高中物理教材中物理學史與教學思考

譚 梅，詹偉琴

1.佛岡縣第一中學，廣東 清遠 511600

2.華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

《普通高中物理課程標準（2017 年版）》（以下簡稱“新課標”）的教學目標強調(diào)培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)，物理核心素養(yǎng)是指學生在接受物理教育的過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關(guān)鍵能力、必備品格和價值觀念，是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)［1］，是學生科學素養(yǎng)的重要構(gòu)成。了解物理學的發(fā)展進程是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的途徑之一。以人教版教材為例，2019 年版教材在之前的版本基礎(chǔ)上增加了部分物理學史的內(nèi)容，凸顯了物理學史在教學中的地位，通過滲透物理學史內(nèi)容培養(yǎng)學生的物理思維和科學素養(yǎng)。

1 物理學史的課標要求和教材主題

新課標對物理教學提出了新的要求，旨在教學中培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)。依據(jù)新課標要求，教科書關(guān)于物理史實作了補充和完善。通過對新課標進行解讀，梳理出新課標對物理學史內(nèi)容的要求，基于此整理了教材中物理學史的學習資源，如表1 所示。

表1 新課標中物理學史的要求和教材中的內(nèi)容主題

新課標對必修一、必修二、必修三中物理學史的內(nèi)容要求是基于建立物理概念、物理規(guī)律和物理實驗之中的，要求學生了解物理學的發(fā)展歷史和物理學知識體系，認識物理背景，進一步培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。新課標對選擇性必修三中物理學史的要求是讓學生了解物質(zhì)的發(fā)展歷史，體會科學發(fā)展的意義，有助于引導學生形成正確的科學態(tài)度與責任。人教版教材充分體現(xiàn)了課程標準的要求，物理學史多在正文中滲透并利用學習欄目拓展物理史實的學習資源（比如，科學漫步、STSE、拓展學習）。

2 高中物理教材中的物理學史分析

人教版教材中通過不同的形式展示了物理學史內(nèi)容，并且將物理學史有效地與教材知識充分交融，體現(xiàn)出了物理學史的重要性和教育功能。在教材中物理學史的呈現(xiàn)形式多樣化，主要出現(xiàn)在正文、科學漫步、STSE、拓展學習等學習或活動欄目，其中正文中的物理學史內(nèi)容最多，約有141 處，其次是科學漫步和名人名言欄目，體現(xiàn)出了物理學史的教學價值，如表2 所示。

正文中的物理學史呈現(xiàn)了科學家探索物理規(guī)律過程中所經(jīng)歷的科學思維、科學探究；名人名言欄目是敘述科學家的生平簡介以及勇于挑戰(zhàn)的精神；科學漫步欄目拓寬學科視野，讓學生領(lǐng)略科學的魅力。物理學史內(nèi)容主要集中在必修一、必修二、必修三和選擇性必修三中。雖然新課標對選擇性必修一和選擇性必修二的物理學史內(nèi)容沒有具體要求，但是在人教版教材中還是有不少物理學史的內(nèi)容，體現(xiàn)了物理學史在物理教學中的重要作用。

以萬有引力定律為例，萬有引力定律是科學史上最偉大的定律之一，揭示出復雜運動遵循的簡潔的科學規(guī)律，“月—地檢驗”進一步驗證了萬有引力定律，體現(xiàn)出了科學論證的科學思維方式。必修二中萬有引力定律的物理學史內(nèi)容的課標要求是“通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程”。教材中將萬有引力定律科學史的內(nèi)容從人物、發(fā)現(xiàn)由來、科學發(fā)展等方面進行呈現(xiàn)?？茖W漫步欄目中，首先描述了人類對行星運動規(guī)律的認識過程，學生初步認識了物理學家們對未知領(lǐng)域的科學推理和探索精神。在正文中，講述了伽利略、開普勒、笛卡爾等人對行星繞太陽運動的研究，重點描述了牛頓的研究與思考和發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的過程，學生進一步認識科學思維的重要性，體會到科學研究的鉆研精神。從第谷的數(shù)千個觀察數(shù)據(jù)到開普勒行星運動規(guī)律，再到牛頓的萬有引力定律，其科學探索的背后體現(xiàn)了“大道至簡”這一哲學理念，啟發(fā)學者們挖掘、探索物理理論的統(tǒng)一。于是，學生可以了解到諸多物理學家的研究歷程以及萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會物理學法則普適性的統(tǒng)一，認識到人類對物理規(guī)律探索的艱辛與不易，有效幫助學生形成正確的物理觀念，體會物理學家們在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律過程中的科學思維，培養(yǎng)良好的科學態(tài)度與意識。

3 課堂教學中滲透與拓展物理學史

人教版教材涉及了力學、電學、磁學、熱學、光學的物理學史，選擇了教育教學功能指向性強的物理學史內(nèi)容進行科學滲透，其內(nèi)容的呈現(xiàn)不僅滿足課程標準對物理學史的內(nèi)容要求，還符合高中生心理和思維的發(fā)展規(guī)律。教師在教學中可以充分利用教材中物理學史的史料開展物理概念和物理規(guī)律的教學，也可以拓展、補充物理學史，幫助學生認識、了解物理學的發(fā)展，體現(xiàn)出物理學的科學思維和科學探究的深度及廣度。

3.1 注重還原物理學史，體現(xiàn)科學本質(zhì)

物理核心素養(yǎng)的“科學態(tài)度與責任”中明確提出“在認識科學本質(zhì)，理解科學、技術(shù)、社會、環(huán)境（STSE）的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成的對科學和技術(shù)應有的正確態(tài)度以及責任感”［1］。物理學史在教學中滲透，能充分凸顯物理學的科學本質(zhì)。教材中有些地方對科學家的實驗過程描述較為籠統(tǒng)，學生沒有經(jīng)歷科學家的研究過程，對這一過程的研究就不能深入地了解［3］。例如，在奧斯特發(fā)現(xiàn)電生磁的介紹中，教材簡要地描述了奧斯特在講課中“偶然”發(fā)現(xiàn)通電時磁針轉(zhuǎn)動，隨后揭示了電與磁的聯(lián)系。其實，奧斯特對電與磁的研究過程并不是這一兩句話就能描述出來的，在奧斯特發(fā)現(xiàn)前和發(fā)現(xiàn)后都做了大量的研究，才宣布了電流的磁效應。在教學中教師可以結(jié)合教材中的內(nèi)容較完整地補充奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應的歷程。

【示例1】

磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象是兩個不同的現(xiàn)象，在最早的時候，這兩種現(xiàn)象是分開進行研究的，吉爾伯特對磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象進行深入分析得出電和磁是完全不同的現(xiàn)象，所以很多物理學家也認為電和磁沒有聯(lián)系。可是，生活中的一些現(xiàn)象似乎表示著電和磁是有聯(lián)系的。1731 年，一位英國商人發(fā)現(xiàn)雷擊后的刀叉有了磁性；1735 年，一名鐵匠老板在雷雨過后發(fā)現(xiàn)鐵釘粘在了鐵墩上；1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電可使縫衣針磁化。電與磁的聯(lián)系是偶然的還是必然的呢？

當時安培、庫侖等人認為電和磁是獨立存在的，并沒有聯(lián)系，可是奧斯特堅信電與磁存在著某種聯(lián)系，于是展開了大量的研究。奧斯特受到了富蘭克林用萊頓瓶放電使針磁化現(xiàn)象的啟發(fā)，他認識到電和磁的聯(lián)系是必然的，電與磁轉(zhuǎn)化的條件才是問題的關(guān)鍵。奧斯特參考了萬有引力定律和庫侖定律，受到了“縱向力”的影響，他總是把小磁針放在通電導線的延長線上，觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果實驗均以失敗告終。雖然失敗了很多次，奧斯特并沒有放棄，他分析了以往實驗都是在電流方向上尋找電流的磁效應，認識到電流對磁體的作用不是縱向的，而是一種橫向力，于是奧斯特繼續(xù)進行新的探索。1820 年4 月的一天晚上，奧斯特在講課時，突然來了“靈感”，他把通電導線與磁針平行放置，接通電源，小磁針擺動了，這一現(xiàn)象正是奧斯特期待已久的。他又改變電流方向，觀察到小磁針向相反方向偏轉(zhuǎn)，這說明電流方向與磁針的轉(zhuǎn)動之間是有聯(lián)系的。奧斯特在研究電與磁的聯(lián)系中做了大量的實驗，花費了很大的心血。在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應后，安培立即對電與磁展開了進一步的研究，發(fā)現(xiàn)了磁體對通電導體的作用力，即安培力，還發(fā)現(xiàn)了電流與電流的作用力。

將奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應的過程在教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上拓展給學生，讓學生感受到物理學家們的鉆研、奉獻精神，有助于培養(yǎng)學生善于發(fā)現(xiàn)、總結(jié)現(xiàn)象的科學態(tài)度與精神。在教學中，向?qū)W生拓展教材中未提到的物理學史，讓學生體會人類認識物理的艱辛歷程，提高學生的科學素養(yǎng)。

3.2 客觀闡述物理學史，培養(yǎng)科學精神

教材中呈現(xiàn)出的物理學史內(nèi)容大多數(shù)是關(guān)于國外的，描述我國物理學發(fā)展歷程的較少，這會導致學生片面地認為我國的物理研究是落后于國外的。新課標對必修三的物理學史要求是“了解我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果及其對人類文明的影響”。教材中主要介紹的是法拉第、奧斯特等人對電和磁的研究，只是在問題和科學漫步欄目中提到了我國古代對磁現(xiàn)象的運用，并未介紹我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果。在教學中，教師可以在科學漫步中介紹的指南針與鄭和下西洋內(nèi)容的基礎(chǔ)上拓展我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究。

【示例2】

在中國古代，古人對磁的研究最早記錄的是公元前3 世紀《呂氏春秋·精通篇》：“慈石召鐵，或引之也”。《韓非子·有度》中記載：“夫人臣之侵其主也，如地形焉，即漸以往，使人主失端，東西易面而不自知。故先王立司南以端朝夕”。在戰(zhàn)國時期，就出現(xiàn)了磁石指示方向的儀器——司南。到了宋代，指南針的發(fā)展到達盛況。中國古代磁學知識和指南針技術(shù)的集大成者是北宋時期政治家、科學家沈括，沈括在《夢溪筆談》中寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也……”這條記載概括了沈括對磁學的主要貢獻。并指出了指南針的四種安裝方法：水浮法、指甲法、碗唇旋定法、縷懸法。

水浮法是將磁針上穿幾根燈芯草浮于水面進行指南（圖1），這就是初始的水羅盤，后來廣泛用于早期航海，水浮法指南針雖然比較平穩(wěn)，但容易動蕩不定。指甲法是將磁針置于光滑的指甲蓋上（圖2），磁針轉(zhuǎn)動靈活，但是較容易滑落。碗唇旋定法是將磁針置于碗口邊上（圖3），磁針轉(zhuǎn)動較靈活，但是也容易滑落。縷懸法是用蠶絲將磁針懸掛起來（圖4），磁針轉(zhuǎn)動靈活又相對穩(wěn)定。

圖1 北宋水浮法指南針

圖2 北宋指甲法指南針

圖3 北宋碗唇旋定法指南針

圖4 北宋縷懸法指南針

在庫侖定律發(fā)現(xiàn)之前，中國古代對磁現(xiàn)象的認識絲毫不弱于西方，可以說是略強于西方［4］。教學中可以拓展中國古代對磁的研究，加深學生對古代磁學的認識，并讓學生反思：中國很早發(fā)現(xiàn)了磁現(xiàn)象，為何沒有揭示出電和磁的聯(lián)系呢？

學生可以從文言文的角度體會古人在磁方面的應用，認識古人的智慧，了解中國古代對磁研究的成果。中國古代是較早發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象的，并將磁現(xiàn)象應用在了生活中，但是卻沒有深入研究，沒有揭示出電與磁的聯(lián)系。讓學生認識到物理學研究的深度與廣度，認識到物理現(xiàn)象背后的物理規(guī)律需要我們?nèi)プ屑氥@研與總結(jié)，有助于幫助學生養(yǎng)成良好的科學態(tài)度與責任。物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的極具邏輯性的學科，當我們發(fā)現(xiàn)某種現(xiàn)象時要深入研究其內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律。

【示例3】

教材“彈力”的內(nèi)容中物理學史部分只寫了胡克的研究，但是我國古人對彈力也有深刻的認識，東漢鄭玄曾提到彈力的運用，學術(shù)界認為中國古人在制造弓弩的過程中應用了彈性定律的知識。彈性定律在西方稱為胡克定律，由英國物理學家胡克于1660 年左右發(fā)現(xiàn)，而這比鄭玄晚了近1500 年。

教學中可適當增加一些中國古代對彈力的研究與應用的記錄，以便學生了解古人在彈力方面的貢獻。將中國的物理學史合理地呈現(xiàn)給學生，可以增強學生的愛國情懷和民族自豪感，培養(yǎng)學生的探索精神，對我國的物理學家持有敬佩之情。

3.3 呈現(xiàn)物理學家的錯誤與紛爭，全面了解物理學發(fā)展

自由落體運動和牛頓第一定律中都提到了亞里士多德的錯誤觀點，這會使學生片面地理解亞里士多德對物理學的貢獻，認為亞里士多德在物理學上的觀點都是錯誤的。其實，亞里士多德的研究范圍是非常廣泛的，不僅僅是在物理學上的研究，還有哲學、自然科學、經(jīng)濟等領(lǐng)域的研究。在教學中教師可以拓展相關(guān)物理學史幫助學生全面地認識物理學家。

【示例4】

亞里士多德最早研究了物體下落運動，并認為物體下落的快慢與輕重有關(guān)。通過物理學史我們了解到他得出了力是物體運動原因的錯誤結(jié)論。很多同學認為亞里士多德在運動和力方面的貢獻是沒有價值的。

雖然亞里士多德在自由落體和物體運動方面提出了錯誤的觀念，但不可否認的是，正是他的觀點和結(jié)論推動了后面物理學家們的研究，揭示出運動和力的關(guān)系的本質(zhì)。并且亞里士多德的研究范圍是十分廣泛的，他幾乎對每個學科都作出了貢獻，他的研究涉及自然科學、教育學、政治學、心理學等，是一位偉大的值得我們崇敬的前輩。課后請同學們查閱相關(guān)資料進一步了解亞里士多德的個人經(jīng)歷與成就。

教科書中滲透的物理學史絕大部分是正面的，這可能會讓學生對物理學有片面化和簡單化的認識，導致學生認為物理學家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程簡單容易，認為物理學的發(fā)展一帆風順。事實上，每一個物理定律、理論的發(fā)現(xiàn)，都經(jīng)歷了物理學家反復對其進行研究、探討甚至于激烈的爭論。比如，教材中關(guān)于萬有引力定律的內(nèi)容大概介紹了伽利略、開普勒、哈雷、牛頓等人的研究歷史，但是沒有提到著名的牛頓與胡克關(guān)于引力的紛爭，牛頓與胡克的爭論在當時是很激烈的，也正是不同的看法和爭論，才促進了牛頓在萬有引力的研究，物理學上才有牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力這一歷史壯舉。在教學中適當?shù)爻尸F(xiàn)一些物理學家爭論的歷史，有助于學生了解物理學家研究的艱辛歷程，幫助學生從不同的角度認識物理學史，有助于培養(yǎng)學生正確的價值觀和學史觀。

4 結(jié)束語

物理學史不僅僅是對人類研究自然界中物理現(xiàn)象的記載，也是自然界中物理發(fā)展規(guī)律的重要體現(xiàn)。教材中呈現(xiàn)的物理學史有著重要的教育價值，教材中未敘述出來的物理學史如能培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)，也應被重視。挖掘物理學史，將物理學史融入物理教學，體現(xiàn)出物理學史的教育功能，讓學生經(jīng)歷科學發(fā)現(xiàn)之旅，了解科學思維與探究，掌握、理解物理概念與規(guī)律，形成正確的物理觀念、提升學生科學素養(yǎng)，符合物理課程標準提出的培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的課程目標。