巧用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)背景知識(shí)提高科學(xué)素養(yǎng)お

王易

物理學(xué)有她的結(jié)果，也有她的過程.她的結(jié)果表現(xiàn)為知識(shí)的傳授，她的過程則蘊(yùn)含著智慧.物理教學(xué)中我們往往注重知識(shí)的教育，而忽略了物理學(xué)史帶給學(xué)生的啟迪.物理學(xué)家錢三強(qiáng)曾經(jīng)說過：“在物理教學(xué)中適當(dāng)增加一點(diǎn)物理學(xué)史的內(nèi)容，或者在教學(xué)計(jì)劃中增加一門物理學(xué)史選修課，讓學(xué)生更多了解科學(xué)發(fā)展歷程，這對(duì)他們的成長(zhǎng)將會(huì)是有益的.”教師要善于用邏輯的方法在物理的教學(xué)中穿插物理學(xué)史的講授，把物理知識(shí)的獲得作為一個(gè)激動(dòng)人心的奇遇記來講述.

1小背景，大作用

如果要評(píng)選物理學(xué)發(fā)展史上最偉大的那些年代，那么有兩個(gè)時(shí)期一定會(huì)入選的：17世紀(jì)末和20世紀(jì)初.前者以牛頓《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的出版為標(biāo)志，宣告了近代經(jīng)典物理學(xué)的正式創(chuàng)立；而后者則為我們帶來了相對(duì)論和量子論，并徹底地推翻和重建了整個(gè)物理學(xué)體系.所不同的是，今天當(dāng)我們?cè)俅握務(wù)撈鹋ｎD的時(shí)代，心中更多的已經(jīng)只是對(duì)那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對(duì)論和量子論至今仍然深深地影響和困擾著我們，就像兩個(gè)青澀的橄欖，咀嚼得越久，反而更加滋味無窮.中學(xué)物理中有關(guān)量子物理方面的介紹比較簡(jiǎn)單，尤其是量子的發(fā)展過程，每一個(gè)理論出現(xiàn)的背景知識(shí)的介紹更是少之又少.正是這些背景知識(shí)可以讓學(xué)生身臨其境的感受到物理學(xué)家們?cè)诹孔游锢硎澜缣剿鬟^程中的歡樂、驚奇、困惑，使得量子物理更加有魅力，改變著人們的世界觀.所以，物理學(xué)史并不是教學(xué)中可有可無的“點(diǎn)綴”，單純的給學(xué)生講故事，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，更多的是可以潛移默化的感染和影響學(xué)生.

2巧用背景知識(shí)，增強(qiáng)科學(xué)探索精神

課本上的內(nèi)容往往是側(cè)重于知識(shí)的講解，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，更多的是掌握某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，會(huì)用這個(gè)知識(shí)去解決題目，提高成績(jī).常常忽略了這個(gè)規(guī)律的誕生，有時(shí)也是科學(xué)家們經(jīng)歷了忐忑和糾結(jié)之后的結(jié)果.跳過這樣的背景的介紹，物理知識(shí)就只能是一個(gè)冰涼的知識(shí)點(diǎn)，并引起學(xué)生內(nèi)心情感的漣漪.

例如，在人教版選修3-5，17.1節(jié)的內(nèi)容其實(shí)正是量子力學(xué)誕生的過程，如果在教學(xué)過程中只是單獨(dú)的講解這一節(jié)書本上的內(nèi)容，往往會(huì)讓學(xué)生不知所云，經(jīng)典力學(xué)是如何過渡到量子物理的，那個(gè)年代里到底發(fā)生了些什么.因而在講解這部分的內(nèi)容之前，教師可以補(bǔ)充一些背景知識(shí)，讓學(xué)生置身于當(dāng)時(shí)的環(huán)境中.

在19世紀(jì)末，物理學(xué)家中普遍存在一種樂觀的情緒，認(rèn)為對(duì)復(fù)雜繽紛的物理世界現(xiàn)象的本質(zhì)已經(jīng)完成，物理學(xué)征服了世界，它的力量控制著一切人們所知的現(xiàn)象.他們陶醉于17世紀(jì)建立起來的力學(xué)體系，19世紀(jì)建立起來的電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理，形成了物理世界的三大支柱，它們緊緊結(jié)合在一塊兒，是經(jīng)典物理的黃金時(shí)代.一位著名的科學(xué)家說：“物理學(xué)的未來，將只有在小數(shù)點(diǎn)第六位后面去尋找.”

在經(jīng)典物理還沒有來得及多多體味一下自己的盛世之前，一連串意想不到的事情在19世紀(jì)的最后幾年連續(xù)發(fā)生了，仿佛是一個(gè)不祥的預(yù)兆.1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾元素的放射現(xiàn)象；1897年，居里夫婦研究了放射性，并發(fā)現(xiàn)了更多的放射性元素；1897年，J·J·湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子；1899年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了元素的嬗變現(xiàn)象.如此多的新發(fā)現(xiàn)接連涌現(xiàn)，令人一時(shí)眼花繚亂.每一個(gè)人都開始感覺到了一種不安，似乎有什么重大的事件即將發(fā)生.20世紀(jì)伊始，開爾文就指出：“經(jīng)典力學(xué)上空懸浮著兩朵烏云，第一朵是指邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)令人驚奇的結(jié)果，第二朵則是人們?cè)诤隗w輻射的研究[JP3]中所遇到的困難.”本章的內(nèi)容都要從令人困惑的“黑體”開始.[JP]

渲染這樣的背景知識(shí)，可以讓學(xué)生走進(jìn)19世紀(jì)末20世紀(jì)初那個(gè)年代，變成科學(xué)發(fā)展過程中的一員，體會(huì)到當(dāng)時(shí)物理世界的輝煌.學(xué)生可以更急于理解普朗克提出能量量子化的概念時(shí)的不安，他將舊的體系打破，侵犯了牛頓創(chuàng)立的如同圣經(jīng)般的物理世界.教師補(bǔ)充這部分的知識(shí)，讓學(xué)生了解科學(xué)知識(shí)是在不斷發(fā)展的，沒有一成不變的定理，質(zhì)疑和創(chuàng)新精神是科學(xué)探索道路中必不可少的精神.

3巧用背景知識(shí)，增強(qiáng)科學(xué)探索信心

科學(xué)的發(fā)展是長(zhǎng)期而又是曲折的，一個(gè)理論的成立要經(jīng)歷幾代人，甚至是經(jīng)歷上百年的磨練和推敲.科學(xué)的過程不是一帆風(fēng)順的，更何況是現(xiàn)在遇到的困難.所以教師在教學(xué)過程中引入這樣的背景知識(shí)，可以幫助學(xué)生樹立面對(duì)困難、質(zhì)疑時(shí)對(duì)于自己的信心.

例如，在人教版物理選修3-5，17.2節(jié)從光電效應(yīng)介紹了光的粒子性特征，但是學(xué)生并不能理解這是一個(gè)漫長(zhǎng)而又曲折的探索過程，課本中對(duì)于這一過程只是一筆帶過.所以教師在講授這節(jié)內(nèi)容之前適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充歷史上的“波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”還是有必要的.

古希臘時(shí)代的人們總是傾向于把光看成是一種非常小的粒子流.這種觀點(diǎn)十分符合當(dāng)時(shí)流行的元素說，并且這種“微粒說”從直觀上看來是很有道理的，首先它解釋了為什么光總是沿著直線傳播，但是也有一些困難：比如人們當(dāng)時(shí)很難說清為什么兩道光束相互碰撞的時(shí)候不會(huì)互相彈開，等等的問題.中世紀(jì)過后，人們對(duì)于自然界有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，波動(dòng)說認(rèn)為，光不是粒子而是由于介質(zhì)振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波，這樣就可以解釋投影里的明暗條紋了，但是這種說法也是有困難的，光的傳播似乎不需要介質(zhì)，跟一般的波又不太一樣.這是最早的有關(guān)光的本質(zhì)的理解.

歷史上“第一次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”爆發(fā)的導(dǎo)火線是波義耳提出的關(guān)于顏色的爭(zhēng)論，胡克研究了這個(gè)問題，提出光是一種脈沖，支持了波動(dòng)說的理論.1672年，29歲的牛頓做了著名的色散實(shí)驗(yàn)，他將光的復(fù)合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開，站在了粒子說的行列.由于牛頓的學(xué)術(shù)權(quán)威，微粒與波動(dòng)的第一次交鋒中，以牛頓為首的微粒說獲得了在物理界公認(rèn)的地位.

托馬斯·楊用波動(dòng)的理論解釋了牛頓環(huán)的明暗條紋的現(xiàn)象，1807年在他出版的《自然哲學(xué)講義》中描述了他的著名的實(shí)驗(yàn)：光的雙縫干涉.點(diǎn)燃了物理史上的“第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”.此次戰(zhàn)爭(zhēng)的決定性時(shí)刻是法國(guó)的一位年輕的工程師-菲涅耳用波動(dòng)的觀點(diǎn)和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)解釋的光的衍射和泊松亮斑.這次戰(zhàn)爭(zhēng)中波動(dòng)說站上了統(tǒng)治地位.

光電效應(yīng)引發(fā)了“第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”，這次導(dǎo)致了最終的波粒二象性.

在光電效應(yīng)之前，講解這樣的一段歷史，學(xué)生身臨在這三次戰(zhàn)爭(zhēng)中，歷史人物和歷史事件都活生生的在面前重現(xiàn)，學(xué)生會(huì)捫心自問，大科學(xué)家們都會(huì)受到質(zhì)疑，如果是自己遇到了這樣的質(zhì)疑，遇到了與自己對(duì)立面的沖擊，我會(huì)怎么辦？補(bǔ)充這樣的知識(shí)，學(xué)生會(huì)更加有自信，在科學(xué)探索的道路上敢于面對(duì)失敗，視壓力為挑戰(zhàn)，勇于探索創(chuàng)新.

在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充一些背景知識(shí)，學(xué)生會(huì)感受到科學(xué)史上的很多重大的發(fā)明并不是高不可攀，一帆風(fēng)順的.