應(yīng)用物理學(xué)史進(jìn)行探究性教學(xué)的實(shí)踐研究

張展敏

物理學(xué)史集中體現(xiàn)了人類追求、探索和逐步認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律的歷程，它包含著認(rèn)識(shí)論和方法論，包含著探索者的艱辛與歡喜，包含著無(wú)數(shù)物理學(xué)家洞察世事的傳奇經(jīng)歷，又體現(xiàn)著認(rèn)識(shí)過(guò)程中的理論與實(shí)踐、繼承與突破、理性與非理性的辯證統(tǒng)一，因此蘊(yùn)含著豐富的教育因素。但由于應(yīng)試教育和對(duì)探究性教學(xué)理解的偏差等因素的影響，實(shí)際教學(xué)中并沒(méi)有充分挖掘和利用這些因素。本文根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，試圖對(duì)當(dāng)前高中物理課堂教學(xué)中應(yīng)用物理學(xué)史進(jìn)行探究性教學(xué)存在的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析探討，以期拋磚引玉。

一、 運(yùn)用物理學(xué)史進(jìn)行探究性教學(xué)存在的問(wèn)題

第一，探究的機(jī)械化。探究式教學(xué)是在教師的啟發(fā)誘導(dǎo)下，以學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)和合作討論為前提，以現(xiàn)行教材為基本探究?jī)?nèi)容，以學(xué)生周圍世界和生活實(shí)際為參照對(duì)象，為學(xué)生提供自由表達(dá)、質(zhì)疑、探究、討論問(wèn)題的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生通過(guò)個(gè)人、小組、集體等多種解難釋疑活動(dòng)，將自己所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題的一種教學(xué)形式?？茖W(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。不少教師以為這就是探究性教學(xué)的環(huán)節(jié)，可以不考慮教學(xué)內(nèi)容的特殊性，不考慮學(xué)生的認(rèn)知水平、知識(shí)基礎(chǔ)、性格特征等因素，按照上述順序進(jìn)行就可以了。但這不符合探究性教學(xué)的旨意，因?yàn)椤耙亍辈坏扔凇碍h(huán)節(jié)”。很多教師認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，課堂上沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，就不是真正意義上的探究性教學(xué)，而物理學(xué)家們所做的很多實(shí)驗(yàn)沒(méi)法在課堂上實(shí)現(xiàn)，所以物理學(xué)史的探究式教學(xué)是無(wú)法進(jìn)行的。筆者認(rèn)為，探究的魂是獨(dú)立思考，探究實(shí)踐，只要能體現(xiàn)探究精神，哪怕只有一個(gè)要素，也屬于探究性教學(xué)，因?yàn)樗岣吡藢W(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。例如氫原子模型的教學(xué)，課堂上不可能讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但可以讓學(xué)生回到波爾時(shí)代，了解時(shí)代背景材料，即湯姆生的“棗糕式”模型和盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，以及當(dāng)時(shí)的困惑，即氫原子的光譜問(wèn)題和原子內(nèi)電子繞核運(yùn)動(dòng)經(jīng)典解析遇到的矛盾，提出科學(xué)猜想，然后分析論證，提出合理模型，進(jìn)行科學(xué)解析，這一過(guò)程其實(shí)就是很好的探究過(guò)程。

第二，重證實(shí)輕證偽。從科學(xué)發(fā)展歷程來(lái)看，證實(shí)和證偽是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的兩種方法。教材呈現(xiàn)給學(xué)生的是嚴(yán)謹(jǐn)無(wú)誤的定理定律，因此在教學(xué)過(guò)程中，教師往往以其學(xué)業(yè)在先、學(xué)術(shù)專攻的優(yōu)勢(shì)，很快踢除那些他們認(rèn)為是完全錯(cuò)誤的假設(shè)，讓猜想得到證實(shí)。但是科學(xué)的歷程本身就充滿著失敗和曲折，科學(xué)家們也會(huì)犯很幼稚的錯(cuò)誤，因而在探究教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該適當(dāng)選取學(xué)生錯(cuò)誤的猜想，逐步推理排除錯(cuò)誤，這樣既能起到糾正錯(cuò)誤的目的，又能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究并不是一帆風(fēng)順的。

二、 運(yùn)用物理學(xué)史進(jìn)行探究性教學(xué)的實(shí)踐

根據(jù)高中物理學(xué)史特點(diǎn)、學(xué)生心理特點(diǎn)以及科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論，可以把物理學(xué)史探究式課堂分為：實(shí)驗(yàn)探究模式，即提出問(wèn)題——猜想——實(shí)驗(yàn)——論證；理論探究模式，即提出問(wèn)題——理論探究（建立假說(shuō)）——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)探究模式主要是把物理學(xué)家曾經(jīng)做過(guò)的實(shí)驗(yàn)引入課堂，如落體速度的變化、電磁感應(yīng)定律等。實(shí)際教學(xué)中，這種模式應(yīng)用得較多。有不少的定理定律沒(méi)辦法用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，如萬(wàn)有引力定律、波爾理論等，對(duì)于這些內(nèi)容，如何進(jìn)行探究性教學(xué)呢？筆者嘗試應(yīng)用理論探究模式進(jìn)行教學(xué)，收到了意想不到的效果。

以下是萬(wàn)有引力定律探究式教學(xué)的設(shè)計(jì)和分析（本課例參加全區(qū)錄像課比賽獲一等獎(jiǎng)）。

對(duì)于萬(wàn)有引力定律教學(xué)，由于學(xué)生不易猜想到物體之間的引力與距離成平方反比關(guān)系，更無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，如果根據(jù)常用的實(shí)驗(yàn)探究模式進(jìn)行，教學(xué)將無(wú)法進(jìn)行。我們不妨帶領(lǐng)學(xué)生回到牛頓時(shí)代，了解時(shí)代背景知識(shí)，進(jìn)行理論探究，讓學(xué)生自己推導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律。

問(wèn)題一：時(shí)光倒流到公元1670年，最近牛頓很煩，蘋果受地球引力作用而下落，月球也應(yīng)該受地球的引力作用，但為什么不會(huì)掉下呢？為了研究這些問(wèn)題，牛頓查找了相關(guān)的資料。

資料一：德國(guó)天文學(xué)家開普勒對(duì)弟谷的天文觀察資料進(jìn)行研究，在1609年和1619年分別總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)的三大定律——軌道定律、面積定律和周期定律，即：所有行星分別是在大小不同的橢圓軌道上運(yùn)行；在同樣的時(shí)間里行星向徑在軌道平面上所掃過(guò)的面積相等；行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽(yáng)距離的立方成正比。

資料二：意大利科學(xué)家伽利略在1638年出版的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中，根據(jù)斜面實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：“一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，假如有了某種速度以后，只要沒(méi)有增加或減小速度的外部原因，便會(huì)始終保持這種速度。”

資料三：荷蘭科學(xué)家惠更斯在1658年出版的《擺鐘論》提出，一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體具有飛離中心的傾向，它向中心施加的向心力與速度的平方成正比，與運(yùn)動(dòng)半徑成反比。

資料四：牛頓自己已經(jīng)利用數(shù)學(xué)知識(shí)證明天體中橢圓運(yùn)動(dòng)周期與其半長(zhǎng)軸為半徑的圓的周期相同，并提出了牛頓第三定律。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)前期對(duì)運(yùn)動(dòng)知識(shí)的介紹，讓學(xué)生如親臨奇境一樣，感受人類對(duì)運(yùn)動(dòng)研究有多么的困難，深刻體驗(yàn)牛頓的至理名言——如果說(shuō)我看得比別人更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏?。這一教學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了“情感態(tài)度和價(jià)值觀”的目標(biāo)，也為后階段的科學(xué)探究作好知識(shí)儲(chǔ)備，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究過(guò)程中查找資料的重要性，實(shí)現(xiàn)“過(guò)程與方法”的教學(xué)目標(biāo)。

在誤差范圍內(nèi)這兩種方法求得的向心加速度相同。

設(shè)計(jì)意圖：當(dāng)學(xué)生通過(guò)兩種不同的方法得出相同的月球繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度時(shí)，興奮不已，體驗(yàn)到了邏輯思維的魅力，學(xué)生親身經(jīng)歷了科學(xué)探究的提出問(wèn)題、理論探究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，在學(xué)到知識(shí)的同時(shí)，掌握了獲取知識(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了“知識(shí)與技能，過(guò)程與方法”的教學(xué)目標(biāo)。

綜上所述，物理學(xué)的發(fā)展規(guī)律與人的認(rèn)知規(guī)律具有一致性，人類的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程也是學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)過(guò)程，物理學(xué)史上最糾纏不清的問(wèn)題往往就是學(xué)生難以理解的困惑之處，物理學(xué)史可以為教師把握好學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律提供很好的借鑒作用。著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)指出：物理學(xué)史是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的寶地，這塊寶地值得我們?nèi)ラ_墾，這些精神財(cái)富值得我們?nèi)グl(fā)掘。應(yīng)用理論探究模式把物理學(xué)史融入探究性課堂上，是實(shí)現(xiàn)新課程三維目標(biāo)的有效方法，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)有積極作用。

（責(zé)任編輯易志毅）