從物理學(xué)史的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

蔣靜芳

(合肥市第三十二中學(xué) 安徽合肥 230001)

物理學(xué)史是物理學(xué)發(fā)展的歷史。在中學(xué)物理教學(xué)中，物理學(xué)史占有很重要的地位，學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過程也是了解物理學(xué)史的過程。

合肥市2019年高二物理統(tǒng)考中有一題就考查了學(xué)生對(duì)于物理學(xué)史的認(rèn)識(shí)：

有關(guān)物理學(xué)史，以下說法正確的是( )。

A.伽利略首創(chuàng)了將實(shí)驗(yàn)和邏輯推理相結(jié)合的物理學(xué)研究方法；

B.卡文迪許通過庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)總結(jié)出點(diǎn)電荷間相互作用的規(guī)律；

C.法拉第不僅發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，而且還總結(jié)出電磁感應(yīng)規(guī)律；

D.開普勒在天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律并發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。

在參加考試的12163人中只有6625人選擇了正確答案A，有1633人選B，3497人選C，392人選D。這說明學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過程中對(duì)基本物理學(xué)史的認(rèn)識(shí)是模糊的。新修訂的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念之一，就是物理教學(xué)要體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)現(xiàn)代公民必備的核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面提煉學(xué)科育人價(jià)值，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)。我從事了幾十年的中學(xué)物理教學(xué)工作，認(rèn)真反思一下，認(rèn)為學(xué)習(xí)物理知識(shí)對(duì)我們更重要的是，要建立科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)探究的態(tài)度和責(zé)任感。我認(rèn)為在高中物理教學(xué)中，介紹物理學(xué)史，能夠體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)有獨(dú)特作用。

一、學(xué)習(xí)物理學(xué)史是建立物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維的過程

物理學(xué)不僅以其物理概念、物理規(guī)律揭示了自然界基本運(yùn)動(dòng)的諸多真理，還在建立物理知識(shí)體系的過程中發(fā)展了科學(xué)思想方法和研究方法，推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步。物理學(xué)的建立和發(fā)展，是伴隨物理觀念建立的過程，也是科學(xué)思維發(fā)展的過程。物理知識(shí)、物理觀念、科學(xué)思維對(duì)人類活動(dòng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是人類文化的重要組成部分。一代又一代的科學(xué)家為物理學(xué)的建立和發(fā)展做出了不懈的努力，物理學(xué)大廈的建立也是物理學(xué)家從事艱苦科學(xué)探究的成果。物理學(xué)的每一次重大成就，都改變了人們的自然觀和世界觀，成為人類思想和觀念進(jìn)步的階梯。高中物理教材中提到了許多對(duì)物理學(xué)有突出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家，著名的有牛頓、法拉第、伽利略、胡克、焦耳、安培、歐姆、庫(kù)侖、愛因斯坦、普朗克、湯姆孫、盧瑟福、麥克斯韋、赫茲等。如果說學(xué)習(xí)、理解、應(yīng)用物理知識(shí)的過程就是建立物理觀念、培養(yǎng)科學(xué)思維的重要過程，那么重現(xiàn)物理學(xué)家對(duì)物理問題的研究歷史，就是建立物理觀念,吸收、滲透科學(xué)思維的過程。我們要知道物理學(xué)家對(duì)應(yīng)的物理事件，知道他們?cè)谔幚碇卮笪锢硎录^程中是怎樣思考、探索問題的，了解他們的思想、處理問題的方式方法，這些是解大量習(xí)題不能替代的。例如，高中開始學(xué)習(xí)的力學(xué)知識(shí)，與人們的生活聯(lián)系密切。日常生活中的一些經(jīng)驗(yàn)會(huì)對(duì)正確的力學(xué)概念的建立產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，造成了力學(xué)難學(xué)的假象。如果我們花一點(diǎn)時(shí)間介紹力學(xué)的發(fā)展史，讓學(xué)生了解到，人們研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系經(jīng)歷了兩千多年，經(jīng)過復(fù)雜的提煉、簡(jiǎn)化、復(fù)現(xiàn)、抽象等實(shí)驗(yàn)和理論研究，最終從生產(chǎn)和生活現(xiàn)象中抽象出力學(xué)概念和規(guī)律。古希臘的亞里士多德對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí)和闡述統(tǒng)治了人類認(rèn)知世界兩千多年，直到伽利略開始定量研究落體運(yùn)動(dòng)、斜面實(shí)驗(yàn)，人們才對(duì)力與運(yùn)動(dòng)有了科學(xué)的認(rèn)識(shí)。伽利略在研究過程中創(chuàng)造性地把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理結(jié)合在一起，通過對(duì)現(xiàn)象的一般觀察，先提出假設(shè)，再運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯進(jìn)行推理，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后形成理論，這樣就構(gòu)成了一整套的科學(xué)研究方法。伽利略開創(chuàng)了物理學(xué)科學(xué)研究方法。從伽利略推證落體定律再到牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立的物理學(xué)發(fā)展過程中，這些科學(xué)先驅(qū)的最大功績(jī)，就是把科學(xué)觀念、科學(xué)思維和科學(xué)研究緊密地結(jié)合到一起，為力學(xué)的發(fā)展找到了一條正確的道路。

必修一第二章第六節(jié)介紹了伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，展現(xiàn)了他研究的過程和方法。必修二第六章萬有引力展現(xiàn)了萬有引力發(fā)現(xiàn)的科學(xué)過程，體現(xiàn)了哥白尼、第谷、開普勒、牛頓等科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)萬有引力過程中的作用，表明了他們的科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)精神。教材的編寫要求我們一線教師要認(rèn)真學(xué)習(xí)并傳授物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

二、學(xué)習(xí)物理學(xué)史是體驗(yàn)物理探究，樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的過程

科學(xué)探究過程是艱苦的，開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的建立過程，行星運(yùn)動(dòng)模型的建立、修正與發(fā)展的歷史正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。丹麥天文學(xué)家第谷從1576年開始進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20余年對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)和記錄。1600年2月3日，29歲的德國(guó)青年開普勒受邀來到第谷身邊擔(dān)任助手，直到1601年10月24日第谷去世，開普勒遵照第谷的遺囑對(duì)他多年積累的天文觀測(cè)資料繼續(xù)潛心研究十幾年。他非常珍惜第谷經(jīng)過辛勤觀測(cè)獲得的寶貴資料，雖然當(dāng)時(shí)的宇宙模型不能解釋第谷實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果，但他堅(jiān)信第谷的測(cè)量工作是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。他利用了第谷的可靠?shù)據(jù)首先證明了日心說的正確性，接著應(yīng)用第谷觀測(cè)的火星數(shù)據(jù)，集中精力研究火星的運(yùn)動(dòng)軌道，他作了七十余次的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)如果火星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道是圓形的即勻速圓周運(yùn)動(dòng)，計(jì)算的結(jié)果與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)有至少8′的角度偏差。他堅(jiān)信，第一，天體的運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，而且這些規(guī)律必定具有普遍性；第二，第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)是精確的、可信的。但為什么會(huì)出現(xiàn)8′的角度偏差呢？他第一次大膽地對(duì)人們長(zhǎng)期以來視為真理的觀念——“天體在做完美的勻速圓周運(yùn)動(dòng)”表示懷疑，他放棄了圓形軌道，嘗試其他軌道，最終證明了火星是沿圍繞著太陽(yáng)的橢圓軌道運(yùn)行，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這就是開普勒第一定律。他把幾千個(gè)枯燥單調(diào)煩瑣的數(shù)據(jù)歸納成簡(jiǎn)潔的幾句話，于1609年在《新天文學(xué)》一書中公布了開普勒第一定律、第二定律。開普勒繼續(xù)利用第谷觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行深入的研究，本著宇宙應(yīng)該是和諧的整體這一信念，利用各種方法探索各行星的公轉(zhuǎn)周期與它們的離太陽(yáng)的平均距離的關(guān)系，又經(jīng)歷九年的潛心研究，1618年發(fā)表了開普勒第三定律。

400年前的開普勒敢于擔(dān)當(dāng)，有責(zé)任心，敢于探索的科學(xué)精神，正是當(dāng)今學(xué)生學(xué)習(xí)的典范。學(xué)習(xí)開普勒的研究史，能夠培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、尊重客觀事實(shí)，不迷信權(quán)威、敢于堅(jiān)持真理和勇于探究科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

出生于1791年的英國(guó)科學(xué)家法拉第是物理學(xué)史上杰出的物理學(xué)家，他對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象、光磁效應(yīng)、電解定律和物質(zhì)的抗磁性，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上創(chuàng)建了力線的思想和場(chǎng)的概念，為麥克斯韋電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。法拉第僅僅研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象就花費(fèi)了十年的時(shí)間，從1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)開始，受電生磁的啟發(fā)，他就堅(jiān)信磁一定能生電。在長(zhǎng)達(dá)約十年的潛心實(shí)驗(yàn)研究中，開展了大量的實(shí)驗(yàn)，再三思考、總結(jié)和改進(jìn)，終于在1831年8月29日在實(shí)驗(yàn)中看到了磁生電現(xiàn)象，有了突破性的發(fā)現(xiàn)。他繼續(xù)做各種實(shí)驗(yàn)，找磁生電的共性，在1831年11月24日向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五類情況，以文字形式定性地表述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1845年德國(guó)物理學(xué)家紐曼從理論上導(dǎo)出電磁感應(yīng)定律的定量表達(dá)式。

理論總是建立在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)、電磁感應(yīng)定律建立的過程是物理學(xué)史重要的一部分。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，要通過體驗(yàn)物理探究的過程，從電磁互轉(zhuǎn)中領(lǐng)悟科學(xué)思維，了解科學(xué)探索的艱難，樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任心。

三、學(xué)習(xí)物理學(xué)史是引導(dǎo)學(xué)生積極思考，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，實(shí)踐能力的過程

近代物理伴隨著大量的物理實(shí)驗(yàn)以及新發(fā)現(xiàn)，例如湯姆孫對(duì)陰極射線的研究方法，就是利用學(xué)生學(xué)習(xí)過的電磁學(xué)知識(shí)解決問題的典范。從1890年開始，湯姆孫就帶領(lǐng)自己的學(xué)生研究陰極射線，他們根據(jù)放電管中陰極射線在電磁場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡確定陰極射線中粒子帶負(fù)電，并測(cè)出其荷質(zhì)比。湯姆孫于1897年4月30日?qǐng)?bào)告了電子的發(fā)現(xiàn)，證明電子是普遍存在的，進(jìn)而提出了原子的棗糕式模型。湯姆孫的學(xué)生盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子棗糕式模型有缺陷，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。玻爾為了解釋氫原子光譜，又提出了原子的量子結(jié)構(gòu)模型。

物理學(xué)發(fā)展史展現(xiàn)的過程，就是物理學(xué)家遇到問題積極思考、創(chuàng)新思維，通過科學(xué)的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、解決問題、科學(xué)探究的過程。學(xué)生通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史，可以培養(yǎng)建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力，從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然、理解自然，建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景；學(xué)會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，對(duì)學(xué)生有潛移默化的作用。

四、怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)史

物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，雖然不是物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，但應(yīng)該是學(xué)生物理學(xué)習(xí)的一部分。過去我們認(rèn)為物理學(xué)史的學(xué)習(xí)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)生興趣，可以加深對(duì)物理知識(shí)的理解?，F(xiàn)在我們認(rèn)為物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，沿著物理學(xué)家的足跡重走科學(xué)探究歷程，可以引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展?？茖W(xué)上沒有平坦大道，科學(xué)經(jīng)歷是非常艱難的，也是非常曲折的，學(xué)習(xí)物理學(xué)史可以掌握科學(xué)探究和科學(xué)思維的方法，形成尊重事實(shí)、敢于質(zhì)疑、善于反思、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，理解科學(xué)的本質(zhì)，遵守科學(xué)倫理和道德規(guī)范，以德樹人。但是現(xiàn)在提供給中學(xué)生閱讀的物理學(xué)史的書籍很少，這就需要物理教師要廣泛地閱讀，積極地收集資料，教師要儲(chǔ)備豐富的物理學(xué)知識(shí)。物理學(xué)史的知識(shí)更應(yīng)該進(jìn)入中學(xué)物理學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)中。