渗透物理学史教育 体现科学探究本质

陆良荣

(江苏省吴江中等专业学校,江苏 苏州 215200)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》把“科学探究”列为物理学科核心素养的4个方面之一．物理学史是一部科学探究的历史,其中包含了大量生动又形象的成功或失败的探究案例.这使它可以成为开展探究教学培养学生核心素养的良好“抓手”．教师若能结合物理学史开展探究教学,不仅会使课堂更加生动更有内涵,而且能帮助学生更好地厘清探究本质,还可以更有针对性地培养学生的物理学科核心素养．对此,笔者结合自己的教学经验,从知识建构、方法学习、思想渗透3个维度谈一点管中之见,希冀抛砖引玉,得到同仁专家的批评指导．

1 渗透物理学史教育,夯实科学探究的根基——知识的建构

科学探究的过程同时也是学生知识建构的过程．物理知识是学生开展科学探究的根基,如果没有知识的承载、铺垫和支撑,只是为了“探究”而探究,那只能是假探究．

物理学史是一部知识史,它展示了包含概念、规律、定理、定律等物理知识的发生和发展的过程．渗透物理学史教育,既可以在教学中关注到学生的知识背景,也能促进学生的知识获得．这样的做法有助于学生运用所掌握的知识去探究未知事物,并在探究中逐渐获得对知识的理解,最终获得知识的增长．

1.1 渗透物理学史教育,为知识学习创设情景性

后现代知识观认为任何知识都是某种情景下的局部知识,它由其所在的整个意义系统来表达．知识的学习离不开特定的境域．教学中渗透物理学史内容,创设与历史上相似的情境,形成真切的探索氛围,不仅可以引导学生认识科学发现与当时社会的重要事件的联系,而且可以让学生了解当时人类掌握科学知识的水平,还可以让学生理解当时科学家们的知识状况和见解．

教学案例: “电磁感应”的教学导入,教师呈现电磁学发展的阶段性史实.

师：(展示伏打与伏打电堆的照片)意大利科学家伏打利用化学原理在1800年制造出伏打电堆,但是造价高、电流微弱．人们想:有没有其他产生电流的方法呢?

师：(演示重现奥斯特实验)丹麦物理学家奥斯特在1820年发现了“电流的磁效应”,打破了长期以来人们认为电与磁之间没有联系的观念;不久,法国科学家安培提出右手螺旋定则,即电流周围磁场的分布规律,使得对电磁联系的研究更进一步．于是人们想:既然电能生磁,那么磁能生电吗?

点评与思考: 教学导入时如果仅凭简单的所谓逆向思维,直接由“电能生磁”提出“磁能生电吗”的问题,并不符合认知规律．假如没有相应的历史背景作为支撑,学生也就不会清楚所学知识的“前因后果”,只会“照本宣科”而不是“融会贯通”这些知识,学习也会变得乏味．

物理学史提供了学习知识最本真的情境,帮助学生从注重科学知识本身的习得转向历史地、多维地审视科学的进程,按照科学发生、发展的本来面貌逻辑地展开科学课程的教学,有效促进学生对知识的理解．

1.2 渗透物理学史教育,为知识构建展显过程性

教育重演论认为现代学生的学习是在认知意义上对人类文化发展过程的一种重演,即现代人的认知发展是对其前辈认知水平长期演化过程的浓缩．学习离不开认知的过程,不存在只有结果没有过程的学习．学生不可能仅凭结果就构建起自己的知识网络．借助物理学史,在较短时间内重演有关知识的形成过程．学生在这个过程中的“切身体会”可以有效地促进学生对相关知识的构建．

教学案例: 在“光的本性是什么”的教学中,可以将光的微粒说和波动说的发展历程进行梳理并予以呈现:

(1) 古希腊“触须”说——牛顿支持微粒说——光电效应实验——爱因斯坦提出光子说.

(2) 惠更斯提出波动说——光的干涉、衍射实验——菲涅耳建立波动理论(泊松亮斑)——麦克斯韦提出电磁说.

(3) 波动性与粒子性从对立走向统一——德布罗意提出物质波假说.

点评与思考:直接给出结论“光具有波粒二象性”的做法并没有多少教育价值;反之,让学生“经历”人类对光本质认识的历史过程,不仅有利于学生理解光的本质,还有助于学生认识真理的相对性．

教学中物理学史的渗透教育,可以帮助学生了解所学知识的形成或发展过程,客观地认识相关理论．这个过程也是学生真正理解所学知识,建构自己知识网络的过程．

1.3 渗透物理学史教育,为知识理解呈现发展性

后现代主义认为知识是人们对客观世界的一种解释、假设,它随着人们认识程度的深入而不断地改变,不断地出现新的解释和假设．利用物理学史,向学生展现知识的更新演化,会帮助学生认识到科学理论的相对真理性．在教学中对相关知识作必要的历史回顾,可以引导学生思考课程内容,提出疑义或问题,从而开展批判性思维．

教学案例: 在“原子结构”的教学中,帮助学生梳理各种原子模型的成功之处与问题所在.见表1．

表1 原子结构的模型发展

点评与思考:汤姆孙、卢瑟福、玻尔等科学家研究原子结构的历程,生动地告诉我们科学是“继承—突破—再继承—再突破”的曲折发展的历程．

物理学理论既有大量未知因素等着去探索,也有许多对与错和真与假的双重因素需要去辩证．科学之所以发展总是因为后人突破了前人的功绩,当然也不能因为后人取得了更高的成就而否定前人的功劳．

2 渗透物理学史教育,萃取科学探究的精华——方法的学习

科学方法是人们在探索未知世界的实践中形成的思维方法和行为方式．物理学的发展历程也是科学方法积淀并突破的过程．但是,一些教师还从探究的操作层面去理解科学方法,把探究的程序“问题、证据、解释、交流”当成了科学方法.这样做显然不利于培养学生的学科核心素养．

渗透物理学史教学,把历史上科学家开展探究时所用的科学方法展示给学生,有助于学生从中体会科学的精华,从而有利于学生掌握科学方法．

2.1 渗透物理学史教育,认识实验在科学发展中的基础作用

物理学的发展以实验为基础,物理学理论的产生或突破,都建立在实验技术进步与思想发展的基础上．历史上科学家做过的实验往往是教学中实验的“原型”．这些“原型”除了包含丰富的物理知识之外还具备纯粹的产生物理知识的方法,是对学生进行“科学方法”教育的重要素材．

教学案例： 在“划时代的发现”的教学中,向学生介绍代表法拉第“突破”“领悟”“扩展”“运用”的4个递进式实验.

实验1(突破): 介绍1831年8月29日法拉第在合上右边开关的瞬间首次观察到电磁感应现象．

实验2(领悟):介绍让法拉第通过实验领悟到“磁生电”是一个在变化、运动的过程中才能出现的效应．

实验3(扩展):介绍线圈与电流计构成的闭合回路,在条形磁铁插入或拔出时观察电流的变化情况．

实验4(运用):介绍1831年10月28日法拉第展示的圆盘发电机．

点评与思考:教师可以选取历史上的典型实验向学生说明设计实验的思想与方法,让学生在知道这些实验的重大历史贡献的同时感受物理实验的科学魅力．

图1 突破

图2 领悟

图3 扩展

图4 运用

课堂上展示物理学家别具匠心的设计、精湛无比的技术、精巧奇妙的方法可以让学生认识到实验在理论的产生、发展和验证过程中的决定性作用,从而让学生深刻领会实验在物理学中的地位和作用．

2.2 渗透物理学史教育,领悟方法在科学发展中的促进作用

科学方法在物理学发展过程中起着重要作用．物理规律的发现与突破,离不开科学的研究方法．教学中借鉴历史上科学家成熟的研究方法来指导训练学生,对其进行科学方法的教育,是帮助学生把握科学内涵、提升学科素养的重要途径．

教学案例： 在“库仑定律”的教学中,向学生介绍库仑二分法.

两个完全相同的金属小球都不带电,现将其中一个小球带上电荷q,让它与另一个不带电的小球充分接触后,两个小球各带上q/2的电荷．用相同的的方法可以得到q/2,q/4,q/8,…

点评与思考:库仑二分法巧妙地用电荷量间的倍数关系替代了电荷量的定量测定．这种方法在教学中多次体现,比如在“电容器的电容”教学中,用类似方法来解决电量测量的问题．

科学方法往往蕴含在知识的背后．只有方法教育与学科内容相结合,才能让学生理解其内涵．脱离了知识学习,纯粹进行方法教育是空洞的,正如“皮之不存,毛将焉附”,学生也不能将方法应用于实际去解决问题．

2.3 渗透物理学史教育,学习思辨在科学发展中的批判作用

思辨能力是基于客观事实和科学推理,对已有观点和结论提出不同意见,通过检验和修正提出新的见解的能力．教师向学生讲授科学的发展时,有必要把当时科学家的思想背景及受到的观念束缚向学生介绍清楚.这样能更好地展现科学家们质疑时无比的勇气和释疑时无比的智慧,从而取得重大发现的思辨历程．

教学案例： 在“玻尔的原子模型”的教学中,教师在讲解玻尔理论是如何成功地解释氢原子光谱的同时也有必要向学生说明它的问题所在.

卢瑟福一开始就提出质疑:从一个能态跳到另一能态,电子怎么会事先就知道要往那里跳?

而薛定谔也称之为“糟透的跃迁”:当电子发生轨道跃迁时,总是需要一段时间．但在这段时间里,电子已离开E1态而又未到达E2态,那时电子处在什么状态呢?

点评与思考:如果没有呈现这段历史,学生会更关注理论的成功之处,而不会去思考它的局限性．这些历程的展示会使学生思辨的灵性和智慧在怀疑和批判中得到提升．

显然,展示科学问题的演化背景,可以示范性地教导学生思辨的一些方法．这样做有利于培养学生不盲信盲从,敢于质疑敢于突破的品质．

3 渗透物理学史教育,触及科学探究的灵魂——思想的升华

科学思想的发展伴随着科学本身的发展．科学思想既是对知识的概括也是在方法上的提升,所以极具教育教学价值．科学思想应时时渗透在物理教学中,而不能看作是教学之外的附加品．

当前,探究教学中还存在着忽视培养学生科学思想的种种现象,这使得一些学生成为“缺乏思想”的人．教师如果能够借助物理学史在教学中向学生渗透科学思想的教育,这必将发挥出更大的教学效益,从而提升学生核心素养．

3.1 渗透物理学史教育,变革学生物理观念

物理学史是一部人类认识自然的基本观念的演化史．物理学理论的每一次变革, 都以基本观念的演变为先导．渗透物理学史,可以使学生在探究教学中习得新知识新理论的同时,更顺当地转变自己的思想观念和思维方法,跨过理论变革的“门坎”．

教学案例： 在“能量量子化”的教学中,普朗克提出能量子假说并得出黑体辐射公式．

黑体辐射公式与实验符合得很完美,却让普朗克感到非常的惶惑．因为他自己也觉得这个发现“要么是荒诞无稽的,要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一．”

后来,在爱因斯坦等科学家的推动下,量子力学得到快速发展,普朗克提出量子假说成为物理学的一个新纪元．

点评与思考:如果脱离了知识的历史背景,那么学生是难以理解为什么量子假说在新物理学思想中具有那么高的地位．只有让学生事先知道“能量连续变化的”这个传统观念,学生才能明白普朗克打破了传统是多么“疯狂”．

将一些历史实例引入到教学中,这样的做法有利于学生去理解物理学的理论变革与观念转变的一致性;也有利于学生去理解观念上的突破是物理学向前发展的先导与基础．学生只有变革观念,才能认识新的物理世界．

3.2 渗透物理学史教育,培养学生科学情怀

物理学史上许多科学家的故事生动感人,特别是他们为追求真理百折不回的精神,对学生很具有教育意义．但在课堂上,教师却往往会忽视对学生科学情怀的培养．倘若教师让学生从历史的节点出发,站在科学家的的角度,去对科学发展进行研究,会使学生对人生价值的追求产生深刻的影响．

教学案例： 在“电磁感应现象”的教学中,教师可以给学生补充这段历史:

奥斯特发现“电生磁”后,法拉第等人受到启示,并且坚信:磁也能生电．

法拉第经过长达10年的艰若探索,经历了失败困苦,终于揭示了“磁生电”的奥秘在于非稳定的“暂态效应”．

(教师展示第一台发电机图片)在法拉第发明圆盘发电机并作第一次演示时,一位贵妇人问道:“先生,这东西有什么用呢?”法拉第回答道:“夫人,一个新生的婴儿又有什么用呢?”

后来,正是这“新生的婴儿”成长为改变人类生活面貌的“巨人”,人类社会从此进入电气化时代．

点评与思考:在教学中融入物理学史的有关内容,使学生体会伴随科学家辉煌成就的是充满矛盾与斗争的艰辛历程,并逐步培养学生的科学情怀.

物理学史中有很多素材展现了科学家们的科学理想、献身精神以及高尚情操．利用这些素材能较好地培养学生坚持不懈、勇于创新的科学素养,达到既提高教学效率,又凝聚学生意志的效果．

3.3 渗透物理学史教育,凝聚学生人文精神

物理学中的人文精神具有独特的魅力,它跨越国界,穿越时空,突破环境限制,直接引领我们观念的转变．教师通过物理学史的渗透教学,可以使学生直接感受科学大师的世界观和人文精神,让学生在接受科学教育的同时受到人文的熏陶．这样做有利于加深学生对科学的本质、功能等的认识,也利于学生健全人格的培养．

教学案例： 在“核裂变”的教学中,教师可以向学生渗透STS教育.

1938年底,德国物理学家哈恩和斯特拉斯曼首次实现了铀核裂变．一些科学家从这发现中预感到了原子弹的巨大威力．由于担心纳粹德国会利用这一发现来制造原子弹并危害世界,很多科学家焦虑万分．爱因斯坦在1939年8月2日签署了给美国总统罗斯福的著名信件,敦促美国要赶在德国之前造出原了弹．而二战后,他又出于良知和社会责任感坚决反对使用原子弹,成为反核战争的积极分子．

点评与思考:以爱因斯坦为代表的科学家潜心科学研究的同时,竭力追求社会的和谐发展,他们是科学精神与人文精神相融合的楷模．

物理学史蕴含着独特的精神价值．学生以物理学家为楷模,受其精神熏陶,并在学习中潜移默化,会逐步形成基本的科学道德,从而形成正确的人生观和世界观．

从物理学史中汲取科学探究的智慧,就是要从中梳理出符合学生认知规律的探究因素,而不是照搬历史．科学家曾经的科学研究活动能够为当下的探究教学提供帮助,让学生在历史情境中像科学家一样经历探究过程,并在学生探究困难之处提示科学家是如何克服这一困难的,引导学生反思科学探究本身．总之,物理学史既可以给人以知识,又可以给人以智慧．正如法国科学家朗之万指出的:“在科学教育中,加入历史的观点是有百利而无一弊的．”