物理学史对物理三维教学目标的促进作用

2011-04-02王较过王娟

重庆第二师范学院学报 2011年3期

王较过，王娟

（1.陕西师范大学物理学与信息技术学院；2.教育部陕西师范大学课程中心，陕西西安710062）

物理教学必须根据三维目标的要求，使学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面获得全面发展。那么，在物理教学中如何实现三维目标便是值得我们大家关注的问题。虽然实现物理教学三维目标有很多策略与方法，但笔者认为，物理学史对实现新课程的整体目标发挥着不可替代的功能。物理学史反映了物理学概念、定理、定律等酝酿、产生和发展的过程，体现了物理学家们不畏艰辛、坚持真理的精神，同时包含了物理学家们在研究中所采用的研究方法等，教学中渗透一些物理学史是物理教学中实现三维目标的一个重要措施之一。

在物理教学中渗透相应的物理学史，有助于学生对物理知识的理解和把握，对学生的动手能力、实验能力的培养有很好的促进作用，有利于学生认识到科学探究的意义，促使学生学习物理学家们的科学探究等重要研究方法，有助于激发学生学习物理的兴趣，形成坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度，有助于学生形成与他人合作的精神等重要作用。由此可见，物理学史对物理教学的三维课程具体目标（以下简称三维目标）有重要的意义，本文就物理学史对三维目标的促进作用做以探讨。

1 介绍物理学史有利于学生知识的获得以及技能的培养

在物理教学过程中，对物理学史的相关介绍可以将有关的物理知识以历史故事的方式呈现给学生，使学生意识到物理实验是物理学研究的重要工具，是物理实践活动必不可少的手段，进而使物理知识形成的现实性、逻辑性和历史性相结合，这样便有利于学生对物理知识有个全面正确的理解和建构，有助于培养学生的实验技能和动手能力。

1.1 有助于学生对物理知识的理解和把握

通过物理学史的学习，有助于学生了解具体的概念、定理、定律的来龙去脉和具体的发展过程，可以使学生对该知识有更深层的理解和掌握。在物理教学中学生难以理解的其实恰恰是物理学史中常常难以攻克的问题［1］，是历史上物理学家们对此问题进行激烈争论、进行探讨的问题。在教学中如果适当的将历史上物理学家们在形成物理概念、认识物理规律的过程中所遇到过的困难、所产生过的错误想法、所做出的一些错误判断等呈现在学生面前，让学生对这些观点进行对比和分析，找出正确的结论和观点。这样，学生便会从这些历史发展中感受到自身的错误观念，知道自己的结论错在何处？错的原因何在？进而可以促使学生从更深层的角度来思考和理解问题，便有助于达到知识目标的要求：使学生能够对知识灵活运用，而不再是简单的记住一些概念、公式和定律，并且有助于学生自己以后对知识进行巩固。例如，在讲到牛顿第一定律时，可以从古希腊的亚里士多德的观点——必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力作用时，物体不能离开原来的位置而运动，且运动的速度随力的增大而增加［2］；然后到伽利略时代，伽利略根据斜面实验所得出的结论来进行推论，得出观点——物体在不受外力作用的情况下将沿原来的运动方向无限地继续运动下去，说明了并不需要一个力来维护物体的运动；最后再到牛顿——他根据伽利略等人的实验结论，并进行总结和研究，得出一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。在物理教学中我们将上述三种观点呈现给学生，使学生自己进行分析和判断，到底哪种观点是错误的？错误的原因在哪？最后可以帮助学生循着伟人的这条研究历程，使他们对力的发展过程有较深刻的了解，从而加深学生对力的概念的理解。同时通过这个历程的介绍，使学生对力的作用效果会有全新的认识——力是改变物体的运动状态或形变的原因，而不是维持物体运动的原因。通过物理学史的教学，使得学生对力的作用效果有很好的掌握，进而否定了自己根据日常生活经验所得的错误结论。

1.2 促使学生动手能力、实验能力的形成

物理是一门以实验为基础的自然学科，任何定律、定理、公式的得出都是物理学家们经过大量实验验证、推理、总结出来的精华。通过对物理学史的介绍可以帮助学生学习物理学家们不断重复无数次实验，精益求精的精神以及严密的推理能力，进一步培养学生的实验能力和动手能力等。不论是社会的进步还是科技的发展，都需要不断的发现问题和提出问题。发现问题后我们紧接着就要着手来解决一些问题，这便需要很好的动手能力。物理教学应提倡自主、合作、探究等教学方式，而这些教学方式的实施需要学生具有很好的动手能力和实验能力。由于物理学史极富动手能力、是无数实验累积的案例［3］，物理教师在教学中，通过对其介绍，有助于学生实验能力、动手能力等形成。例如，在学生学习电磁感应时，可以让学生思考既然奥斯特提出电能生磁，那么磁是否能生电？这时学生可能会产生各种各样的回答，这时可以适当的引入一些物理学史内容，即当时物理学家们对磁能生电的观点的看法。法拉第在多次重复了奥斯特所作的电流磁效应的实验后，并收集了各种电磁实验的资料，仔细分析思考，他确信：由磁肯定能生电。为了能验证自己猜想的正确性，法拉第坚持了长达约10年的实验研究。日复一日的实验，失败一个接着一个，但他并没有否定自己的猜想，不断的进行思索和总结，想了许多办法来改进实验。直到1831年10月17日，他将磁铁棒迅速地插入到绕有铜丝的圆管中时，突然出现了他想要的实验现象——电流计的指针摆动了一下，紧接着他又将磁铁棒从铜线圈中抽了出来，检流计的指针又摆动了一下。反复的实验都显示了相同的现象，在磁铁棒插入或从线圈中抽出的瞬间，电流计的指针都会摆动。最后他通过总结，得出结论：磁产生电是需要条件的：磁铁或线圈是相对运动的，便会有电流产生［2］（P221－225）。通过这些物理学史知识的介绍，可以使学生领悟到实验对物理学的重要性，进而对学生、实验能力、动手能力以及创造性思维的培养起到重要的作用。

2 渗透物理学史有利于学生学习探究过程以及领悟正确的物理研究方法

物理学的研究思想和方法都是在物理学发展过程中逐步形成的，是物理学家们经过长期的科学探究，逐步摸索、积累、形成和发展起来的。在物理教学中渗透相应的物理学史，可以向学生展现有代表性的物理学家们探索知识的过程，使学生了解前人是用什么样的研究方法来探索发现新的规律和理论，从中可以使学生领悟正确的研究方法，有助于对学生科学探究过程的培养。

2.1 有助于学生学习物理研究方法

《物理课程标准》将物理方法的传授作为一个重要的目标，物理学的思想和研究方法是伴随物理学的发展而建立起来的，是科学家长期的实践中逐步探索、积累和形成的，只有通过物理学史的引入，使得物理概念和规律的发现过程进一步重现，有助于学生了解物理学家认识和发现定律和定理的一些基本的物理方法。例如，在欧姆定律的教学中，应适当的介绍一些欧姆定律的发展过程。在当时那个年代，人们对电流、电压以及电阻等概念还不清楚，就根本谈不上对其进行精确的测量和研究。欧姆对导线中的电流进行了深入的研究，认为电流与傅立叶热导规律中的热流很相似，均受某种驱动力的影响（即现在所称的电动势）。此后进行了长期的实验，准备了截面相同、长度不同、同材料的导体，依次将各个导体接入电路中进行实验，然后改变条件反复操作，最后欧姆根据实验数据进行总结和归纳，得出电流大小与导线长度、电路两端的电势差、导体的横截面积、导体的材料有着密不可分的关系，为现代欧姆定律的形成打下很好的基础。还有惠更斯将声和光进行类比后，提出光的本性也是一种波动；德布罗意将实物与光进行类比后，首创出物质波概念等。通过这些物理学史的介绍，可以培养学生学习物理学家进行研究常用的类比法、推理法、对称法等思维方法，这些方法的学习都是启人智慧，发人深思的［4］。学生学会了这些科学方法，在以后的物理学习中利用这些方法来进行更好的学习和研究，这样可以使得学生学习起来会轻松很多，更主要的是会少走很多弯路。

2.2 促使学生学习科学的探究过程

纵观所有成功事物的发展过程，我们可以看出，任何事物的成功，如果没有一个良好的过程作为基础，是不可能取得好的结果。同时，物理新课程大力提倡探究式、自主式以及合作式等教学方式，纵观这些教学方式可以明确看出，它们都改变了原来教师讲、学生被动听的学习过程，而是注重了学生自身的参与过程，从此我们可以看出：物理新课程的实施不仅仅关注学生学习的结果，更注重到学生学习过程的重要性。对于物理学史来说，它是从历史维度揭示了物理学的发展过程，让学生对以前的整个研究过程有相当的了解是我们教学中不可缺少的一部分，最主要的是学生通过物理学史的学习可以学习物理学家的研究过程，为自己的学习和以后的研究做一个很好的铺垫。例如，麦克斯韦关于电磁波的发现过程，可以适当的给学生介绍他创立电磁场理论的步骤和过程：1855年在论文《论法拉第力线》中提出“涡旋电场”的假设；1862年在论文《论物理力线》中提出“位移电流”的假设；在前两个假设的基础上，麦克斯韦提出了电磁场理论——变化的电场可以产生磁场，同时变化的磁场可以产生电场，两者是相互联系，相互激发，形成变化的电磁场并在空间传播，进而形成电磁波；赫兹从1886年到1888年进行了一系列实验，产生了电磁波，并证实了电磁波与光波具有类似的性质，进而证实了麦克斯韦理论猜想的正确性［2］（P229－238）。从这些资料我们可以看出：麦克斯韦和赫兹两人经历了猜想、设计实验、进行实验、分析实验等探究过程最终验证了麦克斯韦电磁场理论以及电磁波的存在。从这些物理学史资料可以看出，适当的物理学史的引入，有助于学生探究过程的形成，能够使学生意识到学习过程、学习的态度决定着最终的学习效果。

3 渗透物理学史有利于对学生情感的熏陶，科学态度与价值观的培养

物理学发现的历史也就是物理学探究的历史，在这个不断的探究过程中充满了成功与挫折、分歧与争论，物理学家们坚持真理、不畏牺牲的科学态度以及量变与质变、否定之否定的辩证唯物主义世界观与价值观。在物理教学中渗透物理学家的生平事迹、高尚情操等可以调动学生的情绪，引发他们的好奇心与求知欲，引起浓厚的学习兴趣，同时可以培养学生学习物理学家良好的科学态度以及正确的价值观。

3.1 有利于激发学生学习物理的兴趣，培养学生的爱国情感，增进学生之间的友谊

兴趣作为学好一门课程的前提和基础，中学生正处于青春期，他们的兴趣更加集中，而且兴趣与奋斗目标有着直接的联系，所以在高中物理教学中，更应关注学生兴趣的激发［5］。同时由于物理学科的抽象性以及相对其他学科具有一定的复杂性，很多学生对物理具有一些畏惧心理。因此，激发学生学习物理的兴趣显得尤为重要。通过物理学史的引入，可以让学生感觉自己参与了整个物理现象的发现、知识理论的形成过程，使他们有一定的成就感，同时通过鼓励与表扬使他们获得心理上的满足，这样对学生的物理兴趣的培养以及信心的形成具有不可忽视的作用。比如，在讲万有引力定律时，我们可以结合人类对行星运动规律的认识：托勒密的地心宇宙哥白尼的日心说——第谷坚持不懈的精确观测——开普勒理性的数学计算——开普勒的三大定律——最近几年宇宙飞船的成功发射——对外星球的不断探索。通过这些相应的知识的介绍，再加上学生强烈的好奇心，这样可以使得学生认识到物理学的重要价值，激发他们学习物理的兴趣［6］。

我国作为一个历史悠久的文化古国，对物理的认识也是十分悠久的。在物理教学内容中，适当地、有选择引入有关我国的物理学史，有利于学生树立民族自豪感和自信心，激发学生对我们国家的热爱，肩负起强烈的社会责任感，对学生进行爱国主义教育有着不可忽视的作用［7］。例如，早在春秋战国时期，以《墨经》和《考工记》为代表的古代典籍中就大量记载了对物理现象的认识和应用，尤其是《墨经》中对力学和光学方面的探索，当时就给出了杠杆定律的定性表述和光学方面的基本规律，完全可与阿基米德的杠杆定律和欧几里德的几何学相媲美。还有从先秦两汉开始，到隋唐五代这1200多年间，我国的古代物理学都取得了较大的发展，如：汉代的透光镜、铜镜，东汉张衡制造的水运浑天仪和候风地动仪，后汉毕岚制造的龙骨水车等［8］，都在全世界的科学史上留下了光辉的一页。而且我国古籍《尚书纬·考灵曜》中关于相对性概念的叙述“地恒动而人不动，譬如人在大舟中闭牖而坐，舟行而人不觉。”相比伽利略关于封闭船舱内发生的力学现象的一段描述至少早1500余年。通过这些史学资料的介绍，可以使学生了解我国在物理学方面的伟大发现，有利于对学生民族自豪感和爱国主义情感的培养，使得学生具有振兴中华的使命感与责任感，有为我国物理学方面的发展做出贡献的意识。

任何一个概念的形成，每一个定律的建立，所有重大的科学发现，都是经过一代乃至几代人的艰苦探索汇聚，利用许多人的研究成果才得以完成和总结出来的。如果将这部分物理学史资料引入课堂，以强化学生们的合作意识，有利于培养学生之间的合作精神，建立和谐的人际关系。只有具有一定的团队精神和协作精神，才能在将来的工作环境中发挥更大的作用［9］。例如，牛顿万有引力定律的得出，试想一下，如果没有哥白尼“日心说”理论的基础，没有第谷坚持长期如一日精确的测量，没有开普勒不断的尝试和复杂的计算，没有伽利略的不懈努力等等，没有以前这些科学家们的不断付出和努力，牛顿难道有可能得出万有引力定律吗？纵观所有的物理方面发现和物理定律的建立，都是经过几十代人甚至几百代人的艰苦努力和不懈的坚持才得以完成的。同时，新课改提倡合作式的教学方式，要求学生之间应多进行合作与交流。而这些物理学史资料的引入，可以强化学生之间的合作意识，培养他们善于与他人之间的相处与交流，敢于坚持自己的观点，勇于修正错误，从而可以增进相互之间的友谊，进而建立和谐的人际关系和培养良好的团队精神。

3.2 有利于培养学生科学的态度

物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的历程，科学家的成就不是一蹴而就的［10］。同时，《普通高中物理课程标准（实验）》明确要求，在物理教育中应培养学生实事求是、尊重科学、坚持真理、勇于创新的科学态度。物理教师在教学中，适当的向学生介绍有关科学家们不畏权威、坚持真理、实事求是的科学态度，对学生良好科学态度的培养有很好的教育作用。例如，在学习开普勒三大定律时可以向学生适当的介绍哥白尼的日心说以及第谷？布拉赫有关天文学方面精确的测量。16世纪的哥白尼等发动了天文学领域的一场革命，创立了“日心说”，他们认为行星和地球绕太阳做匀速圆周运动，只有月亮环绕地球运行，这个理论沉重地打击了被罗马教廷所推崇的“地心说”，准确的解释了行星逆行等许多现象。然而，哥白尼的“日心说”在当时却遭到反动教会的残酷迫害，阐述“日心说”的不朽著作《天体运行论》，在刚公开出版时就被教皇宣布为“邪说”，并被列为禁书。继哥白尼之后，布鲁诺等人为了捍卫、宣传哥白尼“日心说”而壮烈地献出了自己的生命，成了科学史上的两大惨案［11］。到了17世纪，伽利略利用望远镜进而证明了日心说理论的正确性。哥白尼去世三年后，第谷·布拉赫出生了，在他的一生中，他把全身心的精力都投入了行星位置的测量中，在当时科学不发达的情况下，他几十年如一日、认真地、反反复复的测量，测量出的结果将天体位置的误差减小到2，并且他的观测结果为哥白尼的日心说提供了很好的基础，为以后开普勒的三大定律提供了很好的数据基础。从上述这些资料我们可以看出，通过这些物理学史的引入，可以帮助学生认识到任何成就都不是一蹴而就的，而是需要他们坚持真理、实事求是、甘于奉献等科学态度。

3.3 有助于学生辩证唯物主义世界观的形成

物理学发展的历史表明：物理学的发展与人类哲学理论的发展有着极为特殊的密切关系。回顾中学物理教学内容，物理概念、物理定理和定律都充满了辩证唯物主义内容。所以说，物理教师在自己的教学中，有意识地用辩证唯物主义观点去分析物理学发展史，进而阐明物理概念、规律。同时应结合物理学特点，进行物质第一性、物质的运动性和对立统一、量变与质变、否定之否定规律的教育，可以使学生从中领会其中所包含的辩证唯物主义观点［12］。同时，辩证唯物主义作为自然界、人类社会和思维发展最科学的思想，是正确且科学的世界观。例如，人类对原子模型的认识，由汤姆逊的“枣糕式”模型，到卢瑟福的“核式结构模型”，再到玻尔的原子量子化模型，再到电子云模型等。在整个发展过程中，枣糕式模型能够解释一些事实，但很快就被卢瑟福的散射实验结果否定，然而“核式结构”却跟经典的电磁理论相互矛盾，进而到波尔的原子量子化模型，但在解释一些复杂的原子光谱上遇到很大的困难，直到现在的电子云模型才得以完善。在原子核模型教学中，通过这些物理学史的介绍，我们可以使学生意识到“实践是检验真理的唯一标准、否定之否定”［13］等辩证的唯物主义观点，并且可以使学生体会到只有唯物主义才是真正科学的世界观，而且人类认识客观世界是永无止境的，需要我们不断的用辩证的唯物主义思想来进行研究，这就要求学生要具有辩证唯物主义世界观。