在高中物理新課程教學中引入近代物理學史的實驗研究

夏良英

（東莞市東莞中學松山湖學校，廣東 東莞 523808）

1 問題的提出

目前，對于粵教版《物理》必修1、必修2及選修3－1、3－2的教材分析已經很多，但是對于選修3－4、3－5教材的分析尚處于起步階段.在3－4、3－5這兩個模塊中的相對論、原子物理、量子力學的內容，與原人教版選修內容相似，但是增加了許多新的知識，在編排上也有新的特色.而目前在中學物理教學中，只是把近代物理當成經典物理來教，忽視了其中蘊涵的思想和精神.最主要的原因是這部分內容在高考中所占的比例不大，教師往往是簡單地介紹一下知識點，學生也只是機械地記憶.

如何有效地對這部分內容的教學進行改革、高效地向學生傳授涉及近代物理學的知識，值得我們去探索與研究，這對于幫助學生學習物理知識與技能，培養(yǎng)其科學探究能力，使他們逐步形成科學態(tài)度與科學精神具有重要的現實意義.

2 高中物理新課程中近代物理學史教學現狀的調查研究

2.1 調查目的

了解學生對近代物理部分內容的理解情況，以及對目前教學方式的認可程度，同時為提出新課程理念下高中近代物理部分研究性教學的策略提供依據.

2.2 調查對象

高中近代物理部分內容是學生在高中二年級下學期學習的，我們選擇了東莞市一重點中學2008級高三學生（110人）為調查對象.

2.3 研究方法

2.3.1 訪談法

為了了解高中生學習量子論和相對論內容時碰到的困難以及困難產生的原因，教師該如何講解這些內容才能促進學生更好的理解等方面，對東莞市該重點中學部分高三學生進行了訪談.

（1）訪談內容.

問：你們認為量子論和相對論的內容與力學和電磁學的內容有什么明顯的不同？

98%的學生都反映，力學和電磁學研究的是宏觀低速的物理世界，而量子論和相對論研究的是微觀高速的物理世界，因而力學和電磁學的內容較貼近人們的日常生活，而量子論和相對論的內容十分抽象，是人們生活中很難見到和感知的；力學和電磁學的很多規(guī)律能夠通過實驗來驗證，而且不少實驗現象容易觀察到，而量子論和相對論內容缺少可以觀察的實驗.

問：你們覺得教師在課堂中引入物理學史內容的機會多嗎？

85%的學生認為，教師在課堂中引入近代物理學史內容的機會不是很多，大部分教師為了講內容而講內容，在講解這一部分內容時相對比較枯燥.

問：你們希望教師怎么樣講解量子論和相對論的內容才能更好地促進你們對內容的理解？

75%的學生認為，教師應該多介紹一些量子論和相對論的發(fā)展史，讓他們對這些知識產生的背景和過程有一個大概的了解，以便提高學習興趣；同時多給他們介紹這些理論知識在實際生活和各個科技領域中的應用實例，讓他們能夠感知、感覺到這些理論知識的有用性、重要性.

問：為了更好地學習量子論和相對論的知識，你們心目中的教材在這部分應該是個什么樣的呢？

68%的學生認為，教材應該安排更多量子論和相對論理論產生的歷史背景和過程，介紹普朗克是怎么樣提出量子論的，愛因斯坦又是如何解釋相對論的，同時能夠給學生呈現出這些知識的發(fā)展脈絡.

（2）分析與討論.

訪談結果顯示，這部分內容因為高考涉及很少，教師不愿意花費時間和精力去查找資料，同時教師對近代物理知識的理解也不透徹；學生提出的問題教師經常講不清楚，因而對這部分內容的學習，感興趣的學生比例不高.另外，教材是學生學習的重要資源，對于量子論和相對論，多數學生反映教材呈現的內容太抽象，缺少可以觀察的實驗，缺少理論應用的實例，內容沒有貼近學生生活，造成學生很難理解這部分學習內容.訪談結果同時也顯示更多的學生希望在這部分內容的教學中應該更多地引入近代物理學史，使他們知道這些知識的來龍去脈，以易于理解.

2.3.2 問卷調查法

（1）問卷的設計.

問卷包括以下幾個維度：對近代物理部分內容的理解、對現有教學方式的評價、對教學方式的期望3個方面（問卷見文末附錄）.如表1所示.

表1 高中近代物理部分教學現狀調查問卷細目表

（2）調查的實施.

2010年9月21日下午對東莞市一中學2008級高三學生進行調查.共發(fā)出問卷110份，收回有效問卷110份.

（3）對問卷結果的統計.

對調查問卷中的16個小題學生回答的每個選項結果進行統計，見表2所示.

表2 學生調查問卷結果數據統計表

（4）分析與討論.

① 對近代物理學史的理解（問題1、2、3、4、5）.

在問題2中，有54.5%的學生想了解光電效應實驗對當時科學研究的意義，31.8%的學生想了解科學家在該實驗研究上曾有過的失敗以及克服困難的方法.

在問題3中，有47.3%的學生想了解普朗克的主要貢獻及其對科學發(fā)展的影響.有32.7%的學生想了解該科學家研究方法的特點和思維特點.

在問題4中，有50.9%的學生認為在近代物理部分教學中引入一些歷史知識可以增強學習物理的興趣.有31.89%的學生認為有助于理解、掌握物理概念和定律.

從以上數據顯示，更多的學生希望在這部分內容的教學中更多地引入近代物理學史實，使他們能知道這些知識的來龍去脈，更易于理解.

在教學中發(fā)現，高中生對近代物理部分知識的理解存在著不少偏差，這反映了高中物理教學以高考為綱的現狀，高考考什么，教師教什么，不考的就不教，以致學生對近代物理部分知識的印象只有幾個條條框框，并沒有對其形成深入、基本、準確的認識.

② 對現有教學方式的評價（問題6、7、8、9）.

在問題6中，對講授概念為主的課堂教學，有48.2%的學生不喜歡，理由是沒有學生自己的思考，也有35.5%的學生喜歡這種課型，認為可以在較短時間內學到更多的知識，有16.4%的學生對此的態(tài)度為無所謂.

由這組數據可以看出，有一半的學生對自己的學習能力有較高的要求，他們不僅要求能學到知識，還希望能學會自己進行思考.然而多年的應試教育的影響還是根深蒂固的，仍有一部分的學生滿足于接受式的教學，滿足于知識點的學習，而對于學習能力的提高則意識不強和要求不高，這也與我們教師的教學理念有關.

在問題7中，有29.1%的學生說教師對涉及物理學史和科學家探究精神的內容從來不講，可見我們的教師在教學過程中很注重“實效”.這種注重“實效”的教學顯然是不得學生之心的.要知道有關物理學史和科學家探究精神的內容是不可多得的對學生進行人文教育、思想教育和科學品質教育的好素材.

③ 對教學方式的期望（問題10、11、12、13、14、15、16）.

在問題10～16中，有81.8%的學生希望物理課上多講與科技、生活有關、有用的內容.在講課形式中，45.5%的學生希望在教師的指導下，循著歷史發(fā)展的過程，探究人類對原子結構的認識歷程，但仍有超過一半的學生希望多講要考的、對解題有幫助的內容.

可見，學生有較強烈的自主學習、通過物理課程的學習獲得學習能力、情感體驗和思維訓練等方面的愿望.但由于應試教育的影響，也有部分教師在課堂教學中仍扮演“演講者”的角色，沒有突出學生的主體性.

3 高中物理教學中引入近代物理學史的實踐研究

3.1 實驗設計

本實驗采用等組實驗設計，自變量是在高中物理新課程教學中引入近代物理學史，因變量是學生的學業(yè)成績有所提高.

3.2 被試選擇

被試選自東莞市一重點中學2008級高二（11）、（12）班的學生，兩班是由同一教師所教的兩個平行班.這兩平行班上學期末的成績相當，男女生比例大致相同.其中，確定（11）班為實驗班，（12）班為控制班，并以上學期期末考試成績將兩班分為高、中、低3個組（高、中、低分組的標準是：前25%為高分組，后25%為低分組，其余為中分組）.

3.3 主試

筆者（中學高級教師，有16年教齡）.

3.4 試驗材料

3.4.1 前測

以高二上學期期末考試成績作為前測成績.

3.4.2 自編實驗教案

3.4.3 后測

以高二下學期期末考試成績作為后測成績.

3.5 實驗方法

實驗班：根據實驗教材（教案）進行教學.

控制班：按現行教材，用傳統方法進行教學.

3.6 實驗程序

實驗班與控制班的教學比較，用下學期期末考試為后測進行比較.

3.7 實驗結果及其分析

3.7.1 實驗班與控制班前測成績比較

（1）實驗班與控制班前測成績差異比較，見表3所示.

表3

表3表明，實驗班與對照的比較，前測成績差異不顯著.

（2）實驗班與控制班前測成績分層比較，見表4所示.

表4

表4表明，實驗班與控制班優(yōu)、中、差生前測成績差異均不顯著，這就保證了參與實驗的兩個班起點的一致性.

3.7.2 實驗班與控制班后測成績比較

（1）實驗班與控制班后測成績比較，見表5所示.

表5

表5表明，實驗班與控制班學生的平均成績有較大的差別，從兩班的標準差來看，實驗班的離散度小于控制班，這說明經過一學期的教學實踐過程，引入物理學史的教學在實驗班學生中產生了較好的效果，而傳統的教學已使控制班學生的成績出現了分化情況.

（2）實驗班與控制班后測成績分層比較，見表6所示.

表6

表6表明，實驗班和控制班的中分組和低分組后測成績差異顯著，這說明引入物理學史的教學效果顯著，但高分組的差異不顯著.

3.8 討論

在本次教學實驗中，實驗班與控制班期末成績有明顯差異，說明在高中物理教學中引入物理學史對提高學生物理學習成績有顯著的效果.實驗班與控制班高分組前測、后測均無顯著差異.因為優(yōu)生在平時的學習中已積累、摸索了出一套適合自己的學習策略和學習方法，學生的自學能力與解決問題的能力等方面都比較強，加之優(yōu)生的前測成績已達到一定的高度，若要使其成績顯著再上升有一定的難度，所以實驗效果不明顯，這就是兩班高分組差異不明顯的原因.

實驗班與控制班的中分組、低分組差異顯著，說明實驗班的中等生、差生是本次教學實驗的最大受益者.中、差學生由于學習方法不當等多方面原因造成物理學習成績不理想，進而導致自信心和學習興趣的下降.通過一學期的引入物理學史的教學，首先消除了學生對物理學習的畏懼感和對物理學家的神秘感.一位進步顯著的學生與筆者交談時說：“以前認為物理知識太難，只有那些物理學家們才能搞懂.現在才明白原來物理學家也是由開始的不懂，逐步摸索、研究，經歷了無數次的失敗才獲得了成功.由此，增強了我的自信心和學習興趣.”中、差學生通過物理學史的學習，加深了對物理概念和物理規(guī)律的理解，增強了學習物理的自信心和興趣，逐步掌握了學習物理的方法，他們學習成績的明顯提高也就是水到渠成的事情.

學生成績提高的因素有很多，一次的教學改進，并不能充分說明什么，筆者又繼續(xù)在2009級高二兩個班做了一次教學實驗研究，得到了同樣的上述結果，這充分證明了在物理教學中引入物理學史對提高學生物理學習成績確有顯著效果.

4 結論與展望

近代物理學史及其相關內容在高中物理教學中起著非常重要的作用.它們可以加深學生對基本概念和基本規(guī)律的理解，認識和掌握物理問題研究和探索的方法，激發(fā)學生的興趣和求知欲.在高中物理新課程教學中引入近代物理學史的教學，應以課堂滲透的教學方式為主，專題講座方式為輔，同時要結合學生自主參與的學習方式.

課堂滲透方式就是教師結合物理學基礎知識、基本技能的教學，逐步開展物理學史的教育.教師在教學中對一些物理學史的相關內容應見縫插針、隨時滲透，讓學生在潛移默化之中受到教育，起到“潤物細無聲”的效果.這種方式的優(yōu)點是不需要增加課時，并且可以不增加學生課業(yè)負擔而開展有效的、生動活潑的教學.具體操作程序是：了解和學習相關的物理學發(fā)展的內容——對相關內容進行篩選——將歷史內容與相關教學內容進行整合——在課堂傳授知識時滲透物理學史的教育.

本教學實驗研究，對筆者來說是一次挑戰(zhàn).在做實踐研究的過程中，筆者對高中物理教學中涉及到的近代物理學史內容做了系統的學習，對高中物理教學引入物理學史的方式作了初步的探索研究，哪些物理學史內容采用課堂滲透，哪些方面該進行專題講座，哪些地方需增加有關內容，如何引入物理學史會有更好的效果等，做了較為系統的思考，對物理學史的無窮魅力有了更深的感悟，對物理學史教育的重要性有了進一步的認識，從中對新的課程計劃也有了進一步的理解.

1 劉湘敏，張軍朋.國外對中學量子力學教學的研究及啟示.中學物理教學參考，2006（5）.

2 王春鳳，郭玉英.中學物理教師量子概念的調查.物理教師，2005（5）.

3 尹弘庵，李子建.再論課程實施取向.高等教育研究，2005（1）.

4 馮憑.談物理學史在教學中的運用.沈陽師范學院學報，1999（1）.

5 申先甲等.談談物理學史在素質教育中的作用.大學物理，2000（11）.