在中學(xué)物理課程中物理學(xué)史的探究式教學(xué)

張前軍

(沭陽(yáng)高級(jí)中學(xué) 江蘇沭陽(yáng) 223600)

1 引言

參加我市物理教師創(chuàng)新大賽已過(guò)一年有余，筆者參賽的課題為“玻爾的原子模型”．賽前誠(chéng)惶誠(chéng)恐的準(zhǔn)備、賽中學(xué)生出乎意料的表現(xiàn)、賽后筆者僥幸獲一等獎(jiǎng)的愜意，都始終無(wú)法忘懷．早覺(jué)得有寫一些反思文章的必要，但卻不知從何寫起，因?yàn)楣P者對(duì)當(dāng)時(shí)為什么選擇物理學(xué)史的內(nèi)容作為創(chuàng)新大賽的課題一直疑惑不解．

近期了解到命題人對(duì)此的解釋是:創(chuàng)新教學(xué)比賽不僅是參賽教師的事，也是命題教師的事．如果選擇含有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的課題，大家都很容易按已經(jīng)為大家所熟知的“提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(收集證據(jù))、分析論證、評(píng)估、交流與合作”的模式進(jìn)行探究式教學(xué)，雖然這樣很容易體現(xiàn)新課標(biāo)的要求，但它體現(xiàn)不了參賽教師的創(chuàng)新水平．而選擇物理學(xué)史的內(nèi)容作為創(chuàng)新教學(xué)課題更能讓大家進(jìn)行有差異的體現(xiàn)新課標(biāo)要求的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)．聽(tīng)完解釋后我豁然開(kāi)朗，并以此作引言談一談筆者對(duì)新課標(biāo)下的高中物理課中物理學(xué)史探究式教學(xué)認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變．

2 物理學(xué)史探究式教學(xué)的現(xiàn)狀

為了突出高中物理的主干知識(shí)，也為了減輕學(xué)

另一方面，更主要的是新課程十分重視教學(xué)中的科學(xué)探究．在必修模塊和不以物理學(xué)史為主要內(nèi)容的選修模塊教材內(nèi)容都是按新課程要求進(jìn)行了大幅度變革，強(qiáng)迫教師進(jìn)行探究式教學(xué)，才能與教材內(nèi)容設(shè)置相一致．而在以物理學(xué)史為主要內(nèi)容的教材編排設(shè)計(jì)就沒(méi)有這種“強(qiáng)迫”的特征，教師以傳統(tǒng)方法進(jìn)行教學(xué)也能與教材內(nèi)容相統(tǒng)一;但用探究式教生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，新課程對(duì)高中物理內(nèi)容設(shè)置分成必修和選修模塊．

江蘇省高考要求對(duì)選修模塊中的3－3，3－4和3－5三個(gè)非主干知識(shí)模塊只選擇其中的任意兩個(gè)即可．三個(gè)模塊在高考中的問(wèn)題難度相當(dāng)，這必然導(dǎo)致這三個(gè)模塊內(nèi)容考的都比較簡(jiǎn)單;而以物理光學(xué)和原子物理等為主要內(nèi)容的物理學(xué)史內(nèi)容主要放在選修3－4，3－5系列中．

一方面，受現(xiàn)行高考指揮棒的影響，教師在這些內(nèi)容的實(shí)際教學(xué)中很少關(guān)注過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)的達(dá)成情況．應(yīng)試教育下注重基本知識(shí)的教學(xué)特征在物理學(xué)史內(nèi)容教學(xué)中還是非常突出的．畢竟物理學(xué)史的基本知識(shí)較少，在實(shí)際教學(xué)中要么是教師一講到底，突出基本知識(shí);要么從形式上以學(xué)生為主，先讓學(xué)生自我閱讀，然后教師對(duì)基本知識(shí)進(jìn)行解釋．甚至，因?yàn)閷?duì)其他主干模塊知識(shí)用時(shí)太多，教師對(duì)物理學(xué)史內(nèi)容進(jìn)行濃縮教學(xué)，一課時(shí)能上幾節(jié)內(nèi)容．學(xué)卻不知從何下手．

綜合以上幾個(gè)原因，在新課標(biāo)要求下的物理學(xué)史內(nèi)容就變成了教學(xué)中的“雞肋”．

3 物理學(xué)史探究式教學(xué)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

教育理論和教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生認(rèn)知的過(guò)程符合“重演論”．物理學(xué)史記述了重大物理實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，描述了有重要影響的物理學(xué)家的思維過(guò)程．學(xué)生只有“親歷”物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，才會(huì)徹底掌握物理知識(shí)和科學(xué)方法．同時(shí)，物理學(xué)史再現(xiàn)了科學(xué)家們克服種種阻力與困難作斗爭(zhēng)、與傳統(tǒng)觀念作斗爭(zhēng)的過(guò)程，有利于培養(yǎng)學(xué)生形成正確的人生觀、世界觀．因此，物理學(xué)史內(nèi)容的教學(xué)具有實(shí)現(xiàn)新課程三維目標(biāo)的功能．但是對(duì)于一線教師而言，目前最大的困惑在于如何對(duì)物理學(xué)史內(nèi)容進(jìn)行探究式的教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)“體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，了解科學(xué)研究方法”這一目標(biāo)．

為什么會(huì)有這樣的困惑?其原因在于我們對(duì)新課標(biāo)中科學(xué)探究要求的誤解．新課標(biāo)指出科學(xué)探究包含的要素有:提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(收集證據(jù))、分析論證、評(píng)估、交流與合作．在受到先期能體現(xiàn)科學(xué)探究全部要素的必修內(nèi)容教學(xué)的影響下，再加上對(duì)新課程誠(chéng)惶誠(chéng)恐的初淺認(rèn)識(shí)，教師對(duì)科學(xué)探究的要求產(chǎn)生了誤解:探究式教學(xué)過(guò)程中必須要體現(xiàn)科學(xué)探究的全部要素．顯然，在物理學(xué)史教學(xué)中是不容易實(shí)施這樣的探究式教學(xué)的．

其實(shí)，新課標(biāo)中指出的科學(xué)探究的幾個(gè)“要素”不等同于“環(huán)節(jié)”．一個(gè)過(guò)程缺少必要的環(huán)節(jié)就會(huì)中斷，而新課標(biāo)中指出的要素是科學(xué)探究的標(biāo)志，一個(gè)具體的教學(xué)過(guò)程只要具有這樣一兩個(gè)要素，它就有了探究性．這也就是說(shuō)，教學(xué)中的科學(xué)探究不一定是“完整”的．

另外，科學(xué)探究的學(xué)習(xí)有兩個(gè)方面含義:一方面是教師引導(dǎo)學(xué)生在自己的探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)怎樣進(jìn)行科學(xué)探究，另一方面是教師引導(dǎo)學(xué)生研究前輩科學(xué)家的工作過(guò)程學(xué)習(xí)科學(xué)探究．新課程中物理學(xué)史的內(nèi)容恰恰也就基于這后一方面考慮而進(jìn)行設(shè)置的．這樣不僅有助于師生改變頭腦中關(guān)于科學(xué)探究的直接檢驗(yàn)假設(shè)或探究必須親手做實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單化的模式，更有利于師生形成科學(xué)的探究觀，防止形成那種一步一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)到的所有規(guī)律都要由實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證(甚至都要由實(shí)驗(yàn)歸納出來(lái))的形式主義科學(xué)探究的做法．

綜上所述，科學(xué)探究是一種精神，它應(yīng)該貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程．教師要想盡一切方法調(diào)動(dòng)學(xué)生探求新知識(shí)、構(gòu)建新方法的積極性，而不是讓學(xué)生被動(dòng)地吸收知識(shí)，這樣也就體現(xiàn)了新課程的探究精神．

4 物理學(xué)史探究式教學(xué)的可行性

愛(ài)因斯坦說(shuō):“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要”．科學(xué)探究的第一要素是提出問(wèn)題．由此可以看出提出問(wèn)題在科學(xué)探究中的重要地位．在物理學(xué)史教學(xué)中最難把握的也就是“提出問(wèn)題”這個(gè)要素．若由學(xué)生提出問(wèn)題，則會(huì)五花八門;有的雖然有意義，但未必與教學(xué)發(fā)展方向一致．因此，多數(shù)問(wèn)題還是要由教師提出．但在物理學(xué)史的教學(xué)中教師提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題也比較難，一方面是因?yàn)閷W(xué)習(xí)的內(nèi)容是已經(jīng)發(fā)生過(guò)的歷史，若提的問(wèn)題太淺，大家都知道;另一方面，教材中的物理學(xué)史是關(guān)注有重要影響史實(shí)的濃縮化的歷史，若提的問(wèn)題太深，大家都不會(huì);甚至有些物理學(xué)新理論的初期建立全憑物理學(xué)家敏銳的洞察力和思維直覺(jué)，談不上為什么之類的問(wèn)題．那么，在物理學(xué)史教學(xué)中怎樣才能提出有效的問(wèn)題呢?

筆者認(rèn)為，物理學(xué)史中重要理論和實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生有其歷史發(fā)展的必然性;在對(duì)這種必然性以及理論與實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性的分析過(guò)程其實(shí)就是一種非?？尚械目茖W(xué)探究過(guò)程．在探究的過(guò)程中，科學(xué)猜想是最活躍的因素，他的提出往往是由于某些事物的啟發(fā)，教師要充分利用史料創(chuàng)設(shè)探究式教學(xué)的問(wèn)題情境，鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜測(cè)分析，從中體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，構(gòu)建科學(xué)研究的方法．

另外，由于多媒體具有將文字、圖像、聲音、動(dòng)畫有機(jī)結(jié)合，易于激發(fā)學(xué)生興趣以及傳輸信息量大，操作的可重復(fù)性等特點(diǎn)，因此，在物理學(xué)史內(nèi)容的教學(xué)中通常要利用多媒體等形式再現(xiàn)歷史上物理學(xué)家對(duì)當(dāng)時(shí)的科研難題的解決過(guò)程以及重要的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，或者把難以理解的重要理論用模擬動(dòng)畫等形式展示出，營(yíng)造研究物理學(xué)史的氛圍．另外，在歷史上重大理論、實(shí)驗(yàn)誕生過(guò)程中受到許多因素的先后影響;利用多媒體課件可操作的重復(fù)性特征，可以將問(wèn)題呈現(xiàn)具有科學(xué)的層次性，忠實(shí)于歷史發(fā)展的過(guò)程．總之，利用多媒體手段是上好探究式物理學(xué)史課的重要途徑．

5 物理學(xué)史探究式教學(xué)的案例分析

以下是“玻爾的原子模型”教學(xué)片段的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)及分析．

片段一:玻爾理論產(chǎn)生的必然性探究

背景介紹:1898年湯姆孫建立了原子的“棗糕式”模型．1911年盧瑟福建立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型．而在盧瑟福時(shí)代已知的原子事實(shí)是:原子是穩(wěn)定的，原子光譜是分立的．1885年巴耳末已經(jīng)觀察到了氫原子的一組分立的譜線且滿足

式中λ是譜線的波長(zhǎng)，R是一常量．而按經(jīng)典理論分析得到的原子現(xiàn)象卻是:原子是不穩(wěn)定的、原子光譜是連續(xù)的．

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)對(duì)前期學(xué)習(xí)的原子模型建立過(guò)程介紹，由此突顯人類建立原子模型過(guò)程是多么的困難，以致讓英國(guó)劇作家蕭伯納都說(shuō):“科學(xué)總是從正確走向錯(cuò)誤”，從而實(shí)現(xiàn)“情感態(tài)度與價(jià)值觀”這一目標(biāo)．突出經(jīng)典理論下原子核式結(jié)構(gòu)模型的困惑，由此作為鋪墊引出玻爾理論產(chǎn)生的歷史必然性分析．

(1)是原子核式結(jié)構(gòu)本身存在問(wèn)題?(不是，它有α粒子散射實(shí)驗(yàn)支撐)

(2)是原子穩(wěn)定性和光譜分立性存在了問(wèn)題?(不是，它是客觀存在的事實(shí))

(3)還是經(jīng)典理論在原子領(lǐng)域不適用了?(是的，它是困惑存在的唯一合理解釋．)

(4)新原子理論必須滿足的要求:保留已經(jīng)取得的成功之處，消除困惑之處，能解釋已知的事實(shí)．具體的要求有哪些呢?(保留核式結(jié)構(gòu)、能解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立性、不同于經(jīng)典理論，暫時(shí)應(yīng)表達(dá)成假設(shè))

(5)假如我們就處在盧瑟福建立核式結(jié)構(gòu)的那個(gè)時(shí)代，前一階段學(xué)習(xí)過(guò)程中哪些科學(xué)家不同于經(jīng)典的新觀念可以給我們以啟發(fā)呢?(1900年普朗克把能量子引入物理學(xué)，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成功地解釋了黑體輻射能譜分布規(guī)律．1905年愛(ài)因斯坦提出了光本身由就是一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，建立了光子新概念，成功解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象)

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)設(shè)置對(duì)原子核式模型存在困惑的梯度問(wèn)題分析突顯建立新理論的過(guò)程也就是對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際分析中進(jìn)行去偽存真的過(guò)程，從中得出建立新理論的科學(xué)方法，以此培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的探究過(guò)程觀:提出問(wèn)題—分析論證—實(shí)現(xiàn)“過(guò)程與方法”這一目標(biāo)．

片段二:玻爾原子理論的科學(xué)性探究

(1)軌道量子化與定態(tài)假設(shè)能解決原子核式結(jié)構(gòu)模型存在兩個(gè)困惑中的哪一個(gè)困惑?(原子穩(wěn)定性的困惑)

(2)頻率條件假設(shè)能解決原子核式結(jié)構(gòu)模型存在兩個(gè)困惑中的哪一個(gè)困惑?(原子光譜分立性的困惑)

(3)玻爾理論非常成功地解釋了氫原子的巴耳末系光譜是氫原子從高能級(jí)躍遷到第2能級(jí)產(chǎn)生的，氫原子從高能級(jí)躍遷到第2能級(jí)發(fā)出巴耳末系光．你能想象出原子是否還會(huì)發(fā)出其他系列的光呢?(還可以從高能級(jí)躍遷到第1能級(jí)、第3能級(jí)等能級(jí)產(chǎn)生相應(yīng)系列的光)

教師總結(jié):假若 ×××同學(xué)能夠測(cè)出這些譜線的存在，這個(gè)譜該叫什么名稱呢?我想也應(yīng)該叫×××系譜線．有點(diǎn)遺憾，同學(xué)們生不逢時(shí)，這些氫原子譜線被賴曼(19914年)、帕邢(1908年)、布喇開(kāi)(1922年)、普豐特(1924年)等人發(fā)現(xiàn)(多媒體展示氫原能級(jí)躍遷發(fā)光圖)．我們有與這些大師一樣的想法、一樣的智慧．但為什么發(fā)現(xiàn)它們比巴耳末系譜線遲了好多年呢?通過(guò)計(jì)算知道，這些譜線系都在非可見(jiàn)光區(qū)，不如可見(jiàn)光區(qū)的巴耳末譜線系更容易發(fā)現(xiàn)．

設(shè)計(jì)意圖:新理論的科學(xué)性分析不僅簡(jiǎn)單體現(xiàn)在對(duì)已知現(xiàn)象的正確解釋，更應(yīng)體現(xiàn)在從新理論角度指導(dǎo)探究(后來(lái)被證實(shí)的)未知領(lǐng)域．實(shí)現(xiàn)“知識(shí)與技能”、“過(guò)程與方法”這兩目標(biāo)．

在教學(xué)實(shí)踐中筆者深深地感受到探究式教學(xué)下的物理學(xué)史內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)新課程三維目標(biāo)的絕好教材;它不僅能同時(shí)實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的三維要求，而且能使其融合成一個(gè)完美的整體．

1 張大昌．從物理課程看科學(xué)探究．中學(xué)物理教學(xué)參考，2006

2 苗元秀．課程標(biāo)準(zhǔn)高中物理教科書(人教版)選修3－5編寫思想．中學(xué)物理教學(xué)參考，2007