通過物理習題對初中生進行科技史教育

　　摘要：本文介紹了一種順應素質(zhì)教育要求、順應學生的興趣愛好和認知能力、順應當前的評價體系，在初中物理習題中合理創(chuàng)設(shè)科技史的情境，讓學生在做題過程中接受科技史教育的認識和在初中教學中的嘗試性做法，并給出了部分相關(guān)實例。
　　關(guān)鍵詞：科技史教育；物理習題；情境
　　中圖分類號：G633.7　文獻標識碼：A　文章編號：1003-6148(2010)12(S)-0059-3
　　
　　科技史教育是物理教學的一個重要分支，也是素質(zhì)教育的要求。它可以培養(yǎng)學生對科學的情感、對科學家的崇敬和對科學事業(yè)的不懈追求精神。同時，從中可了解物理學在科技發(fā)展過程中的作用、地位和演變歷程，受到科學方法的教育，更好地實現(xiàn)學科間、和技術(shù)間的聯(lián)系。但在處于從應試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)型期的當前，家長和教師出于對學生的前途著想，眼光還主要聚焦于使學生考出好成績上。因此，大量做題仍是學生學習物理的主要手段，也是當前物理教學必不可少的方式，無暇顧及科技史教育。而作為一名普通的物理教師，是無力改變這一現(xiàn)狀的。
　　要在物理教學中對學生進行科技史教育，則要在教學環(huán)節(jié)中創(chuàng)設(shè)相應的情境。而在物理教學中創(chuàng)設(shè)情境的途徑是多元的，習題也是其中的一個重要方面。若我們因勢利導，在學生每天都大量接觸的物理習題中創(chuàng)設(shè)科技史教育的情境，使學生在做題的過程中，受到科技史教育的熏陶，既能加深對所探究的知識點的理解和掌握，也能知道所涉及知識點的歷史淵源和作用，在潛移默化中受到科技史的教育和啟迪。為此，我在很多物理同行創(chuàng)設(shè)的簡易、零散的相關(guān)習題的基礎(chǔ)上，首先嘗試在初中物理教學中編寫了很多較為系統(tǒng)、完整地介紹科技史實方面的習題。下面給出幾例：
　　例1　1752年6月的一天，美國科學家富蘭克林在雷雨即將到來時將一只風箏放上了天。當風箏進入帶電的雨云后，風箏上的纖維就豎了起來，這是因為______的緣故；系風箏的麻線被雨打濕后，就將電荷傳至了地面上，原本為絕緣體的麻線這時就變成了______；若雷擊時麻線兩端的電壓達到了300kV，麻線的電阻為5kΩ，則在這一瞬間麻線中的電流強度可達______A。富蘭克林的實驗證實了雷電和摩擦產(chǎn)生的電是一回事。
　　例2　1820年4月，奧斯特在一次講座上進行演示時，發(fā)現(xiàn)當一根金屬絲與電池相連時，旁邊的小磁針擺動了一下。這一不顯眼的現(xiàn)象沒有引起聽眾的注意，而奧斯特卻對此非常重視。他連續(xù)三個月進行深入的研究，在同年7月21日宣布了實驗結(jié)果。這一實驗是著名的______實驗，這一實驗表明；通電導體跟磁體一樣，周圍也存在著______，它的方向與______方向有關(guān)。
　　例3
　　法拉第是一個偉大的實驗物理學家，他以深刻的洞察力提出：既然電能生磁，那么，磁能不能生電呢?為此，他經(jīng)過十年的不懈努力，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了——現(xiàn)象，實現(xiàn)了“磁生電”的愿望。從此，人類實現(xiàn)了機械能向電能的大規(guī)模轉(zhuǎn)化。
　　這些習題尊重史實，融科技史與物理概念于一體，與問題的關(guān)聯(lián)較為自然、合理，收效較好。筆者經(jīng)過實踐探索后認為，若能將在這種情境更具故事性，使對一個科技史實的描述更加完整，則效果應該更好。在這種想法的驅(qū)使下，筆者原創(chuàng)了很多體現(xiàn)這一思路的以閱讀理解形式為載體的習題，并將它們用于復習和試卷中。如關(guān)于發(fā)現(xiàn)大氣壓的歷史的習題有：
　　例4　探測大氣壓的歷史
　　托里拆利經(jīng)長時間的對用一端封閉的長玻璃管制成的氣壓計觀察發(fā)現(xiàn)，每天水銀柱的高度略有不同，甚至一天中的不同時刻亦是如此。德國科學家格里克用自制的很長的注水“托里拆利管”發(fā)現(xiàn)在不同的天氣條件下，水面高度也不相同，并由此成功地預報過風暴。
　　問題1：上述托里拆利和格里克對液面觀察的發(fā)現(xiàn)，下列解釋中正確的是(　)
　　A　這是地球的自轉(zhuǎn)速度變化引起的
　　B　溫度變化引起水銀或水柱長度的變化
　　C　不同的時間或氣候條件下的大氣壓不同
　　D　因裝水銀或水的玻璃管沒放穩(wěn)引起的
　　法國科學家帕斯卡對液體有過潛心的研究，他在對大氣壓強的研究方面也是卓有成效的。對由通信傳來的托里拆利的實驗結(jié)果，使他產(chǎn)生了濃厚的興趣。但在當時，“自然厭惡真空”之說根深蒂固，很多人認為托里拆利得到的結(jié)果要么是個錯誤，要么只是一個特例——是自然對水銀情有獨鐘。為了驗證托里拆利的結(jié)論，在他25歲那年，帕斯卡在一根專門拉制成的14m長的玻璃管內(nèi)裝入葡萄酒，重做托里拆利的實驗，他也由此得到了一段真空，從而進一步證明了自然界中真空和大氣的存在。
　　問題2；若設(shè)帕斯卡實驗所用的葡萄酒的密度是1.05×10kg/m3，試問這段真空有多長?
　　帕斯卡還想到，若大氣壓真的如所說那樣存在，則其值應隨著高度向增加而減小。于是，多病不堪爬山的他(他39歲便因病而英年早逝)便讓其內(nèi)兄沿多姆山路上行約1600m后重做托里拆利實驗。為了避免差錯，他讓內(nèi)兄用兩套同樣的儀器各重復做了5次相同的實驗。果然發(fā)現(xiàn)管中水銀柱比山腳處下降了76mm。這就進一步驗證了大氣壓存在的正確性。
　　問題3：帕斯卡內(nèi)兄做實驗處的大氣壓和山腳下的大氣壓相比(　)
　　A　是山腳下的十分之一
　　B　減小了1.01×10Pa
　　c　增加了十分之一
　　D　大氣壓強保持不變
　　格里克在1654年任馬德堡市市長期間，用著名的馬德堡半球?qū)嶒炏蚴廊俗C明了大氣壓強的存在。其實，在此之前，他就潛心鉆研并做過很多次實驗。他曾用薄銅皮做成一個大球殼，再用自制的活塞式抽氣機往外抽氣。隨著抽氣的進行，抽動抽氣機活塞的力也要越來越大，最后不得不用幾個人來拉，才能抽動。終于隨著“嘭”的一聲巨響，銅球殼癟了。是大氣壓將它壓癟的!
　　問題4：在從銅球殼內(nèi)向外抽氣的過程中，為什么越往后，抽動抽氣機越費力?
　　問題5：若設(shè)銅球殼的表面積是1.25m2，則作用在球殼表面上的大氣壓力有多大?
　　據(jù)考證，格里克當年當眾向馬德堡市民演示的著名的馬德堡半球?qū)嶒炛?，所用的一對半球的直徑?2cm。若設(shè)演示時，經(jīng)過抽氣的馬德堡半球內(nèi)仍有0.1標準大氣壓，而要拉開它用了16匹馬。
　　問題6：試求每匹馬的平均拉力是多大?
　　本題充分利用了學生的好奇心，在解決了一個問題后才能接著往下讀“故事”。使學生在閱讀故事的過程中，既了解了大氣壓發(fā)現(xiàn)史，又系統(tǒng)地學習了相關(guān)的物理知識和解決物理問題的方法。這種題在“大氣壓”一節(jié)時作為復習題或測試題效果尤佳。
　　針對很多學生喜愛航空器、兵器的特點，筆者又“投其所好”，編制了一些相關(guān)的發(fā)明史習題。如2003年紀念“航空百年”時，為中考試卷編制的考題：
　　例5　飛機的發(fā)明
　　今年，是飛機發(fā)明100周年。1903年12月14日，美國俄亥俄州開自行車修理鋪的萊特兄弟用自制的“飛行者1號”飛機首次實現(xiàn)了動力飛行：飛行時間12s，飛行距離36.6m。這次飛行雖然短暫，但從此之后，人類步入了航空時代。
　　問題1：萊特兄弟的第一次成功飛行的平均速度約為______m/s。
　　當時，人們對萊特兄弟成功地制成飛機的消息普遍持懷疑的態(tài)度。有的專家竟然斷言說“不可能造出比空氣重的飛行器?！?br/>　　問題2：他們所說的“比空氣重”的意思為
　　A　比地球上空氣的總量都重
　　B　平均密度比空氣的大
　　C　平均密度比空氣小
　　D　比任意體積的空氣都重
　　為了打消人們的疑慮，萊特兄弟到世界各地做巡回表演。1908年8月8目，他們在法國巴黎進行了一次轟動世界的飛行表演。當時，因為發(fā)動機的功率不夠大，為了減小起飛距離，他們把飛機安在一臺軌道車上，在遠處搭起一個高架子，上面吊著一個重物，而吊重物的繩子通過滑輪拉著飛機。
　　問題3：重物下落時，它的勢能(　)
　　A　增大了重物和飛機的動能
　　B　只增大了飛機的動能
　　C　只增大了重物的動能
　　D　又轉(zhuǎn)化成了飛機的勢能
　　經(jīng)過人類一個世紀的努力，飛機得到了飛速的發(fā)展。它除了在軍事、科研等方面大顯身手外，更成了人類須臾不可缺少的交通工具。
　　問題4：我國自行研制的“飛豹”戰(zhàn)斗轟炸機，是我國航空工業(yè)的驕傲。它安裝的航空噴氣發(fā)動機推力十分強勁。它在起飛時的推力遠比飛機受到的阻力大，其目的是(　)
　　A　使飛機保持勻速運動
　　B　使飛行更穩(wěn)定
　　C　使飛機速度加快
　　D　使飛行的方向不變
　　本題以激發(fā)學生自主學習的興趣為目的，信息量較大，綜合性強，史實完整，在考查學生多個物理知識點的同時，使學生對世界航空史的發(fā)端有一個初步的了解，也為他們進一步了解航空史、立志祖國的航空事業(yè)起到了“引子”的作用。這類題目已遠遠超出了一般填空題或選擇題的科技史教育功能。
　　多年來，筆者利用學生喜聞樂見的科技史實，考慮到初中生的認知能力和教學要求，原創(chuàng)了很多集知識性、趣味性、綜合性于一體的物理習題，內(nèi)容涉及科學家逸事、趣聞的發(fā)明史，探索行星運動、發(fā)現(xiàn)新天體的天文史，以國慶閱兵為題材的兵器發(fā)展史，以“神舟”飛船、探月、深空探索為主線的人類航天史，以及現(xiàn)代科技的發(fā)展淵源等諸多方面，廣泛使用于學校教學和中考試卷中，受到了廣大師生的好評。很多題被收入專著或被刊物發(fā)表，有的題在教育部進行的中考試題評價中，作為優(yōu)秀題范例受到多次褒獎，給予了高度評價。
　　利用物理習題進行科技史教育，可以節(jié)省專門進行“滲透”、“開拓”學習的時間，使教學效率大大提高。另外，可以克服學生對物理學習的畏懼感，化厭煩為熱衷，化被動學習為主動探究，使學生學習物理學的興趣大大提高。筆者通過跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用過這種習題(或考題)的學生，畢業(yè)很久后仍普遍反映對這種情境的印象深刻，對感興趣的內(nèi)容至今仍能如數(shù)家珍、興趣盎然，當然對所學的知識點的掌握上也是難以磨滅了。
　　當然，用這種方式對學生進行科技史教育是膚淺的，充其量只能起到教學“滲透”的作用。但筆者想，通過這種方式的學習，可對學生更進一步的學習物理(甚至歷史)打好基礎(chǔ)，對學生更深層次地探討科技史起到鋪墊的作用，甚至對學生的一生產(chǎn)生深刻的影響。
　　例題參考答案：
　　(1)風箏所帶的兩種電荷相互排斥，導體，60；
　　(2)奧斯特，磁場，電流；
　　(3)電磁感應；
　　(4)D；
　　(5)c，4.2m，B，越往后則球殼內(nèi)空氣越稀薄，壓強越小，而外界大氣強不變。又由于它們的方向相反，故它們作用在抽氣機活塞上的力的合力也越來越大，且合力的方向指向球殼內(nèi)，所以抽動越來越費力。1.27×10N，約1 573N；
　　(6)3.05，B，A，C。
　　
　　參考文獻：
　　[1]楊光和，談物理學史在中學物理教學中的作用[J]，物理教學探討，2010，04：10
　　[2]殷建樓，物理學史與物理教學情境的創(chuàng)設(shè)[J]，物理教學探討，2010，04：