谈物理学史在物理教学中的运用

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  《普通高中物理课程标准》明确指出中学物理课程总目标是:“学习科学探究方法……发展好奇心与求知欲,发展科学探究兴趣,有坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神,有振兴中华,将科学服务于人类的社会责任感。”下面结合本人多年教学实践谈谈如何结合物理学发展史来实现以上物理课程目标,发挥物理课程在情感、态度和价值观等方面的教育功能。
  
  一、运用物理学史,培养学生学习兴趣
  
  爱因斯坦说:“热爱是最好的老师。”许多物理学家之所以取得成就。是由于他们具有强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣。兴趣是靠引导而逐渐形成的。在物理教学中,我讲了一些物理学史的故事。例如,在讲单摆知识时,介绍伽利略观察教堂吊灯的晃动而发现了摆动的等时性,从而发明了摆钟;在讲光的色散知识时,演示了牛顿关于光的色散的实验,当学生看到白光变成美丽的彩带时,都惊讶不已;讲浮力,谈曹冲称象和阿基米德称皇冠的故事;讲大气压强,讲马德堡半球的故事和为解决矿井抽水问题托里拆利所做的实验。这样的史实不仅能使学生对所学内容印象深刻,同时还会引发学习物理知识的兴趣。乐于探索自然现象和日常生活中的物理学原理,乐于参与观察、实验、制作、调查等科学活动,增强将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。
  
  二、运用物理学史,培养学生爱国主义感情
  
  中国是世界文明发达最早的国家之一,当欧洲处于中世纪黑夜时,在我国是从南北朝到明代,正是封建社会和科学技术的繁荣时期。物理学在中国有悠久的历史,它在古代的成就曾对世界文化与科学的发展有着相当的影响。例如讲物体重心时,我介绍了距今约六千年前的西安半坡出土的仰韶文化遗物中,以及在黄河两岸地区都曾发现有的“欹器”,“虚则欹,中则正,满则覆”的描述说明当时人们对物体的重心已有认识并加以应用;在讲力学时谈到战国时期(公元前四世纪)的《墨经》中对力作出了“刑(形)之所以奋”的定义,对杠杆、轮轴和斜面作了分析,明确指出“衡,……长重者下,短轻者上”,这不仅考虑到力和重物的因素,而且考虑两端与支点距离的因素,初步讨论了物体平衡原理。
  战国时期墨家最伟大的成就在光学方面。《墨经》中以八条文字连续地记述了光学问题。它们依次序分别为:影子生成的道理;光线与影的关系;光线直线行进实验;光反射特性:从物体与光源的相对地位确定影子大小;平面镜的反射现象;凹面镜的反射现象;凸面镜的反射现象。晋代张华曾发现用梳子梳理头发和解脱丝绸毛料衣服时的起电现象,他看到静电闪光。听到放电的噼啪声。明代的都邛曾记述了一种丝绸的摩擦起电实验:“吴绫出火,吴绫为裳,暗室中力持曳,以手摩之良久,火星直出”这些静电现象在欧洲直到近代科学诞生的十七、十八世纪才被发现。春秋末期成书的《管子·他数编》,战国时期的《鬼谷子》,战国末期的《吕氏春秋》等,都记述到天然磁石及其吸铁现象,记述了世界上最古老的指南针“司南”。
  运用这些史料,教育学生增强民族自信心、自豪感和爱国热情。
  此外我还讲述改革开放以来我国物理学的成就。如讲到万有引力与人造地球卫星时结合“神舟五号”、“神舟六号”载人航天事业的巨大发展,指出我国已经成为世界上第三个具备载人航天技术的航天大国。激励学生学好物理知识,为祖国建设作贡献。
  
  三、运用物理学史,进行科学思想与方法教育
  
  物理教学的任务之一是传授前人已经获得的理论知识。反映在现在教科书中的物理学理论,都是人们根据教学的需要经过多次编辑整理,形成的严密理论逻辑体系。教师在讲授时,也往往只注意理论本身的逻辑结构,习惯于从少数几个基本假设或定律出发运用数学方法推导出结论,这就掩盖了科学认识由感性到理性。由现象到本质,由个别联系到普通联系的具体发展过程。这样会使学生对这些知识的来源,理论体系的形成,感到深奥莫测,认为各个物理学概念,原理和定律的获得都是一蹴而就的,只是历史上那些智慧超人的科学伟人的“灵感”的创造,是历史的巧合和偶然,是常人所不能及的。这样的教学结果在学生身上就表现为长于演绎推理而短于归纳推理。对于以一般性结论为大前提、题设条件为小前提得出特殊情况下的结论的推理形式,学生有清晰的思路,但在归纳推理方面能力却比较差。例如当问到。在力的分解中有哪几种情况可以得出确定的解?在满足什么条件时带电粒子才是沿电场线运动的?面对这一类需要将若干情况和条件进行归纳对比,从而得出一般性结论的问题时,就连解题能力较强的学生也感到无从下手。
  面对这一局面我在物理教学中力图运用物理学史实来使学生明白:任何一点物理知识的获得,都是一个动态的历史的过程,都有一个从感性到理性,从低级到高级,从片面到全面的发展和演变过程,都是科学思想与方法的巧妙结合过程。就以万有引力的发现为例。早在17世纪初,吉尔伯特、开普勒、伽利略等人都提出过天体间存在着引力的思想。1645年,法国天文学家布里阿尔德奥已提出了太阳对行星的引力和二者距离的平方成反比的假说。在牛顿正式提出万有引力定律之前,1616年英国皇家学会已成立了一个专门委员会研究重力问题。罗伯特·胡克,克里斯托夫·雷恩和爱德索·哈雷等人在引力问题研究上都做出了重大贡献。胡克已觉察到引力和地球上物体的重力有相同的本质;哈雷和雷恩也在1679年按照圆轨迹由开普勒第三定律和惠更斯的向心力公式证明作用于行星的引力与它们到太阳的距离平方成反比。牛顿是在研究和概括前人的成果,并在数学上对月球与地球间的引力与运动规律做了大量的检验工作之后。于1685年得到万有引力定律的表达式的。所以,这个定律决不是像某些人说的那们。是牛顿从看到苹果落地所得到的“顿悟”中突然产生的。这样学生才会了解一个理论建立的实验基础,了解一种抽象模型所依据的实际原理,了解一种观点和物理思想的演变,使学生在课堂上亲身经历一下物理学基本概念、原理和理论的产生,形成和发展的过程。这样有助于消除学生对已有物理学知识来源的“偶然性”和“神秘感”,有效地进行科学思想与方法的教育,同时培养学生的思维能力。
  
  四、运用物理学史,培养学生科学态度和科学精神
  
  科学精神是人类科学文化的重要财富,也是民众科学素养的重要组成部分。美国面向21世纪人才培养的“2061计划”在《面向全体美国人的科学》一书中就将科学不仰仗权威作为美国基础教育中科学世界观的构成要素:我国正在进行的新一轮高中课程改革也明确将科学态度与科学精神列为科学教育的重要目标。其目的就是要使科学教育超越公式与符号,使学生成为真正具有科学素养的人。科学精神与科学知识、科学方法一样,是构成科学素养不可缺少的要素;也是当前科学教育最缺少,而又是人们最需要的素养。
  教学中渗透科学史的知识,有助于培养学生对科学的正确认识,有助于学生创新意识的培养,有助于学生理性怀疑意识的建立和批判精神形成。
  1909年卢瑟福在做a粒子散射实验时发现大约有八千分之一的a粒子发生超过90°的大角度散射。卢瑟福后来提起这件事时说:“这是我一生中最不可思议的事件,这就是您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹,却被反弹回来的炮弹击中一样的不可思议。”这促使卢瑟福去思考他的老师汤姆生原子模型的正确与否这一问题。本来,汤姆生为a散射建立了一个多次碰撞的理论,可以解释大角度散射。由于a粒子比电子的质量大得多。因而两者多次碰撞几率趋于零。而实验结果却是八千分之一这是一个极大的矛盾。
  一边是恩师的理论,一边是千真万确的实验结果,卢瑟福陷入了极其矛盾的境地,经过长时间的思考,1910年底,卢瑟福终于做出决断,放弃汤姆生模型,承认原子有核,从而建立了原子核式结构模型,为原子物理和核物理奠定了最主要的基础。
  批判精神的核心是怀疑精神,表现为不迷信权威,不迷信书本,坚持真理。哈佛大学的校训是“以柏拉图为友,以亚里士多德为友,更要以真理为友”;亚里士多德的名言:“吾爱吾师,吾更爱真理”,都是批判精神的写照。物理学的发展史就是一部反思、怀疑、批判、求真、求美、求新的科学史。从光的微粒说。波动说到波粒二象性和光子说;从古典力学到相对论力学;从热质说,热力学到能量说;爱因斯坦与玻尔之间就量子力学是否完备发生的长期争论等,都是让学生体悟批判精神的生动素材,对物理学史的阅读、听讲、讨论本身就是一种培养批判精神的过程。通过对批判精神的培养逐步形成判断大众传媒是否符合科学规律的初步意识。
  当然,物理课不必堂堂讲史。讲史必须适逢其时,恰到好处,画龙点睛,其关键在于讲史和讲知识、讲方法水乳交融。使学生在学习物理的同时受到相信科学、热爱科学的教育,使学生获得基础知识与基本技能的过程同时成为形成正确价值观的过程。在学习知识的同时潜移默化地受到辩证唯物主义教育,培养了实事求是的科学态度与严谨的科学作风,以及爱国主义情操。
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