物理學(xué)史與科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

杜愛慧

(河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453007)

物理學(xué)史與科學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

杜愛慧

(河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453007)

物理學(xué)史與物理教學(xué)相結(jié)合是國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)教育改革的一項(xiàng)重要課題.有學(xué)者說(shuō)過(guò),“一門科學(xué)的歷史是那門科學(xué)最寶貴的一部分.科學(xué)只能給我們知識(shí),而歷史卻能給我們智慧.”科學(xué)史教育是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要資源.在物理教學(xué)中合理利用物理學(xué)史知識(shí)是實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)的一種有益手段.

1 物理學(xué)史與科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)系

我國(guó)教育界對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的界定是:(1)對(duì)科學(xué)知識(shí)(包括術(shù)語(yǔ)和概念)的基本理解;(2)對(duì)科學(xué)的研究過(guò)程的基本理解;(3)對(duì)科技對(duì)社會(huì)影響的基本理解程度.一個(gè)人如果達(dá)到了以上3點(diǎn),就可以被認(rèn)為達(dá)到了基本的科學(xué)素養(yǎng)水平.新一輪物理課程改革將“培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”定為改革的總目標(biāo).在物理教學(xué)中,我們可以通過(guò)物理學(xué)史展示物理知識(shí)的來(lái)龍去脈,加深學(xué)生理解;可以通過(guò)物理學(xué)史展示物理學(xué)家的科學(xué)思維,幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的過(guò)程,掌握科學(xué)方法;可以通過(guò)展示物理學(xué)家的科學(xué)精神和愛國(guó)熱情,幫助學(xué)生形成正確的人生觀與價(jià)值觀.可見,物理學(xué)史是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要載體.

2 中學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史知識(shí)的現(xiàn)狀

2.1 中學(xué)物理教材引入物理學(xué)史內(nèi)容的情況

中學(xué)物理教材引入的物理學(xué)史內(nèi)容大致分以下幾類: (1)科學(xué)方法的介紹,(2)科學(xué)家的生平,(3)重要實(shí)驗(yàn)、規(guī)律、概念發(fā)現(xiàn)的過(guò)程及產(chǎn)生的歷史背景,(4)學(xué)派、假說(shuō)間的爭(zhēng)議,(5)我國(guó)古代的科學(xué)技術(shù)與物理文化.

有文獻(xiàn)研究指出[1],現(xiàn)行中學(xué)物理教材中涉及歷史內(nèi)容共有88處,涉及我國(guó)古代物理文化76處,合計(jì)164處.以人教版為例[2],理科生要學(xué)習(xí)的7個(gè)模塊中共編入了65篇閱讀材料,其中物理學(xué)史類占到15篇.可見,新教材在內(nèi)容上大大加強(qiáng)了物理學(xué)史料的編排.歷史上許多重要實(shí)驗(yàn),如伽里略的斜面實(shí)驗(yàn)、J.J.湯姆遜的陰極射線實(shí)驗(yàn)、庫(kù)侖的扭秤實(shí)驗(yàn)、密立根實(shí)驗(yàn)和盧瑟福用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)等,在教材中都做了一定的描述;歷史上的學(xué)說(shuō)之爭(zhēng),如粒子說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)、熱質(zhì)說(shuō)與熱動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)等在教材中也占有一定的篇幅.

2.2 中學(xué)物理教師、學(xué)生對(duì)物理學(xué)史知識(shí)的態(tài)度

教師方面,我們?cè)L談了10位中學(xué)物理教師.其結(jié)果表明,大部分教師對(duì)物理學(xué)史知識(shí)都持肯定態(tài)度.但在實(shí)際教學(xué)中,多數(shù)教師表示很少花時(shí)間去查閱更多相關(guān)資料.因此,由于史料知識(shí)的匱乏,最終造成教師在運(yùn)用時(shí)比較呆板,教學(xué)方式單一欠生動(dòng).

對(duì)于學(xué)生方面,有調(diào)查顯示[1]:學(xué)生對(duì)物理學(xué)史內(nèi)容表現(xiàn)出了極高的興趣.其中,85.3%的學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)史會(huì)影響自己學(xué)習(xí)物理的興趣;88.7%的學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)史內(nèi)容對(duì)其理解物理知識(shí)有幫助;86.7%的學(xué)生認(rèn)為科學(xué)家的故事或錄像會(huì)影響到自己世界觀的形成.然而,調(diào)查中也反映出大多數(shù)學(xué)生對(duì)科學(xué)家是敬而遠(yuǎn)之的,認(rèn)為“圣人”的成就、品德與精神可望而不可及.

3 從三維目標(biāo)談物理學(xué)史知識(shí)的合理運(yùn)用

3.1 借助物理學(xué)史展示物理知識(shí)的來(lái)龍去脈,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,培養(yǎng)能力

知識(shí)一直是物理教師教學(xué)的重要方面.在物理教學(xué)中,教師可充分利用史料,加深學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律等基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解.如牛頓當(dāng)初是如何從開普勒第一定律中看出中心力的存在?如何通俗明白地講出行星能繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)和衛(wèi)星能繞行星運(yùn)轉(zhuǎn)的道理?這些內(nèi)容在牛頓的《原理》中是用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式和圖形說(shuō)明的,它說(shuō)明在高山上平射出去的物體如何隨著初速度的增大而射程越來(lái)越遠(yuǎn),以致最后由拋物線向圓軌道和橢圓軌道的轉(zhuǎn)變.這種說(shuō)明可以使學(xué)生很容易就理解了拋射體運(yùn)動(dòng)的拋物線軌道、圓軌道和橢圓軌道的聯(lián)系和界限,對(duì)引力場(chǎng)中的軌道概念有一個(gè)深刻的理解.

隨著科學(xué)探究的提出,培養(yǎng)學(xué)生的能力也更加突顯出來(lái),尤其是對(duì)學(xué)生質(zhì)疑精神和提出問題能力的培養(yǎng).教師可借助物理學(xué)史上那些不囿于傳統(tǒng)理論和觀念,不迷信權(quán)威和書本的精彩事例,培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑能力.如關(guān)于狹義相對(duì)論的建立.眾所周知,在愛因斯坦之前,洛倫茲和彭加勒已經(jīng)走到相對(duì)論的大門口,洛倫茲在1904年已經(jīng)提出了洛倫茲變換式,而愛因斯坦的狹義相對(duì)論發(fā)表于1905年,但科學(xué)界幾乎一致公認(rèn)愛因斯坦是相對(duì)論的創(chuàng)始人.雖然兩人所得的公式是一樣的,但他們對(duì)問題的提法卻大不相同.愛因斯坦一開始提出的問題就是如何使電磁學(xué)規(guī)律滿足相對(duì)性原理;而洛倫茲的問題是如何在絕對(duì)時(shí)空觀的框架里解決以太漂移問題.所以洛倫茲把他變換出來(lái)的時(shí)間坐標(biāo)t′叫做“地方時(shí)”,認(rèn)為它只是個(gè)數(shù)學(xué)輔助量,而不是真正的時(shí)間.而愛因斯坦拋開了“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”和“靜止以太”的觀念,并深刻地審察了“同時(shí)性”概念的物理學(xué)根據(jù),最終創(chuàng)建了狹義相對(duì)論,引起了人類時(shí)空觀的巨大變革.實(shí)際上,建立相對(duì)論在觀念上的最大障礙,就是牛頓的“絕對(duì)時(shí)間”.要承認(rèn)時(shí)間的相對(duì)性,這是需要智慧和勇氣的,特別需要懷疑精神.愛因斯坦的偉大之處正在于此.

3.2 借用物理學(xué)史展示物理學(xué)家的科學(xué)思維,幫助學(xué)生掌握科學(xué)的研究過(guò)程與方法

科學(xué)探究式學(xué)習(xí)就是讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家探索發(fā)現(xiàn)的過(guò)程,學(xué)習(xí)科學(xué)方法并進(jìn)行科學(xué)思維的訓(xùn)練.著名物理學(xué)家勞厄曾說(shuō):“重要的不是獲得知識(shí),而是發(fā)展思維能力.教育給予人們的是當(dāng)一切已學(xué)過(guò)的東西都遺忘掉的時(shí)候所剩下來(lái)的東西.”對(duì)于物理課程的學(xué)習(xí)而言,在某種意義上講,“剩下來(lái)的東西”便是科學(xué)過(guò)程和科學(xué)方法,即科學(xué)探究的能力.教師可借助物理學(xué)史中大量生動(dòng)事例來(lái)說(shuō)明科學(xué)大師們是如何熟練而巧妙地運(yùn)用科學(xué)方法取得成果的,從而對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育.當(dāng)然,物理學(xué)的每一項(xiàng)研究并不是只有一種方法,而且每個(gè)科學(xué)家在運(yùn)用這些方法時(shí)也都有明顯的個(gè)人特點(diǎn).因此,學(xué)習(xí)前人的方法,與其說(shuō)是為了掌握具體的方法本身,倒不如說(shuō)是為了積累前人科學(xué)思維的經(jīng)驗(yàn).在物理教學(xué)中,教師可深入剖析若干科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“案例”,使學(xué)生詳細(xì)了解若干科學(xué)大師們科學(xué)創(chuàng)造的思路,從而受到熏陶,得到啟發(fā).

萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn),牛頓是在研究和概括前人的成果之后,并在數(shù)學(xué)上、在對(duì)月球與地球間的引力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的檢驗(yàn)上做了大量工作之后,才于1685年最后得到萬(wàn)有引力定律的表達(dá)式的.所以,這個(gè)定律不是像某些人說(shuō)的那樣,是牛頓從看到蘋果落地所得到的“頓悟”中突然產(chǎn)生的.用他自己的話說(shuō),就是“我站在了巨人的肩上”.再如“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué),16世紀(jì)以前,亞里士多德曾和學(xué)生們一樣用歸納法闡述了“物體越重,下落得越快”這種觀點(diǎn).2000多年的時(shí)間里,他的學(xué)說(shuō)一直為人們所信服(配合演示實(shí)驗(yàn):紙片比橡皮下的慢).1638年伽利略用了一種很巧妙的方法反駁了亞里士多德的觀念.把紙片和橡皮粘在一起,一方面,紙片的速度慢,會(huì)拖著橡皮減速;另一方面,橡皮紙片的總重大,兩者的共同速度應(yīng)該增加,這樣亞里士多德的理論就變得自相矛盾了.這種分析問題的方法我們稱之為矛盾法.學(xué)生在了解這段史料的過(guò)程中,不僅改變了“物體越重,下落得越快”這一錯(cuò)誤觀念,而且學(xué)到了物理學(xué)家科學(xué)分析問題的態(tài)度和方法.

3.3 借用物理學(xué)史展示物理學(xué)家的科學(xué)精神,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和正確的價(jià)值觀

物理學(xué)史以其特有的精神價(jià)值(包括科學(xué)家們的科學(xué)理想、獻(xiàn)身精神、光輝言行和高尚品格,也包括中華民族的文明),在學(xué)生的情感態(tài)度與價(jià)值觀教育中發(fā)揮著重要的作用.科學(xué)大師們的楷模形象和中華文明的深厚底蘊(yùn),也給學(xué)生人生價(jià)值的追求以深刻的影響.

在物理教學(xué)中,教師首先要善于深入剖析科學(xué)偉人的生平、環(huán)境、教育和成長(zhǎng)道路,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)家不是超道德的,他們的科學(xué)探索活動(dòng)和科學(xué)成就,與其人生價(jià)值觀是密不可分的.如哥白尼不滿于托勒密的體系而創(chuàng)立了日心說(shuō),為宣傳和捍衛(wèi)這個(gè)學(xué)說(shuō),布魯諾被宗教裁判所活活燒死,伽利略受到迫害,后人把歷史上這樁勇敢的壯舉,豪邁地形容為“哥白尼攔住了太陽(yáng),推動(dòng)了地球”.再如,開普勒在獲得了行星運(yùn)動(dòng)三定律后,欣喜若狂地寫道:“16年了,我立志要探索一件事,……我終于走向光明,認(rèn)識(shí)到的真理遠(yuǎn)超出我最熱切的期望.如今木已成舟,書已出稿,至于是否現(xiàn)在就有讀者,抑或?qū)⒘舸笫?正像上帝已等了觀察者6000多年那樣,我也許要整整等上一個(gè)世紀(jì)才會(huì)有讀者,對(duì)此我毫不在意.”事實(shí)上我們知道,在這16年里,開普勒貧病交加,歷受宗教迫害,母親被拘禁,前妻去世,孩子夭亡,真是苦難重重.這些感人的事例,對(duì)學(xué)生是很有感染力的.

其次,在物理教學(xué)中,教師要善于運(yùn)用科學(xué)家的言行,培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到人生的價(jià)值要放在社會(huì)大環(huán)境中和歷史長(zhǎng)河中去衡量.如卡文迪許逝世后留下了20捆實(shí)驗(yàn)筆記,存放在書柜里70年.當(dāng)麥克斯韋負(fù)責(zé)籌建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室時(shí),發(fā)現(xiàn)了這些充滿智慧和心血的筆記,仔細(xì)閱讀后,連聲嘆服,由此決定放下自己的一些研究課題,嘔心瀝血地整理這些手稿并以卡文迪許的名義發(fā)表,使許多珍貴的物理科學(xué)思想流傳了下來(lái).再如[3],兩大科學(xué)巨人愛因斯坦和玻爾就量子力學(xué)的詮釋和理論的完備性問題爭(zhēng)論了四分之一個(gè)世紀(jì),直到1955年愛因斯坦去世.在原則性的問題上,他們寸步不讓;但在個(gè)人關(guān)系上,他們又如此友善和相互尊重.著名物理學(xué)家惠勒描述這場(chǎng)論戰(zhàn)說(shuō):“它發(fā)生在如此偉大的兩個(gè)人物之間,經(jīng)歷了如此長(zhǎng)久的時(shí)間,涉及如此深?yuàn)W的問題,而卻又是在如此真摯的友誼關(guān)系之中.”

另外,在物理教學(xué)中,教師還應(yīng)注意弘揚(yáng)中華民族對(duì)世界文明的貢獻(xiàn),對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛國(guó)主義教育.如在教學(xué)中可適當(dāng)介紹中國(guó)古人在運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁現(xiàn)象等方面的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用以及在天體運(yùn)行和宇宙結(jié)構(gòu)等方面的貢獻(xiàn)等.

1 蔡志凌.物理學(xué)史教學(xué)的現(xiàn)狀、問題與對(duì)策研究.課程·教材·教法,2003(7):35-38

2 蔡志凌.物理新教材閱讀材料的歸類與教育功能探究.中學(xué)物理,2010(1):22-24

3 申先甲等.談?wù)勎锢韺W(xué)史在素質(zhì)教育中的作用(續(xù)).大學(xué)物理, 2000(12):37-39

2010-06-07)