論物理學(xué)史對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的作用

黃秀絹

摘 要：物理學(xué)史是一門關(guān)于物理學(xué)發(fā)展過程的學(xué)科，它包含了物理學(xué)基本概念和基本定律的產(chǎn)生、發(fā)展過程。物理學(xué)史中有很多值得挖掘的教育資源。文章分析了在物理教學(xué)中有機(jī)滲透物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容對(duì)于提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的作用。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史； 科學(xué)素養(yǎng)； 物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0067-3

著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)教授曾說過：“科學(xué)發(fā)展史是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的寶地?！盵1]物理學(xué)史是一門關(guān)于物理學(xué)發(fā)展歷史過程的學(xué)科，它具有十分豐富的內(nèi)容，包含了物理知識(shí)、方法、思想等內(nèi)容的來龍去脈，還有許多物理學(xué)家為追求真理敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)、堅(jiān)持不懈、勇于創(chuàng)新的感人事跡。有研究表明，物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著非常重要的作用[2-5]。

1 物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

物理學(xué)作為自然科學(xué)的核心，它的發(fā)展過程中蘊(yùn)含了許多可作為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的素材。但是，在教學(xué)中，這些素材常常被忽略，只剩下枯燥無味的物理概念、定理、定律，從而使學(xué)生感到索然無味，學(xué)生也就很難有學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣了，物理學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)自然不足。布魯納強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)主要是一種內(nèi)在動(dòng)機(jī)，對(duì)學(xué)習(xí)材料感興趣是學(xué)習(xí)的最初動(dòng)力來源。教育心理學(xué)認(rèn)為，興趣是一個(gè)人傾向于認(rèn)識(shí)、研究并獲得某種知識(shí)的心理特征，是推動(dòng)人們求知的一種內(nèi)在力量。當(dāng)某個(gè)事件能引起學(xué)生的興趣，必然引起他主動(dòng)探索，從而能對(duì)相關(guān)事物產(chǎn)生深刻的認(rèn)識(shí)和理解。因此，思考如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是教師在課前準(zhǔn)備一定要做的事。只有引起學(xué)生的興趣，才能高效率地學(xué)習(xí)。在物理教學(xué)中，可以把物理學(xué)發(fā)展過程中一些既有趣、又能引發(fā)學(xué)生思考的事講述給學(xué)生聽，調(diào)節(jié)課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生興趣，從而有效提高教學(xué)效果。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)“萬有引力定律”時(shí)，可作如下介紹：一個(gè)夏天的中午，年少的牛頓坐在他母親的農(nóng)場(chǎng)里休息。這時(shí)候，從樹上落下來一個(gè)蘋果，剛好落在牛頓的腦袋上。牛頓雖然被砸到，但他并沒有因?yàn)檫@件事而不快，而是思考這樣一個(gè)問題：蘋果為什么是向下落而不是向上飛呢？他就跑去問媽媽，媽媽也沒辦法給他合理的答案。為了解開這個(gè)謎團(tuán)，牛頓經(jīng)過不斷地研究、探索，他認(rèn)為，蘋果向下落而不是向上飛的原因是由于它受到了地球某種力量吸引的結(jié)果。于是，萬有引力的存在被牛頓首先發(fā)現(xiàn)了。學(xué)生聽完這個(gè)小故事將對(duì)本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容產(chǎn)生興趣，同時(shí)學(xué)生從這個(gè)小故事中還將體會(huì)到善于觀察、善于思考的品質(zhì)對(duì)于成功的重要性。再如，在“運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性”教學(xué)中，教師可以利用以下故事創(chuàng)設(shè)問題情景，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣：在第一次世界大戰(zhàn)期間，一名來自法國(guó)的飛行員，在2000 m高空飛行，他發(fā)現(xiàn)有一只“小蟲子”就在旁邊，于是伸手去抓“小蟲子”，一看，大吃一驚，原來不是“小蟲子”，而是一顆子彈。故事講完，接著教師向?qū)W生提出如下問題：高空飛行的子彈為什么會(huì)被法國(guó)飛行員用手抓到？在這一背景下，學(xué)生探究其中奧秘的興趣將被激發(fā)，產(chǎn)生弄清真相的強(qiáng)烈愿望，也就產(chǎn)生了學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性。

如果能有意識(shí)地把相關(guān)物理學(xué)史的內(nèi)容融入教學(xué)中，學(xué)生將會(huì)對(duì)物理知識(shí)感興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)。

2 物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容，有助于學(xué)生掌握物理知識(shí)

教育重演論認(rèn)為，“現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是對(duì)人類文化發(fā)展過程的一種認(rèn)知意義上的重演，即現(xiàn)代人的認(rèn)知發(fā)展是對(duì)其祖先認(rèn)知水平長(zhǎng)期演化過程的濃縮”[6]。這為物理學(xué)史促進(jìn)學(xué)生更好地掌握物理知識(shí)提供了有力的理論依據(jù)。

如果說物理學(xué)的基本概念、定理、定律等構(gòu)成了物理學(xué)理論體系的骨架，那骨架上的血肉就是物理學(xué)史。如果學(xué)生在學(xué)習(xí)中對(duì)所學(xué)的知識(shí)的來龍去脈不清楚，缺乏相應(yīng)的背景作支撐，就容易感到深?yuàn)W、枯燥，對(duì)這些知識(shí)只能死記硬背，不可能在理解的基礎(chǔ)上內(nèi)化、重建知識(shí)結(jié)構(gòu)。物理教學(xué)不是讓學(xué)生死記定理、公式，而是要學(xué)生能真正理解、掌握它們，在此基礎(chǔ)上提升科學(xué)素養(yǎng)。為此，在教學(xué)中應(yīng)創(chuàng)造條件，讓學(xué)生能夠在對(duì)物理的發(fā)展演變過程有一定了解的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)。在物理教學(xué)中，教師如果能結(jié)合物理學(xué)史引導(dǎo)學(xué)生搞清楚知識(shí)的產(chǎn)生、形成與演化過程，讓學(xué)生清楚該理論的成功之處，它能解決當(dāng)前哪些問題，它還存在哪些局限性。借助物理學(xué)史，使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)物理知識(shí)的形成過程有了“親身經(jīng)歷”，在遇到實(shí)際問題時(shí)才能靈活地運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)加以解決。不僅如此，學(xué)生還會(huì)從知識(shí)的歷史形成過程中認(rèn)識(shí)到定理、定律等的條件性，體會(huì)真理的相對(duì)性。

例如，“光學(xué)”這一部分中，光的波動(dòng)性、波粒二象性是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了機(jī)械波的干涉和衍射后，知道一切波都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象以及其產(chǎn)生的條件，這是學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識(shí)的基礎(chǔ)，但學(xué)生沒有把機(jī)械波的特點(diǎn)與光進(jìn)行對(duì)比思考。同時(shí)，由于光的波長(zhǎng)太短了，在現(xiàn)實(shí)生活中是很難見到光的干涉（除肥皂泡膜的干涉）和衍射現(xiàn)象，學(xué)生的腦海中缺少相應(yīng)的生活經(jīng)驗(yàn)。光是一種波一時(shí)不能被學(xué)生具有的知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)所接受，這就增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的困難。如何突破這一難點(diǎn)？我們可以采取教學(xué)開始就向?qū)W生介紹人類對(duì)光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過程：歷史上關(guān)于光的本質(zhì)曾經(jīng)出現(xiàn)兩種學(xué)說。一種是牛頓主張的微粒說，微粒說的觀點(diǎn)是：光是一種物質(zhì)微粒。對(duì)于“光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的現(xiàn)象和光的反射現(xiàn)象”微粒說能很好地作出解釋。但是，微粒說卻很難對(duì)“光在兩種介質(zhì)界面處同時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象”作出合理的解釋。17世紀(jì)，惠更斯提出了關(guān)于光的本質(zhì)的另一學(xué)說——波動(dòng)說。光的波動(dòng)說認(rèn)為光是某些振動(dòng)以波的形式向外傳播。波動(dòng)說能很好地解釋微粒說難以解釋的光現(xiàn)象，因?yàn)槿粘Ｉ钪薪?jīng)常看到機(jī)械波發(fā)生這些現(xiàn)象。如兩列水波交叉相遇后能按各自原有的方式繼續(xù)向前傳播而不受到相遇波的影響，聲波也能產(chǎn)生這種現(xiàn)象。接著提出問題：怎樣證明光具有波動(dòng)性呢？如果光具有波動(dòng)性，在滿足一定條件下就應(yīng)該出現(xiàn)波特有的干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象。到底能否產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象呢？然后介紹：歷史上，第一個(gè)成功地觀察到了光的干涉現(xiàn)象的是科學(xué)家托馬斯·楊。他從假定光是一種波出發(fā)，把小孔或單縫發(fā)出的光分成兩部分（經(jīng)雙孔或雙縫），再讓它們疊加在一起，發(fā)現(xiàn)光是具有波動(dòng)性，因?yàn)楫a(chǎn)生了干涉現(xiàn)象——明暗相間的干涉條紋。最后向?qū)W生介紹：光的衍射現(xiàn)象、干涉現(xiàn)象證明了光的波動(dòng)說的正確性。但它在解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象上又發(fā)生了困難。微粒說和波動(dòng)說都只能解釋部分光現(xiàn)象。到19世紀(jì)，麥克斯韋和愛因斯坦分別提出了“光的電磁說”和“光子說”，這時(shí)，人們才認(rèn)識(shí)到光既是一種波，又是一種粒子，光既有波動(dòng)性又有粒子性，即光具有波粒二象性。通過介紹相關(guān)物理學(xué)史，學(xué)生能夠在較短時(shí)間內(nèi)“經(jīng)歷”知識(shí)的形成過程，了解了人類對(duì)光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是個(gè)不斷發(fā)展的歷史過程，這不僅有利于學(xué)生對(duì)光的本質(zhì)的理解，而且有助于學(xué)生能從中體會(huì)到真理的相對(duì)性。

3 物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容，有助于學(xué)生掌握科學(xué)方法

科學(xué)方法是人類在認(rèn)識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)中的正確方法?？茖W(xué)方法是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。

物理理論體系的建立過程本身就包含著豐富的科學(xué)方法。在教學(xué)中，結(jié)合物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣去思考，沿著科學(xué)家尋找真理時(shí)走過的足跡去探究，從而促進(jìn)學(xué)生體會(huì)科學(xué)方法的精髓，有助于學(xué)生掌握科學(xué)方法。如在“牛頓第一定律”的教學(xué)中，可以向?qū)W生介紹伽俐略采用的“假設(shè)、推理”的科學(xué)方法推翻統(tǒng)治人們兩千多年的“物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持”的觀點(diǎn)。伽俐略的理想實(shí)驗(yàn)：讓小球從斜面上無初速度地滾下來，小球會(huì)沿另一斜面滾上去。如果兩個(gè)斜面都是光滑的，小球?qū)⒃诘诙€(gè)斜面上滾到與原來同樣高度的地方。當(dāng)減小第二個(gè)斜面的傾角，小球必須在第二個(gè)斜面上滾過更遠(yuǎn)的距離才能達(dá)到與開始滾下時(shí)同樣高度的地方。持續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，直到它成為水平面，這時(shí)，水平面上的小球不管滾過多遠(yuǎn)的距離，再也沒辦法達(dá)到開始滾下時(shí)同樣的高度，就在這個(gè)光滑水平面上保持恒定的速度不停地運(yùn)動(dòng)下去。據(jù)此，伽利略指出：在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體，它的速度會(huì)不斷減小，最后會(huì)停下來，原因在于物體在運(yùn)動(dòng)過程中受到了摩擦力的作用。設(shè)想沒有了摩擦力，只要物體具有一定的速度，它將以這個(gè)速度持續(xù)地運(yùn)動(dòng)下去。這樣，學(xué)生既清楚了定律是怎么得來的，又能理解這一科學(xué)研究方法。在進(jìn)行《自由落體運(yùn)動(dòng)》一節(jié)的教學(xué)時(shí)，可以向?qū)W生介紹：伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)開創(chuàng)的研究方法：抽象思維、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。通過物理學(xué)史的介紹，學(xué)生將體會(huì)伽俐略這種研究方法的巧妙，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究方法的掌握。

物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，離不開科學(xué)家科學(xué)的研究方法。教學(xué)中滲透物理學(xué)史，有助于學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的掌握。

4 物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神

科學(xué)精神是人們?cè)陂L(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中形成的共同信念、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)和行為規(guī)范的總稱?？茖W(xué)精神以“實(shí)事求是”作為其核心內(nèi)容，以“開拓創(chuàng)新”作為其活力之源。科學(xué)精神起著調(diào)節(jié)和約束著科學(xué)家的行為規(guī)范的作用，是科學(xué)家取得成功的保證。

根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，把物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容融入到教學(xué)當(dāng)中，促進(jìn)學(xué)生了解科學(xué)家取得成就的道路并不是一帆風(fēng)順的，而是充滿了各種各樣的矛盾斗爭(zhēng)，物理學(xué)史中有很多培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的好素材，利用這些素材能比較有效地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、堅(jiān)持不懈、勇于創(chuàng)新的精神。在教學(xué)“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”這一部分內(nèi)容時(shí)，可把英國(guó)物理學(xué)家法拉第憑著驚人的毅力，在十年間不斷地探索，克服重重困難，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的事跡介紹給學(xué)生。這些物理學(xué)家體現(xiàn)出的科學(xué)精神，都是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)形成的很好的素材。教學(xué)中，通過把物理學(xué)家在科學(xué)研究中體現(xiàn)其科學(xué)精神的相關(guān)例子介紹給學(xué)生，學(xué)生將受到潛移默化的影響。

5 結(jié)束語

物理學(xué)史是一門關(guān)于物理學(xué)發(fā)展歷史過程的學(xué)科，它呈現(xiàn)了物理學(xué)理論體系的發(fā)展過程，里面包含了科學(xué)知識(shí)、方法，還體現(xiàn)了科學(xué)精神。因此，物理學(xué)史在提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面有著不可忽視的功能。

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（欄目編輯 張正嚴(yán)）