造性思維活動所特有的那種好奇心、好勝心和懷疑精神在學生中比較突出。眾所周知，陳景潤攻克哥德巴赫猜想的雄心壯志，就源自于中學時代一位高明的數(shù)學老師在講課中提及的“額外”一詞。在物理學史中，類似于這樣的問題是不乏其例的。比如，高中學生學習電磁學時，他們深知有單獨存在的正電荷和負電荷，但一根磁棒一分為二后，仍具有南北兩個磁極也是不可否認的事實。善于思考，敢于想象的學生必然向老師發(fā)問，“有電荷，那有無磁荷？”、“世界上有沒有單獨的磁荷存在？”這時，教師可提到1931年英國物理學家狄拉克關(guān)于磁單極子的最先設(shè)想和論證，然后介紹目前尋找磁單極子實驗的最新信息。又如在講基本電荷時，就可適當介紹近年來在高能物理研究中，提出了存在分數(shù)電荷設(shè)想的有關(guān)內(nèi)容。這樣的史實，給學生創(chuàng)造了思考的平臺，更能激發(fā)學生強烈的求知欲和學習熱情。

通過講解物理學家的奇聞異事、各大物理學派間的爭端、科學佯謬與科學爭論以及尚未解開的物理課題來激發(fā)學生學習物理的興趣，讓學生從中學習物理學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學的思維方法，不斷提高自身科學素質(zhì)、養(yǎng)成良好的學習習慣，變被動學習為主動獲取知識。

3 物理學史引入課堂，要掌握好度

3.1 目的性和工具性的尺度

目的決定工具，工具服務(wù)于目的。兩者是主導(dǎo)和被主導(dǎo)的關(guān)系。前文所述，物理學史在高中物理教育中具有雙重地位，一是目的性、二是工具性。所處地位不同，引入物理學史的限制條件和自由尺度就不同，需要區(qū)別對待。

當物理學史處于目的性的地位時，那么學生通過了解物理學史來培養(yǎng)人文素質(zhì)成為相對獨立的教學目標，這時引入行為的自由度就非常大，制約因素較少。它的自由度取決于它與其它教學教學目的之間的關(guān)系。相對于傳授基礎(chǔ)物理知識體系教學目的而言，高中物理課堂中的物理學史教育是處于次要地位的，這與大學中物理學史課程不同。因此，它不可能像大學安排充分的教學時間，涉及豐富的教學內(nèi)容，更不可能像大學物理學史教師那樣自由拓展。

當物理學史處在工具性的地位時，作為輔助性材料，目的是讓學生更容易理解知識。這時引入行為的外在限制條件就較多。關(guān)于選擇什么內(nèi)容、用多少、怎樣用，既要考慮知識點的難易程度、學生的接受能力，還要考慮講解這一知識點所用時間的限制等。當引入的物理學史處在工具性的地位時，引入行為的自由尺度最終要取決于教學目的——讓學生更易掌握該知識點或理論。與前一種情況相比，此時的引入行為更為講究適度，既要注重與課本結(jié)合，注重與學生的認知能力結(jié)合，同時還要言簡意賅，生動有趣，切不可客居主位。

3.2 日常生活化與藝術(shù)化的尺度

無論用哪種方式呈現(xiàn)歷史事實，都是作者根據(jù)已有資料整理加工而成。盡管與文學作品不同，但都有藝術(shù)化的成分，只是多少之分。有時這些藝術(shù)化的史實若偏離了日常生活真實情況，容易使我們產(chǎn)生偏見。

科學家們在一定的歷史時期對科學的發(fā)展做出了不朽的貢獻，獲得了社會和歷史給予的崇高榮譽和評價，這是理所當然的。比如牛頓進行了光的色散實驗，建立了二項式定理，創(chuàng)立了微積分，確立了運動三定律和萬有引力定律，被人們稱為“有史以來最偉大的天才”。這是歷史對他的贊譽。在課堂教學中，如果教師只講他的成就和榮譽，容易使學生覺得牛頓太了不起，是可望而不可及的。其實，還應(yīng)提及牛頓的成就除自身的天賦和勤奮外，還憑借了前人的成果和同代人的思想，最終才作出了偉大的成績。而且，牛頓性格古怪，曾同許多人發(fā)生過論戰(zhàn)，晚年還誤入歧徑，致力于上帝第一推動的研究。這樣，學生對牛頓的了解更全面，就會感到牛頓是可敬的，可學的。

我們應(yīng)該認識到真理并非絕對，定律也非永恒。隨著科學的進步，物理概念的內(nèi)涵在不斷地發(fā)展著。如果沒認識到這點，人們就容易使人固步自封，止步于前人的發(fā)現(xiàn)而不能前進。

比如，牛頓定律的適用范圍和慣性概念的歷史演變。十七世紀，牛頓力學被看成永恒的真理，物理學領(lǐng)域出現(xiàn)了一切歸于牛頓力學的思想。到十八世紀，電磁學的發(fā)展才打破了這一觀念。二十世紀初，人們認識到牛頓力學包含在愛因斯坦的相對論之中，但在高速微觀粒子領(lǐng)域，牛頓力學不在適用。另外，慣性概念的演變也說明了這一點：慣性概念起源于伽利略，牛頓認為慣性是物質(zhì)的固有屬性，質(zhì)量是慣性的量度，并用第一定律來表述這一性質(zhì)。這一概念歷經(jīng)貝克萊、馬赫發(fā)展到現(xiàn)在，則由愛因斯坦在廣義相對論中作了進一步的表述：慣性包含在運動的最短程線中。這一思想富有更深的含義，因而，我們在傳播這方面知識時首先要有所暗示，為學生繼續(xù)學習埋下伏筆。

因此，筆者認為在引入物理學史時，在保留藝術(shù)化的同時，更要強調(diào)史實的日常生活化，還原已經(jīng)“神”化或“天才”化的科學家以本真的生活狀態(tài)，還原探索真理過程的“非凡”以日常生活的“平凡”。

我國物理學家錢三強曾論述了在物理教學中引入物理學史的意義：“物理學發(fā)展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_墾，這些精神財富很值得我們?nèi)グl(fā)掘。如果我們都能重視這塊寶地，把寶貴的精神財富發(fā)掘出來，從中吸取營養(yǎng)，獲得效益，我想對我國的教育事業(yè)和人才培養(yǎng)都會是大有益處的?！?因此，在高中物理課堂中有序地，有趣地，有度地引入物理學史，對高中生的培養(yǎng)是非常有作用的。

(欄目編輯 趙保鋼)