对在高中物理课堂教学中引入物理学史的几点认识

李　茂

摘要：物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程。它涉及到认识论和方法论的因素，体现着认识过程中理论与实践、继承与突破、理性与非理性的辨证统一，因而，物理学史富含着“教书育人”的教育因素。高中物理新教材在各模块中多处引入物理学史，教师在教学过程中应注重将物理学史有序、有趣、有度地融入课堂教学，使得科学教育和人文教育交融，以此增强课堂教学内容的生动性、艺术性和实效性。

关键词：物理学史；物理课堂；引入

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2009)4(S)-0007-3

歌德曾说过：“一门科学的历史,就是这门科学本身。”早在20世纪30年代,著名的物理学家保罗•朗之万也指出：“在科学教学中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”就高中阶段的物理教学而言，笔者认为更应如此。高中阶段学习的物理知识更严密、更系统，知识面逐渐拓展,这要求学生具有勤学好问、独立思考、深入钻研的自觉性。因此，学生需要的不是“满堂灌”式的讲授，更渴望引人入胜的启迪。

在课堂中系统地引入物理学史教育，将有助于学生顺利地完成此阶段的学习任务。因为历史上物理学家在形成物理概念，发现物理规律的过程中所遇到的困难，所产生的种种想法（其中包括很多错误想法），所做出的种种判断（包括一些错误判断）等，学生在学习过程中往往也遇到过、产生过、做出过。当学生了解到物理学家们也有同样的想法时，会产生共鸣，而且能从他们的想法中得到启迪。教学实践也表明，一个初学者通常难以学会的那些部分往往正是科学进展中难于攻克的部分。熟知物理学史的教师，能够了解学生在学习过程中可能出现的问题和困难，进而将之作为重点和难点，并有针对性地帮助学生克服认识上的困难，排除误解和疑问，从而使学生正确地理解和掌握物理知识。如何在课堂教学中灵活地引入物理学史，笔者认为应该做到有序、有趣、有度。

1 要注重引入物理学史的有序性

引入物理学史的有序性主要体现在引入对象和引入行为自身（即物理学史）两个方面的有序性。

1.1 引入对象的有序性

高中阶段没有专门开设物理学史课程，大多数教师引入物理学史是为了学生更易了解和掌握物理知识，视物理学史为一种工具，但笔者认为，物理学史在高中物理教学中，不仅具有工具性，更具目的性。物理新课程各模块的教科书中，无论是侧重于基础的必修部分，还是侧重人文的选修1系列，侧重应用的选修2系列，或是侧重理论的选修3系列，物理学史作为叙事脉络始终贯穿于各模块教材。作为教科书的有机组成部分，物理学史无论是从内容选入上，还是呈现方式上都较以往有着很大的不同。在内容上增加了很多历史知识，主要呈现在“科学足迹”、“科学漫步”、“STS”等栏目中。可以说，物理学史教育已经成为了一个相对独立的教学目标。

物理学史是关于物理学发生、发展的历史，它们自身的知识是有序的。因此引入课堂的物理学史也应有自身的发展脉络和完整性，而不应是支离破碎、混乱的。例如在高中物理阶段，涉及了物理学史上四次影响深远的“统一”：第一次是牛顿三定律和万有引力定律的建立确立了天上和地上的物体遵循相同的规律；第二次是麦克斯韦电磁场理论的建立，实现了电和磁的统一；第三次是人们确认了光是某一频率的电磁波，实现了电磁波和光的统一；第四次是爱因斯坦的光子说和德布罗意的物质波理论的提出，实现了波和粒子的统一。以上“统一”都是科学史上的一个里程碑。

又如，1900年普朗克曾提出著名的能量量子化假说，那正是量子论新纪元的开始，十分巧合的是，在量子概念产生的同年，W•泡利降生了。以后每隔一年，海森堡（1901年生）、狄拉克（1902年生）等人又相继来到世间。我们知道，除了这几人以外，在世纪之交，即物理学史上风云际会的时期前后诞生的还有赫兹（1857~1894）、普朗克（1858~1947）、密立根（1868~1953）、卢瑟福（1871~1937）、爱因斯坦（1879~1955）、朗之万（1872~1946）、波恩（1882~1970）、玻尔（1885~1962）、薜定谔（1887~1961）、德布罗意（1892~ ）等人。他们在青年时代就脱颖而出，才华横溢。近代物理学发展史上著名的二十世纪物理学革命，总是与这些了不起的人物的名字联系在一起。在时间非常有限的高中物理教育中，我们不可能穷尽浩瀚的物理学史，应删繁就简，合理安排教学计划，尽量充分展现物理学史发展的清晰脉络，让学生了解较为完整有序的物理学史知识体系。

1.2 引入行为的有序性

物理学发展史的有序性是单一的，即以时间为序。但引入行为的有序性则是灵活多样的。引入行为是思想到行动的过程，最终体现在教师的语言上。教师在叙述史实时，或以时间为序，或以空间为序，也可以相关理论、人物、事件的关联为序；同时选择叙述的方式，可顺叙，可倒叙，也可插叙，还可补叙。比如，关于卢瑟福发现放射性元素半衰期的历史，可以在高一物理第一节课绪言部分论及物理学的未来时插入，也可以在高三第十九章新课中关于半衰期的定义时插入。其实，物理学史既可在新课上，也可在复习课上，还可以在习题课上引入；或者在课堂开头做为引言，或者在课堂进程中间做为论证证据，或者在课堂结尾时做为总结等。只要结合教学需要，考虑到学生的接受能力和兴趣，教师可以充分发挥主观能动性。

必须正确处理好引入对象和引入行为的有序性两者的关系。笔者认为，引入对象的有序性要为引入行为的有序性规划整体运行轨迹，引入行为的有序性最终要完全展现引入对象的有序性。在课堂上以自由灵活的方式引入的物理学史实，尽管它们是物理学史中的片断，散布于整个高中物理课堂之中，但是整体来看，是一幅历史画卷。

2 要注重物理学史引入课堂的趣味性

一些学生因初中阶段缺乏牢固的物理知识基础，进入高中阶段后一时无法适应，难以跟上教学进程，往往出现厌学情绪，觉得物理枯燥乏味，倍感焦躁与不安。无疑，物理学史的引入为他们学习物理开启了另一扇窗。将学生们感兴趣的知识的发现历程和物理学家成长经历，以讲故事的方式娓娓道来，最大程度地还原知识产生的过程，这不仅利于学生理解知识，而且有利于激发他们的求知欲和学习的激情。因此，在引入物理学史时，趣味性应重点强调。

2.1 侧重引入物理学家的趣味故事

物理学史由于具有故事的情节性、人物的生动性、过程的坎坷性而极容易引起学生的注意力。例如，费恩曼与老妇人关于汽车超速问题的不同解释，幽默地说明了科学知识与人们生活经验的区别，这也是学生学习过程中往往遇到的困惑。又如，在学习胡克定律时，可适当介绍胡克在发表这个定律时的故事：胡克于1676年发现物体的弹性规律时，既想领先发表这一定律，又不愿让竞争对手直截了当地掌握这一定律，于是他采用了当时流行的办法--用猜谜的方式发表了这一定律，谜面是“ceiiinosssttuv”。两年后，胡克才揭晓了谜底，即拉丁语“uttensiosicvis”，翻译成中文就是“有多大的伸长就有多大的力”（物体的形变跟受到的力成正比），这一史实很容易吸引学生，从而激发其好奇心。

2.2 侧重物理学前沿的最新发展史

对未来的探索追问，是青少年最为感兴趣的话题。高中阶段的学生最富于幻想，较少保守思想，物理学家们进行创造性思维活动所特有的那种好奇心、好胜心和怀疑精神在学生中比较突出。众所周知，陈景润攻克哥德巴赫猜想的雄心壮志，就源自于中学时代一位高明的数学老师在讲课中提及的“额外”一词。在物理学史中，类似于这样的问题是不乏其例的。比如，高中学生学习电磁学时，他们深知有单独存在的正电荷和负电荷，但一根磁棒一分为二后，仍具有南北两个磁极也是不可否认的事实。善于思考，敢于想象的学生必然向老师发问，“有电荷，那有无磁荷？”、“世界上有没有单独的磁荷存在？”这时，教师可提到1931年英国物理学家狄拉克关于磁单极子的最先设想和论证，然后介绍目前寻找磁单极子实验的最新信息。又如在讲基本电荷时，就可适当介绍近年来在高能物理研究中，提出了存在分数电荷设想的有关内容。这样的史实，给学生创造了思考的平台，更能激发学生强烈的求知欲和学习热情。

通过讲解物理学家的奇闻异事、各大物理学派间的争端、科学佯谬与科学争论以及尚未解开的物理课题来激发学生学习物理的兴趣，让学生从中学习物理学家严谨的科学态度和科学的思维方法，不断提高自身科学素质、养成良好的学习习惯，变被动学习为主动获取知识。

3 物理学史引入课堂，要掌握好度

3.1 目的性和工具性的尺度

目的决定工具，工具服务于目的。两者是主导和被主导的关系。前文所述，物理学史在高中物理教育中具有双重地位，一是目的性、二是工具性。所处地位不同，引入物理学史的限制条件和自由尺度就不同，需要区别对待。

当物理学史处于目的性的地位时，那么学生通过了解物理学史来培养人文素质成为相对独立的教学目标，这时引入行为的自由度就非常大，制约因素较少。它的自由度取决于它与其它教学教学目的之间的关系。相对于传授基础物理知识体系教学目的而言，高中物理课堂中的物理学史教育是处于次要地位的，这与大学中物理学史课程不同。因此，它不可能像大学安排充分的教学时间，涉及丰富的教学内容，更不可能像大学物理学史教师那样自由拓展。

当物理学史处在工具性的地位时，作为辅助性材料，目的是让学生更容易理解知识。这时引入行为的外在限制条件就较多。关于选择什么内容、用多少、怎样用，既要考虑知识点的难易程度、学生的接受能力，还要考虑讲解这一知识点所用时间的限制等。当引入的物理学史处在工具性的地位时，引入行为的自由尺度最终要取决于教学目的——让学生更易掌握该知识点或理论。与前一种情况相比，此时的引入行为更为讲究适度，既要注重与课本结合，注重与学生的认知能力结合，同时还要言简意赅，生动有趣，切不可客居主位。

3.2 日常生活化与艺术化的尺度

无论用哪种方式呈现历史事实，都是作者根据已有资料整理加工而成。尽管与文学作品不同，但都有艺术化的成分，只是多少之分。有时这些艺术化的史实若偏离了日常生活真实情况，容易使我们产生偏见。

科学家们在一定的历史时期对科学的发展做出了不朽的贡献，获得了社会和历史给予的崇高荣誉和评价，这是理所当然的。比如牛顿进行了光的色散实验，建立了二项式定理，创立了微积分，确立了运动三定律和万有引力定律，被人们称为“有史以来最伟大的天才”。这是历史对他的赞誉。在课堂教学中，如果教师只讲他的成就和荣誉，容易使学生觉得牛顿太了不起，是可望而不可及的。其实，还应提及牛顿的成就除自身的天赋和勤奋外，还凭借了前人的成果和同代人的思想，最终才作出了伟大的成绩。而且，牛顿性格古怪，曾同许多人发生过论战，晚年还误入歧径，致力于上帝第一推动的研究。这样，学生对牛顿的了解更全面，就会感到牛顿是可敬的，可学的。

我们应该认识到真理并非绝对，定律也非永恒。随着科学的进步，物理概念的内涵在不断地发展着。如果没认识到这点，人们就容易使人固步自封，止步于前人的发现而不能前进。

比如，牛顿定律的适用范围和惯性概念的历史演变。十七世纪，牛顿力学被看成永恒的真理，物理学领域出现了一切归于牛顿力学的思想。到十八世纪，电磁学的发展才打破了这一观念。二十世纪初，人们认识到牛顿力学包含在爱因斯坦的相对论之中，但在高速微观粒子领域，牛顿力学不在适用。另外，惯性概念的演变也说明了这一点：惯性概念起源于伽利略，牛顿认为惯性是物质的固有属性，质量是惯性的量度，并用第一定律来表述这一性质。这一概念历经贝克莱、马赫发展到现在，则由爱因斯坦在广义相对论中作了进一步的表述：惯性包含在运动的最短程线中。这一思想富有更深的含义，因而，我们在传播这方面知识时首先要有所暗示，为学生继续学习埋下伏笔。

因此，笔者认为在引入物理学史时，在保留艺术化的同时，更要强调史实的日常生活化，还原已经“神”化或“天才”化的科学家以本真的生活状态，还原探索真理过程的“非凡”以日常生活的“平凡”。

我国物理学家钱三强曾论述了在物理教学中引入物理学史的意义：“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘。如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得效益，我想对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的。” 因此，在高中物理课堂中有序地，有趣地，有度地引入物理学史，对高中生的培养是非常有作用的。

(栏目编辑 赵保钢)