在中学物理课程中物理学史的探究式教学

张前军

(沭阳高级中学 江苏沭阳 223600)

1 引言

参加我市物理教师创新大赛已过一年有余，笔者参赛的课题为“玻尔的原子模型”．赛前诚惶诚恐的准备、赛中学生出乎意料的表现、赛后笔者侥幸获一等奖的惬意，都始终无法忘怀．早觉得有写一些反思文章的必要，但却不知从何写起，因为笔者对当时为什么选择物理学史的内容作为创新大赛的课题一直疑惑不解．

近期了解到命题人对此的解释是:创新教学比赛不仅是参赛教师的事，也是命题教师的事．如果选择含有实验内容的课题，大家都很容易按已经为大家所熟知的“提出问题、猜想与假设、设计实验和进行实验(收集证据)、分析论证、评估、交流与合作”的模式进行探究式教学，虽然这样很容易体现新课标的要求，但它体现不了参赛教师的创新水平．而选择物理学史的内容作为创新教学课题更能让大家进行有差异的体现新课标要求的创新教学设计．听完解释后我豁然开朗，并以此作引言谈一谈笔者对新课标下的高中物理课中物理学史探究式教学认识的转变．

2 物理学史探究式教学的现状

为了突出高中物理的主干知识，也为了减轻学

另一方面，更主要的是新课程十分重视教学中的科学探究．在必修模块和不以物理学史为主要内容的选修模块教材内容都是按新课程要求进行了大幅度变革，强迫教师进行探究式教学，才能与教材内容设置相一致．而在以物理学史为主要内容的教材编排设计就没有这种“强迫”的特征，教师以传统方法进行教学也能与教材内容相统一;但用探究式教生的学业负担，新课程对高中物理内容设置分成必修和选修模块．

江苏省高考要求对选修模块中的3－3，3－4和3－5三个非主干知识模块只选择其中的任意两个即可．三个模块在高考中的问题难度相当，这必然导致这三个模块内容考的都比较简单;而以物理光学和原子物理等为主要内容的物理学史内容主要放在选修3－4，3－5系列中．

一方面，受现行高考指挥棒的影响，教师在这些内容的实际教学中很少关注过程与方法、情感态度与价值观目标的达成情况．应试教育下注重基本知识的教学特征在物理学史内容教学中还是非常突出的．毕竟物理学史的基本知识较少，在实际教学中要么是教师一讲到底，突出基本知识;要么从形式上以学生为主，先让学生自我阅读，然后教师对基本知识进行解释．甚至，因为对其他主干模块知识用时太多，教师对物理学史内容进行浓缩教学，一课时能上几节内容．学却不知从何下手．

综合以上几个原因，在新课标要求下的物理学史内容就变成了教学中的“鸡肋”．

3 物理学史探究式教学的认识误区

教育理论和教学实践表明，学生认知的过程符合“重演论”．物理学史记述了重大物理实验和理论的发生、发展过程，描述了有重要影响的物理学家的思维过程．学生只有“亲历”物理学的发展过程，才会彻底掌握物理知识和科学方法．同时，物理学史再现了科学家们克服种种阻力与困难作斗争、与传统观念作斗争的过程，有利于培养学生形成正确的人生观、世界观．因此，物理学史内容的教学具有实现新课程三维目标的功能．但是对于一线教师而言，目前最大的困惑在于如何对物理学史内容进行探究式的教学，以实现“体验科学探究过程，了解科学研究方法”这一目标．

为什么会有这样的困惑?其原因在于我们对新课标中科学探究要求的误解．新课标指出科学探究包含的要素有:提出问题、猜想与假设、设计实验和进行实验(收集证据)、分析论证、评估、交流与合作．在受到先期能体现科学探究全部要素的必修内容教学的影响下，再加上对新课程诚惶诚恐的初浅认识，教师对科学探究的要求产生了误解:探究式教学过程中必须要体现科学探究的全部要素．显然，在物理学史教学中是不容易实施这样的探究式教学的．

其实，新课标中指出的科学探究的几个“要素”不等同于“环节”．一个过程缺少必要的环节就会中断，而新课标中指出的要素是科学探究的标志，一个具体的教学过程只要具有这样一两个要素，它就有了探究性．这也就是说，教学中的科学探究不一定是“完整”的．

另外，科学探究的学习有两个方面含义:一方面是教师引导学生在自己的探究活动中学习怎样进行科学探究，另一方面是教师引导学生研究前辈科学家的工作过程学习科学探究．新课程中物理学史的内容恰恰也就基于这后一方面考虑而进行设置的．这样不仅有助于师生改变头脑中关于科学探究的直接检验假设或探究必须亲手做实验的简单化的模式，更有利于师生形成科学的探究观，防止形成那种一步一个实验，学到的所有规律都要由实验直接验证(甚至都要由实验归纳出来)的形式主义科学探究的做法．

综上所述，科学探究是一种精神，它应该贯穿于整个学习过程．教师要想尽一切方法调动学生探求新知识、构建新方法的积极性，而不是让学生被动地吸收知识，这样也就体现了新课程的探究精神．

4 物理学史探究式教学的可行性

爱因斯坦说:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”．科学探究的第一要素是提出问题．由此可以看出提出问题在科学探究中的重要地位．在物理学史教学中最难把握的也就是“提出问题”这个要素．若由学生提出问题，则会五花八门;有的虽然有意义，但未必与教学发展方向一致．因此，多数问题还是要由教师提出．但在物理学史的教学中教师提出有探究价值的问题也比较难，一方面是因为学习的内容是已经发生过的历史，若提的问题太浅，大家都知道;另一方面，教材中的物理学史是关注有重要影响史实的浓缩化的历史，若提的问题太深，大家都不会;甚至有些物理学新理论的初期建立全凭物理学家敏锐的洞察力和思维直觉，谈不上为什么之类的问题．那么，在物理学史教学中怎样才能提出有效的问题呢?

笔者认为，物理学史中重要理论和实验的产生有其历史发展的必然性;在对这种必然性以及理论与实验的科学性的分析过程其实就是一种非常可行的科学探究过程．在探究的过程中，科学猜想是最活跃的因素，他的提出往往是由于某些事物的启发，教师要充分利用史料创设探究式教学的问题情境，鼓励学生大胆猜测分析，从中体验科学探究过程，构建科学研究的方法．

另外，由于多媒体具有将文字、图像、声音、动画有机结合，易于激发学生兴趣以及传输信息量大，操作的可重复性等特点，因此，在物理学史内容的教学中通常要利用多媒体等形式再现历史上物理学家对当时的科研难题的解决过程以及重要的实验过程，或者把难以理解的重要理论用模拟动画等形式展示出，营造研究物理学史的氛围．另外，在历史上重大理论、实验诞生过程中受到许多因素的先后影响;利用多媒体课件可操作的重复性特征，可以将问题呈现具有科学的层次性，忠实于历史发展的过程．总之，利用多媒体手段是上好探究式物理学史课的重要途径．

5 物理学史探究式教学的案例分析

以下是“玻尔的原子模型”教学片段的探究式教学设计及分析．

片段一:玻尔理论产生的必然性探究

背景介绍:1898年汤姆孙建立了原子的“枣糕式”模型．1911年卢瑟福建立了原子的核式结构模型．而在卢瑟福时代已知的原子事实是:原子是稳定的，原子光谱是分立的．1885年巴耳末已经观察到了氢原子的一组分立的谱线且满足

式中λ是谱线的波长，R是一常量．而按经典理论分析得到的原子现象却是:原子是不稳定的、原子光谱是连续的．

设计意图:通过对前期学习的原子模型建立过程介绍，由此突显人类建立原子模型过程是多么的困难，以致让英国剧作家萧伯纳都说:“科学总是从正确走向错误”，从而实现“情感态度与价值观”这一目标．突出经典理论下原子核式结构模型的困惑，由此作为铺垫引出玻尔理论产生的历史必然性分析．

(1)是原子核式结构本身存在问题?(不是，它有α粒子散射实验支撑)

(2)是原子稳定性和光谱分立性存在了问题?(不是，它是客观存在的事实)

(3)还是经典理论在原子领域不适用了?(是的，它是困惑存在的唯一合理解释．)

(4)新原子理论必须满足的要求:保留已经取得的成功之处，消除困惑之处，能解释已知的事实．具体的要求有哪些呢?(保留核式结构、能解释原子的稳定性和光谱的分立性、不同于经典理论，暂时应表达成假设)

(5)假如我们就处在卢瑟福建立核式结构的那个时代，前一阶段学习过程中哪些科学家不同于经典的新观念可以给我们以启发呢?(1900年普朗克把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，成功地解释了黑体辐射能谱分布规律．1905年爱因斯坦提出了光本身由就是一个个不可分割的能量子组成的，建立了光子新概念，成功解释了光电效应现象)

设计意图:通过设置对原子核式模型存在困惑的梯度问题分析突显建立新理论的过程也就是对理论联系实际分析中进行去伪存真的过程，从中得出建立新理论的科学方法，以此培养学生形成科学的探究过程观:提出问题—分析论证—实现“过程与方法”这一目标．

片段二:玻尔原子理论的科学性探究

(1)轨道量子化与定态假设能解决原子核式结构模型存在两个困惑中的哪一个困惑?(原子稳定性的困惑)

(2)频率条件假设能解决原子核式结构模型存在两个困惑中的哪一个困惑?(原子光谱分立性的困惑)

(3)玻尔理论非常成功地解释了氢原子的巴耳末系光谱是氢原子从高能级跃迁到第2能级产生的，氢原子从高能级跃迁到第2能级发出巴耳末系光．你能想象出原子是否还会发出其他系列的光呢?(还可以从高能级跃迁到第1能级、第3能级等能级产生相应系列的光)

教师总结:假若 ×××同学能够测出这些谱线的存在，这个谱该叫什么名称呢?我想也应该叫×××系谱线．有点遗憾，同学们生不逢时，这些氢原子谱线被赖曼(19914年)、帕邢(1908年)、布喇开(1922年)、普丰特(1924年)等人发现(多媒体展示氢原能级跃迁发光图)．我们有与这些大师一样的想法、一样的智慧．但为什么发现它们比巴耳末系谱线迟了好多年呢?通过计算知道，这些谱线系都在非可见光区，不如可见光区的巴耳末谱线系更容易发现．

设计意图:新理论的科学性分析不仅简单体现在对已知现象的正确解释，更应体现在从新理论角度指导探究(后来被证实的)未知领域．实现“知识与技能”、“过程与方法”这两目标．

在教学实践中笔者深深地感受到探究式教学下的物理学史内容是实现新课程三维目标的绝好教材;它不仅能同时实现课程目标的三维要求，而且能使其融合成一个完美的整体．

1 张大昌．从物理课程看科学探究．中学物理教学参考，2006

2 苗元秀．课程标准高中物理教科书(人教版)选修3－5编写思想．中学物理教学参考，2007