物理實驗教學(xué)中的科技史應(yīng)用

馬穎

現(xiàn)代社會科技含量越來越高，而“少年強則國強”，唯有培養(yǎng)科技人才，才能在未來的國家發(fā)展和國際競爭中占據(jù)一席之地。青少年時期是培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新人才的關(guān)鍵期，伴隨著家長對家庭教育的重視，我國城鎮(zhèn)兒童的早期教育日趨良好，很多孩子表現(xiàn)出了科學(xué)技術(shù)或數(shù)學(xué)的天賦。筆者認(rèn)為應(yīng)該盡早將這樣的孩子引向科學(xué)技術(shù)或數(shù)學(xué)，讓盡可能多的兒童嘗試走向理工科的學(xué)習(xí)之路，這樣才能為今后選拔更多科技人才儲備足夠的資源，從而培養(yǎng)造就大批優(yōu)秀科技人才。

科學(xué)技術(shù)或數(shù)學(xué)知識相對難度較大，需要更持久的學(xué)習(xí)過程才能有所作為，這就需要從事理科課程的教育工作者更有效的引導(dǎo)和幫助，才能讓青少年持續(xù)深入學(xué)習(xí)進而學(xué)有所成。歷史故事總會使課堂教學(xué)變得更有趣，科技史是培養(yǎng)青少年科學(xué)素養(yǎng)、邏輯思維的重要學(xué)習(xí)資源，是聯(lián)結(jié)科學(xué)與人文的橋梁。講述科技史可以增加教學(xué)的趣味性，有助于將難度較大的科技類課程教學(xué)變得引人入勝。有效利用教學(xué)中的碎片時間講述科技史，是行之有效的做法。在物理實驗的教學(xué)碎片時間講述相關(guān)科技史，有助于讓學(xué)生理解科技發(fā)展與社會需求的緊密相關(guān)性。

引人入勝的科學(xué)傳奇故事確實可以引發(fā)兒童對神奇科學(xué)世界的向往，但是對于逐漸成熟深刻的青少年，以訛傳訛的虛構(gòu)故事，會適得其反。例如阿基米德從浴盆里跳出來大喊大叫著跑上街道，赤身裸體地告訴每一個人他終于發(fā)現(xiàn)了浮力定律；伽利略把一個木球和同樣大小的鐵球從比薩斜塔上扔下，結(jié)果是同時著地的，于是反駁了亞里士多德；牛頓躺在一棵蘋果樹下思考行星運動的規(guī)律，結(jié)果一個熟透的蘋果掉下來打中了他；瓦特在外祖母家度假偶然注意到燒水壺的壺蓋被正在沸騰的水所掀動，結(jié)果發(fā)明了蒸汽機；在太空中可以肉眼看見長城……這些故事明顯虛構(gòu)成分太多，無從考證，學(xué)生耳熟能詳，但卻表現(xiàn)出不以為然的于己無關(guān)態(tài)度，并不能有效激發(fā)其學(xué)習(xí)科技知識的熱情。

選擇適當(dāng)?shù)目萍际穬?nèi)容碎片式融入教學(xué)過程很有必要。以下是筆者從事在校學(xué)生的課堂教學(xué)、輔導(dǎo)學(xué)生課外創(chuàng)新實踐、面向市民科普活動中，在“時間測量”科技發(fā)展史方面選取的一些案例。時間的測量是物理實驗中的必做項目，也是人類生活的基本需求，在物理實驗的教學(xué)碎片時間講述相關(guān)科技史，有助于理解科技發(fā)展與社會需求的緊密相關(guān)性。

案例1. 關(guān)于原始計時工具的科技史

計量時間是人類生活的基本需求，物理課程中各種有關(guān)快慢的物理量定義都必須給出時間。日常生活中各種計時器隨處可見，如機械鐘表、石英鐘表、手機等，這些現(xiàn)代計時器具，計時較為精準(zhǔn)，小學(xué)生都可以熟練使用。而學(xué)生閱讀古代書籍時經(jīng)常見到一些說法，如“一袋煙的工夫”“一炷香的時辰”“一眨眼”等，還有日上三竿、油菜花開的季節(jié)等，這些不同于現(xiàn)代生活幾點幾分的表達方式，實際上是因為那些年代沒有鐘表等計時工具導(dǎo)致的。

一些原始樸素的計時裝置如沙漏、水鐘等，制作相對簡單，學(xué)生按照統(tǒng)一要求制作，卻會出現(xiàn)計時結(jié)果不一致的現(xiàn)象，從而引發(fā)相關(guān)討論與進一步學(xué)習(xí)，非常適合作為小學(xué)生科學(xué)課程的作業(yè)內(nèi)容。此外，歷史記載用于記錄時間的古老方法之一日晷，在沒有其他任何裝置與設(shè)備的情況下，可以根據(jù)觀察太陽在天空中的位置粗略判斷時間。這些都是人們在生活生產(chǎn)中積累下來的計時方法，但計時誤差較大，不能與現(xiàn)代計時裝置相比。

這些有著明顯歲月痕跡的關(guān)于人類計時方法和工具的知識，通過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，可以讓學(xué)生認(rèn)識到這就是人類的科技史，是文明的積累過程，以此調(diào)動學(xué)生追問探究關(guān)于時間計量的好奇心與熱情。有些學(xué)生因此不斷探究，開始自行學(xué)習(xí)狹義相對論的知識。

案例2. 探尋科學(xué)計時起源的科技史

對時間的認(rèn)識與計量是個古老的學(xué)科，世界范圍內(nèi)各個地區(qū)的古人都有一些樸素的時空統(tǒng)一觀念，表現(xiàn)在基于天文時的天文歷法，這也是文明的一個重要標(biāo)志。在農(nóng)耕文明時代，歷法的精度會對社會生活產(chǎn)生重要影響。美國社會學(xué)家劉易斯·芒福德（Lewis Mumford）認(rèn)為：“現(xiàn)代工業(yè)時代的關(guān)鍵機器，是時鐘，而不是蒸汽機?！盵1]

秘魯安卡什省的沙漠中，有一座默默無聞的古老石廟—— 尚基洛石廟（Towers ofChankillo），2021 年7 月，被聯(lián)合國教科文組織第44 屆世界遺產(chǎn)大會授予世界文化遺產(chǎn)稱號（如圖1）。

尚基洛石廟遺址的東南方，有一座古怪的建筑，長得像中國長城上的垛口，這個建筑剛好有13 個凸起的墻面，組成了12 個凹陷，被科學(xué)家稱為“十三石塔”。十三石塔位置非常特殊，當(dāng)觀測者站在山脊下一個特定觀察點時，能依據(jù)2 ～ 3 天的日出或者日落狀況，判斷此時是一年中的什么月份、季節(jié)（如圖2）。例如：當(dāng)太陽出現(xiàn)在第6 和第7 個塔之間，就是9 月的秋分時刻。

經(jīng)過科學(xué)家10 余年的考古研究確認(rèn)，尚基洛石廟是一座2 500 年前的觀象臺，是人類最早和宇宙交流的地方之一，是地球時間計量史的盡頭。在這里展現(xiàn)了人類一項偉大的創(chuàng)新，即利用太陽周期標(biāo)記二至點、二分點和一年中的其他日期，精確度為1 ～ 2 天（如圖3）。因此，它代表著人類天文學(xué)實踐的長期歷史演變的頂點[2]。

有關(guān)尚基洛石廟觀象臺的科技史資料，可以在網(wǎng)絡(luò)上找到較多相關(guān)視頻、文字資源，非常詳細(xì)生動，真實表現(xiàn)了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)，青少年很容易就被這樣的客觀科技史故事吸引了，課堂上沒有充足的時間展現(xiàn)細(xì)節(jié)，他們會主動上網(wǎng)查找資料，進行深入思考。

案例3. 使用計時器的創(chuàng)新實踐與物理學(xué)史——師生共同“聽見時間”

基礎(chǔ)物理教學(xué)中，一定會講授運動學(xué)內(nèi)容，勻加速直線運動是必須細(xì)致講解的部分。在講授勻加速直線運動位移變化與時間關(guān)系的特點時，一般教師都會講到伽利略的斜面實驗。伽利略生活的年代，計時工具非常原始、低級，還沒有機械鐘表，傳說伽利略是用自己的脈搏提供相等的時間間隔，觀察得出結(jié)論“相同時間內(nèi)，勻加速直線運動的路程增量是相等的”。用脈搏當(dāng)作計時器，只能自己感受體會，旁人卻無法共同使用這個計時器。

許多一線教師通過自制教具等方式在教學(xué)時操作這個實驗，普遍會使用光電門裝置記錄時間，雖然精準(zhǔn)，卻不太直觀，而且學(xué)生會產(chǎn)生疑問：“伽利略時代沒有光電門怎么辦？”筆者指導(dǎo)學(xué)生制作了一個探究勻加速直線運動特征的演示實驗裝置（如圖4），采用電線槽做成滑軌，傾角15°左右，滑軌近2 米長，把金屬小球從頂端滑下，3～4秒的時間可以滑到軌道盡頭。如果仿照伽利略的方式用脈搏計時，需要很長時間才能觀測記錄到滑塊的位置，注意力集中在感受脈搏跳動上了，顧此失彼。而且每個人的脈搏基本就是相同的跳動周期，計時間隔雖然近似相等卻不可調(diào)節(jié)長短。使用彈奏樂器時的輔助工具節(jié)拍器作為計時裝置，可以提供不同的等時間隔。課堂上師生可以共同聽見節(jié)拍器發(fā)出的均勻節(jié)拍響聲，師生共同用聽覺進行時間計量，以“聽見時間”，將注意力集中在觀察斜面上滾落的小球，觀察在連續(xù)節(jié)拍聲響起時的位置，標(biāo)記這些位置。這個過程可以多次重復(fù)操作，測量后很明確得出勻加速直線運動位移與時間關(guān)系的特點。

制作這個裝置的過程中，幾個物理專業(yè)的本科生、研究生欲罷不能地查閱了相關(guān)物理學(xué)史資料，迫切地想要理解從伽利略時代開始的關(guān)于運動本質(zhì)描述的邏輯思考，從而了解到人類史上許多時間計量發(fā)展史，對學(xué)習(xí)物理課程興趣大增，不厭其煩地改進自制裝置，對人類文明的發(fā)展史也表現(xiàn)出盎然興趣?？萍际肥强萍寂c人文的橋梁。

亞里士多德在提到科學(xué)和哲學(xué)產(chǎn)生的原因時說：“古往今來人們開始哲理探索，都應(yīng)起于對自然萬物的驚異……他們探索哲理只是為想脫出愚蠢，顯然，他們?yōu)榍笾鴱氖聦W(xué)術(shù)，并無任何實用的目的?！盵3] 學(xué)習(xí)科技史，也是在書寫科技史，那些因為對科技史特別是物理學(xué)史感興趣，繼而深入學(xué)習(xí)探索數(shù)學(xué)、物理科學(xué)技術(shù)的青少年，正在延續(xù)著人類的文明。

記得魯迅在他的譯著《月界旅行》中說，通過科學(xué)普及，要使人們“獲一斑之智識，破遺傳之迷信，改良思想，補助文明”[4]。作為青少年科技教育工作者，為長遠解決我國創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)的短板，從根本上改變高層次創(chuàng)新人才匱乏的窘境，需要夯實科技強國人才根基重大目標(biāo)，前瞻部署中小學(xué)科學(xué)教育，重塑新時代基礎(chǔ)科學(xué)教育體系。