淺談如何將物理學(xué)史融入課堂教學(xué)

蘇明丹

摘 ? 要：物理學(xué)史是物理學(xué)的知識(shí)、理論和方法發(fā)生與發(fā)展的歷史進(jìn)程。文章通過(guò)“牛頓第一定律”的教學(xué)實(shí)施，用精心設(shè)計(jì)的六個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)展示了如何將物理學(xué)史融入到課堂教學(xué)中，讓學(xué)生體會(huì)定律建立的過(guò)程、從亞里士多德到牛頓的科學(xué)探究過(guò)程、卓越的思維方式、百折不撓的精神品質(zhì)等，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與自覺(jué)性，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史;科學(xué)探究;實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）1-0065-3

物理學(xué)史是物理學(xué)的知識(shí)、理論和方法發(fā)生與發(fā)展的歷史進(jìn)程，學(xué)習(xí)物理學(xué)史可以幫助我們了解過(guò)去，認(rèn)識(shí)現(xiàn)在，展望未來(lái)[1]。當(dāng)我們了解了一條定律在建立的過(guò)程中經(jīng)歷的艱難曲折和波瀾壯闊，該定律就有了神秘力量，極具感染力。生動(dòng)的故事，鮮活的人物，使一個(gè)基本定律“活”過(guò)來(lái)，變得生動(dòng)、立體。物理學(xué)史應(yīng)該被融入到物理課堂之中，讓學(xué)生從歷史的角度感受科學(xué)的魅力。作為一名物理老師，有義務(wù)抓住將物理學(xué)史滲透到日常教學(xué)中的契機(jī)并加以落實(shí)。

“牛頓第一定律”一課知識(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而在初中學(xué)生就已經(jīng)學(xué)過(guò)慣性。因此，在日常教學(xué)中我們?nèi)菀缀雎源苏n。但是深入挖掘，這節(jié)課卻包含了很多物理學(xué)史的內(nèi)容，可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)將其融入課程之中，讓學(xué)生體會(huì)物理思想和研究方法的發(fā)展過(guò)程，感受人類(lèi)探索自然的艱辛，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)[2] 。

下面通過(guò)六個(gè)環(huán)節(jié)展示如何將物理學(xué)史融入到“牛頓第一定律”的課堂教學(xué)中。

1 ? ?情境創(chuàng)設(shè)，將學(xué)生帶回公元前4世紀(jì)

在5 s倒計(jì)時(shí)之后以自制的大型空氣炮轟塌1人多高的時(shí)間墻，墻后便是一個(gè)時(shí)間軸的展板。緊接著通過(guò)PPT展示公元前4世紀(jì)的生活場(chǎng)景（圖1），陪同學(xué)們來(lái)一場(chǎng)說(shuō)走就走的時(shí)光之旅，將同學(xué)們帶回到公元前4世紀(jì)亞里士多德生活的時(shí)代，以此為時(shí)間起點(diǎn)，追尋時(shí)間的腳步，展開(kāi)對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的探索?？諝馀谵Z塌時(shí)間之墻效果極為震撼，極大地激發(fā)了學(xué)生的探索欲望。

2 ? ?角色扮演，讓亞里士多德“再現(xiàn)”

讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演，讓活生生的亞里士多德來(lái)到學(xué)生面前，形式新穎、獨(dú)特，給學(xué)生意外驚喜，讓學(xué)生在表演中快樂(lè)學(xué)習(xí)。

“亞里士多德”：拖著馬車(chē)往前走，他拖馬車(chē)，馬車(chē)則走，停止拖動(dòng)，馬車(chē)也很快停下。

老師（采訪者）：先生，請(qǐng)問(wèn)從剛才的生活經(jīng)驗(yàn)中，你認(rèn)為力與運(yùn)動(dòng)之間存在怎樣的關(guān)系？

“亞里士多德”：物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持。

一問(wèn)一答之間，亞里士多德的觀點(diǎn)自然呈現(xiàn)，學(xué)生也深刻地意識(shí)到，原來(lái)對(duì)于運(yùn)動(dòng)與力的探索，起源于亞里士多德。雖然這是一個(gè)錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)探索方向，結(jié)論的正確與否受到時(shí)代科技水平的限制，但是亞里士多德這種善于觀察、思考、總結(jié)的習(xí)慣，勇于探索的精神卻深深感染著每一位學(xué)生。

3 ? ?通過(guò)空氣火箭，引出矛盾觀點(diǎn)

發(fā)射空氣火箭（圖2），火箭在上升過(guò)程中并不存在持續(xù)向上的推力，引發(fā)學(xué)生思考得出另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論“物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持”。兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相互矛盾，我們只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)探究和科學(xué)發(fā)展史上的重要性。

4 ? ?再現(xiàn)伽利略經(jīng)典斜面實(shí)驗(yàn)，推翻亞里士多德的經(jīng)驗(yàn)之談

亞里士多德觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，原因在于摩擦力。其實(shí)，在長(zhǎng)達(dá)2000年的時(shí)間里，很少有人意識(shí)到摩擦力的存在，是伽利略發(fā)現(xiàn)了這條重要線索。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步猜想，假如沒(méi)有摩擦，推出去的馬車(chē)還會(huì)停止嗎？在學(xué)生給出自己的猜想后，就一起用伽利略斜面實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證猜想。

自制實(shí)驗(yàn)儀器：還原伽利略經(jīng)典斜面實(shí)驗(yàn)（圖3），兩個(gè)傾斜軌道平滑對(duì)接，左側(cè)固定，右側(cè)可改變傾角。軌道上黑色的是一條等高線，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：

其一，軌道表面貼上紙膠帶，較為粗糙，撕下紙膠帶，更為光滑?？蓪?duì)比觀察到軌道表面越光滑，小球能滑到右側(cè)軌道越高的位置。由此合理推理，軌道光滑，小球?qū)⒒显瓉?lái)的高度。

其二，可對(duì)比觀察軌道傾角越小，小球滑行得越遠(yuǎn)，當(dāng)軌道水平時(shí)，小球?qū)⒁恢毕蚯盎瑒?dòng)直到離開(kāi)軌道。合理外推，軌道無(wú)限長(zhǎng)且沒(méi)有摩擦力，小球?qū)⒁恢边\(yùn)動(dòng)下去。從而得出結(jié)論“物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持”。

這是對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)和提升，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，請(qǐng)兩名“操作員”在老師的引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，引導(dǎo)所有學(xué)生一起體會(huì)本實(shí)驗(yàn)的精髓，實(shí)驗(yàn)加理想推理的方式即理想實(shí)驗(yàn)。

如此便還原了伽利略的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有單純說(shuō)教式的講解，而是創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生有身臨其境的體會(huì)和感受。學(xué)生在經(jīng)歷科學(xué)探究史的過(guò)程中，又經(jīng)歷了“提出問(wèn)題—猜想或假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—得出結(jié)論”5個(gè)完整的科學(xué)探究的步驟。這個(gè)步驟，也是人類(lèi)探索自然需要經(jīng)歷的過(guò)程，自然科學(xué)也是在這樣循環(huán)往復(fù)的探索過(guò)程中得以發(fā)展。

物理學(xué)史，給我們的不僅僅是一個(gè)鮮活的探索自然的故事，更是科學(xué)的探索方法和思維方式。讓我們?cè)跉v史的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和靈感中獲得智慧，獲得探索自然的捷徑。伽利略獨(dú)立思考的精神品質(zhì)，和敢于打破古代圣賢的氣魄讓人折服?！氨M信師則不如無(wú)師”，學(xué)習(xí)科學(xué)需要大膽的質(zhì)疑。但是質(zhì)疑并不等于胡亂猜測(cè)，科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，質(zhì)疑也需要證據(jù)，也需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

5 ? ?跟隨時(shí)間腳步，順勢(shì)提出笛卡爾的觀點(diǎn)

笛卡爾對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系做了更深入的研究，他指出：如果沒(méi)有外在因素的干擾，物體將永遠(yuǎn)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

笛卡爾還認(rèn)為這應(yīng)該作為一個(gè)原理加以確立，并且是人類(lèi)整個(gè)自然觀的基礎(chǔ)。

6 ? ?站在巨人肩膀上的牛頓與他的牛頓第一定律

牛頓在笛卡爾的基礎(chǔ)上建立了力學(xué)體系，第一次提出了力的概念，把物體間復(fù)雜的相互作用都抽象為力，并整理在《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》一書(shū)中，于1687年發(fā)表。書(shū)中第一條定律：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。

笛卡爾和牛頓之間透著歷史的峰回路轉(zhuǎn)，本該屬于笛卡爾的榮耀，卻被“后來(lái)（下轉(zhuǎn)第69頁(yè)）（上接第66頁(yè)）者”牛頓奪走，好不遺憾。牛頓站在巨人的肩膀上，在繼承觀念的同時(shí)，他提出了力的概念，整理出力學(xué)體系。

6個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束，筆者再做簡(jiǎn)單的點(diǎn)評(píng)，起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。點(diǎn)評(píng)內(nèi)容如下：

自此，牛頓第一定律正式提出。從公元前4世紀(jì)到1687年，經(jīng)歷了2000余年的時(shí)光。一條定律的提出，并非一蹴而就的，它是幾代物理學(xué)家共同努力的結(jié)果。牛頓自己也說(shuō)“我之所以比別人看得更遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀薄＿@些巨人給了我們探索、研究的方法，讓我們探索的腳步能夠堅(jiān)定不移地前進(jìn)，而科學(xué)的未來(lái)也等待著我們?nèi)ラ_(kāi)創(chuàng)。

就這樣環(huán)環(huán)相扣帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)略牛頓第一定律形成的整個(gè)歷史過(guò)程，再現(xiàn)了人類(lèi)探索力與運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，經(jīng)歷了從錯(cuò)誤—修正—補(bǔ)充—完善的發(fā)展過(guò)程，充分挖掘了教學(xué)歷史素材，讓他們看到偉大科學(xué)家的共性——濃厚的興趣、強(qiáng)烈的求知欲以及百折不撓的精神意志，拉近了學(xué)生與科學(xué)家的距離，激發(fā)他們把對(duì)科學(xué)家的崇拜轉(zhuǎn)化為刻苦學(xué)習(xí)的動(dòng)力。增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與自覺(jué)性，提高學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]陳毓芳.物理學(xué)史簡(jiǎn)明教程[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2004.

（欄目編輯 ? ?張正嚴(yán)）