融入物理学史培育核心素养

2017-12-01王高

物理教师 2017年11期

关键词：伽利略物理学物理

王高

(江苏第二师范学院，江苏南京 210013)

融入物理学史培育核心素养

王高

(江苏第二师范学院，江苏南京 210013)

物理学史反映了物理学概念、定理、定律的酝酿、产生和发展的过程,蕴含了物理学家们研究物理的方法,体现了物理学家们执着追求、坚持真理的精神等,是培育核心素养的重要教学资源．本文介绍了在教学中科学地融入物理学史的策略——情感体验策略、适时融入策略、因材渗透策略、追本溯源策略、再创式教学策略,这些策略的使用能有效地培育学生物理核心素养．

物理学史；融入；核心素养；策略

物理学史反映了物理学概念、定理、定律的酝酿、产生和发展的过程,蕴含了物理学家们研究物理的方法,体现了物理学家们执着追求、坚持真理的精神等．教学中融入物理学史对激发学习兴趣、形成物理观念、培养科学思维、开展科学探究、树立哲学理念等方面有着良好的促进作用．

1 物理学史是培育核心素养的重要教学资源

物理核心素养主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面构成,物理学史中具有丰富的物理教育元素,是培育学生核心素养的重要教学资源．

1.1 物理学发展史是物理观念形成的良好素材

物理学的概念、规律随着物理学的发展在不断演变着．了解物理概念、定理、定律的来龙去脉和发生、发展过程,可以帮助学生了解物理学基本观念的变革,促进学生对知识更深层次的理解和掌握,认清物理知识的本质．

在对落体运动的研究中,亚里士多德凭着直觉和生活经验,认为物体下落的快慢与物体的重量成正比．伽利略对落体运动研究的路径是:一般观察——假说——通过演绎思维得出推论——对推论进行实验验证——对假说进行修正．

(1) 通过观察并作出假说.

伽利略观察一块原来处于静止状态的石头从高处开始下落,并不断获得速度增量时,认为应该相信这样的速度增加是以为人们十分容易理解的极简单方式进行的．如果仔细考察,我们可以发现,增加的方式没有比以同样方式重复更简单的了．因此这种运动的定义可以陈述为:若一物体从静止状态出发并在相等的时间间隔内获得相等的速度增量,则称该运动为匀加速运动．

图1

(2) 通过演绎思维得到自由落体运动的规律.

(3) 实验验证——伽利略的加速度实验.

1638年,伽利略做了一个长6m多,宽约0.3m的光滑直木板槽,板槽抛光,并铺以羊皮纸,羊皮纸平滑光亮．再把这个木板槽倾斜固定,让铜球沿木槽滑下,并用水钟测量铜球每次下滑的时间,研究它们之间的关系．实验证明铜球滚动的路程和时间的平方成比例:两倍的时间里,铜球滚动4倍的距离；实验重复上百次,终于发现铜球所经过的各种距离总是同所用时间的平方成比例,这对于铜球沿之滚动的各种斜度的槽都成立．

公元1590年,伽利略建立了自由落体定律.它不仅是运动学中的第一个定量定律,更重要的是由此产生了一种新的研究方法,即把数学推理与实验研究相结合的方法,为物理学的发展开辟了道路．正如爱因斯坦所说:“人的思维创造出一直在改变的宇宙图景,伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它,这就是伽利略发现的重要意义．”

介绍这些内容后,学生不仅知道自由落体运动定律,还能了解物理学上每一次重大的发展总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基础的．物理概念、规律发展的演变史,可帮助学生逐步地掌握、理解物理知识,进而形成物理观念．

1.2 物理学重要概念和定律生成史是科学探究、思维的教育元素

培根说过，读史使人明智．物理中的概念、定律、定理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．在他们艰辛探索的过程中,有着他们别具匠心的设计,精湛无比的技术,精巧奇妙的方法和非常精确的结果.这些都是对学生进行科学探究、科学思维培养的重要素材．在伽利略的自由落体运动研究中,我们能领略到实验、思维的智慧之光．

(1) “冲淡”重力.

自由落体运动的加速度是很大的,下落几十米的高度,只需几秒钟,伽利略时代所使用的滴水计时器由于误差较大,无法满足实验要求．他就想出了一个巧妙的办法——“冲淡”重力,用一个小球放在摩擦很小的斜面上,它滚下的时间就很长,比较容易测量,同时让小球在斜面的不同位置滚下,并且在不同的倾斜角度重复实验．因为事先他经过分析确信二者遵从相同的法则．小球在斜面上运动的速度是受控的,可以用斜面的倾角来调节．只要倾角很小,小球运动的时间就可以在当时的计时条件下比较准确地测量出来．这种实验设计的创新定能给学生有益的启发．

(2) 滴水计时.

由于当时没有机械钟表,伽利略制造了一个水钟．在水桶的底部开一个小孔,接上一根小直径的管子,便产生一股细流．在测量小球滚落时间时,无论是在槽中全长滚动还是部分滚动,均用一只玻璃杯收集这股细流,然后在一个非常精确的天平上称量所收集的水的质量,这些质量的差值和比值就是运动时间的差值和比值．所得结果如此精确,以致实验重复多次,都没有出现可察觉的差异．

(3) 简单性思维.

伽利略认为“自然界总是习惯于运用最简单和最容易、又是人们容易理解的方式来进行的”．他认为自由落体运动速度增加的方式没有比以同样方式重复更简单的了,即速度随着时间均匀地增加．他仿照匀速运动定义了匀加速运动:若一物体从静止状态出发,并在相等的时间间隔内获得相等的速度增量,则称该运动为匀加速运动．

(4) 选择恰当的数学手段.

伽利略恰当地选择了几何学中的三角形这样一种抽象的数学实体与所研究的物理过程——自由落体运动相对应,成功地对落体问题进行了数学处理,得出了自由落体运动的结论:s1∶s2∶s3=t12∶t22∶t32．他强调既要进行观察和实验,又要对获得的材料进行确切的数学分析,把各个物理量之间的关系用简洁的数学形式表达出来,从而去揭示各个物理量之间的内在联系,把实验结果上升到普遍理论的高度．

(5) 实验和推理相结合.

伽利略通过数学推理分析得出结论后,又通过斜面实验验证．他在实验时发现当斜面倾角固定时,球滚过的距离与所用时间的平方之比为一常数;改变斜面倾角,这个比值也随之改变．于是在测定了一些较小倾角下的比值后,伽利略利用外推法得出:对于大的倾角,该比值为常数的这个论断仍然成立．特别是当倾角为90°，即物体自由下落时,这个结论也将成立,由此得出自由落体运动也是匀加速直线运动的结论．

逻辑推理的方法应用到实验中可以达到现有的实验条件所达不到的目的,因为再先进的实验条件都无法达到理想状态,有时只有通过逻辑推理,才能达到理想状态的结论．

运用物理学史,向学生展现物理学家们探索发现新的规律和理论的过程,从中了解他们是如何思维的,用了什么样的研究方法,进而领悟到科学的思维、正确的研究方法．

1.3 科学家的艰辛发现史是培养科学态度、价值观的绿色养料

物理学发现的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,为学生科学态度、价值观的培养提供了养料．

(1) 培养爱国情感.

物理学的历史是人类创造的,这种创造的过程是生动而多彩的,充满着民族自豪感与爱国主义精神．我国古代物理知识不仅涉及到力学、热学、光学、声学和电磁学,也探讨了物质的本源．春秋战国时期的《墨经》记述了许多物理知识,尤其在光学方面,它是世界古代科学史上一部难得的几何光学著作;《考工记》在记述各种手工技术的同时,阐明了一些科学道理,其中包括力学、声学和热学的知识．在实用技术方面,张衡制造了水运浑天仪．公元132年,他还制造了世界上第一个地动仪,用以测定地震的震源方向．现代物理学家钱学森、吴健雄等,他们都有一颗热爱祖国的赤子之心,他们的精神和事迹都是培养爱国情感的优秀题材．

(2) 培养科学精神.

科学精神是一种老老实实的态度,实事求是是最起码的要求;科学精神是一种严格缜密的方法,每一个论断都要经过严密的逻辑论证和实践检验;科学精神是一种批判的态度,要对自己和别人所作的研究无一例外地进行苛刻的审查,不承认任何万古不变的教条;科学精神是一种变革的勇气,随时准备否定那些似乎是天经地义的断言并接受那些好像是离经叛道的观点．

物理学史中蕴藏着丰富的科学精神教育素材．许多物理学家如卡文迪许、居里夫人、史蒂芬·霍金等等,以常人难以想象的毅力、信心和意志,与困难作斗争,与传统的观念作斗争,与科学界的阻力甚至迫害作斗争,爱国奉献、追求真理、敢于创新、严谨细致、唯物唯实．他们的业绩长存史册,精神彪炳千秋．科学家的科学精神能帮助学生养成严肃认真、一丝不苟的良好作风,以及实事求是、客观公正、尊重证据、坚持真理、修正错误的优良品德．

(3) 树立哲学理念.

物理学的发展与哲学的发展有着极为特殊的密切关系．物理概念、定理和定律中都充满了辩证唯物主义内容．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,同时结合物理学内容,进行世界的物质性、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,使学生领会辩证唯物主义观点．

(4) 提升审美水平.

物理学史中对称、和谐、统一等美学要素占有重要地位．万有引力与静电力都遵循平方反比关系,电子绕核运动的模型和行星绕太阳运动的模型相似等,都显示着物理学深刻的统一美．奥斯特坚信自然界各种现象是有联系的,他在1820年终于发现了电流的磁效应．英国物理学家法拉第坚信“自然界各种基本力之间是转化、统一的”哲学观点,在长达10年坚持不懈的努力下,终于在1831年发现了电磁感应现象,完美地证实了电现象和磁现象的统一性,并被麦克斯韦用同一组方程式进行了定量描述,实现了物理学史上第二次大综合．简洁美吸引着第谷、开普勒为之潜心钻研,最终“日心说”战胜了“地心说”,神学思想遭到了巨大的打击．

莱辛有一句名言:对真理的追求要比对真理的占有更为可贵．物理上对真理的追求同时也是对美有着追求,因为美可以引真,适当的介绍可以提升学生审美水平、促进科学创造．

2 融入物理学史培育核心素养的策略

物理核心素养的培育必须根植于物理教学之中,在教学中应用合适的策略,科学地融入物理学史能有效地培育学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等素养．

2.1 情感体验策略

根据学生的认知水平,将物理知识产生的真实背景和过程,详略得当地呈现在学生面前,让学生感受物理知识产生、发展的全过程．教师要努力促进物理学家和学生之间进行恰当的“交流”,带着学生穿越到知识发生的年代,体验当时的物理学家如何发现问题?如何思考?遇到什么样的困难和障碍?运用怎样的思维方式突破困难?他们的结论在历史的演变过程中发生了什么变化?争论的焦点是什么?把这些内容可以编成小故事,让学生进行角色扮演,即由学生扮演持不同观点的物理学家,演绎物理发现过程,诱导学生认真思考、讨论有关物理本质的话题,以激发学生的好奇心与兴趣,提高学生的参与积极性．这样,不仅使学生学到物理知识,促进学生高水平的思考和能力的发展,还能促进学生在认知和情感方面的成长．

实验是物理学研究的重要手段,也是学生情感体验的重要载体．达芬奇说过，实验是科学知识的来源,智慧是实验的女儿．还原当时物理学家实验情境、认知水平,研究当时的技术条件,分析实验遇到的困难,赏析实验设计的精妙,感受实验的方法、智慧．在讲授“电磁感应的发现”时,教师把学生带回到1820年奥斯特发现电流磁效应的那个年代,从对称性角度提出磁能不能产生电的问题.接着创造实验情境,引导学生动手重复着法拉第当年做过的实验： (1) 将导线绕在永磁铁上,并将导线的两端接在电流表上构成回路,观察电表指针是否偏转; (2) 换一个磁性强的磁铁,观察电表指针偏转情况; (3) 换一个灵敏电流表,再来观察电表指针偏转与否; (4) 用一个通电线圈代替永磁铁,观察指针偏转情况; (5) 两个线圈绕在一个铁环上,一个线圈与电流表相连,另一个线圈通过电键与电池相连,将电键接通、断开,再来观察指针偏转与否．

学生身临其境地重温法拉第的实验,体验这一伟大科学发现过程,在实验中总结出电磁感应的产生条件．

2.2 适时融入策略

现代的课堂是开放性的、生成性的课堂,教师与学生应有足够的互动．人本主义心理学家要求教学中要注意学生的学习需要、愿望、兴趣与学习材料的关系．教师要不断地激发学生的学习热情．其中,利用物理学史把“物理学家的发现与思考”作为素材适时融入到教学中,能产生良好的教学效果．

2.3 因材渗透策略

不同的教材内容、多变的教学情境需要不同的激发、学习策略,教师可灵活选取物理学史料,因材渗透．伽利略对自由落体运动研究的实验,在当时的条件下一般人是完全不可能完成的,因为面临的困难实在是太多了．从理论上来说,“速度”的概念没有建立;从测量技术上来看,没有精确的计时工具．怎么办?方法总比困难多，伽利略不畏困难,首先定义速度、加速度、时间等物理概念,建立运动学的理论体系,进而借助于多种思维方法,巧妙地将困难化解,最终取得实验的成功,一举成为近代科学的奠基人．例如思辨法,以可靠的事实为基础,加以逻辑的思考演绎,得出了实验所不能得出的结果．这样,既为实验研究指明了方向,又突破了实验的局限,得出了普遍的、科学的结论．再如,用转换法将竖直方向上的运动研究转换为斜面上的运动研究,将速度与时间的关系研究转换为位移与时间的关系研究,将时间测量转换为水流质量的称量,从而突破了测量技术的瓶颈,将不可能变为可能．

爱因斯坦说过，科学结论几乎是以完成的形式出现在读者面前．学生难以从结论上体验到探索和发现的喜悦,感觉不到思想形成的生动过程,也很难清楚地解释全部问题．教学中需要教师结合教学内容,融入相关的物理学史料,回顾科学家所做的工作和取得的成绩,引起学生情感上的共鸣.学生不仅仅增长了见识,了解物理学研究方法,还获得情感、态度、价值观的升华和毅力的提升．

2.4 追本溯源策略

在物理教学中,依托物理学史实,以著名物理定律、物理学重要发现、典型物理实验为研究对象,根据原始史料来追踪物理理论的形成过程,探究物理规律的形成过程,体验科学发现的历程,准确把握物理概念、规律的真正内涵．

图2

在讲授“宇宙航行”时,教师们自然会介绍牛顿著名的抛体运动理想实验,很多教师还通过电脑动画来模拟这个实验,学生知道了有这么回事．可是,牛顿为什么要设计这个实验?实验的价值在哪里?学生应该明白但不知道．教师可以引导学生追溯到1685年,牛顿完成了“论物体的运动”论文,文中所描绘的说明如图2所示,他写道:由于向心力行星会保持于某一轨道,如果我们考虑抛体运动,这一点就很容易理解．一块石头投出,由于自身的重量,被迫离开直线路径,如果仅有初始投掷,理应按直线运动,而这时却在空中描出曲线,最终落在地面．投掷的速度越大,它在落地前走得越远．于是我们可以假设当速度增大到如此之大,在落地前描出一条1、2、5、10、100、1000英里长的弧线,直到最后超出了地球的限制,进入宇宙空间永不触及地球．

牛顿的这一简单的思想实验,第一次让人们认识到,原来月球不会掉到地上来(也不会飞走)的原因,正是导致苹果落地的引力，说明了行星在向心力的作用下为什么会保持在一定的轨道运行,进而阐述万有引力的思想．牛顿的引力理论促成了人们认识上的一个飞跃:天上的东西并不“神圣”,他们遵循的规律和地上普通物体的规律完全一致．

2.5 再创式教学策略

将相关物理学史中有助于课堂教学的内容提炼出来,根据条件对物理学史进行再创造,使其既能符合学生的认识又能为学生的学习和思考提供启示．借鉴物理学史发展的脉络,而非“重复”,进行创造,以进一步完善学生的认知．

伽利略利用理想斜面实验否定了亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的观点,揭示了物体运动的重要性质——惯性．这是一个思想实验,是在可靠的事实基础上,通过推理获得的．教学中,教师可以追问:伽利略的观点能否经受实验的检验呢?然后引导学生利用气垫导轨实验来验证,如图3所示．安装好实验装置后,调节h的大小,分别测出物体运动的加速度a;在a-h坐标中描点,画出a与h的关系图线,如图4所示．图线表明,物体的加速度a与斜面高度h成正比．利用外推法,当h=0时a=0,即导轨水平时物体(无外力作用)保持匀速直线运动．