浅谈如何将物理学史融入课堂教学

苏明丹

摘   要：物理学史是物理学的知识、理论和方法发生与发展的历史进程。文章通过“牛顿第一定律”的教学实施，用精心设计的六个教学环节展示了如何将物理学史融入到课堂教学中，让学生体会定律建立的过程、从亚里士多德到牛顿的科学探究过程、卓越的思维方式、百折不挠的精神品质等，从而增强学生学习的主动性与自觉性，提高教学质量和学生的科学素养。

关键词：物理学史;科学探究;实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0065-3

物理学史是物理学的知识、理论和方法发生与发展的历史进程，学习物理学史可以帮助我们了解过去，认识现在，展望未来[1]。当我们了解了一条定律在建立的过程中经历的艰难曲折和波澜壮阔，该定律就有了神秘力量，极具感染力。生动的故事，鲜活的人物，使一个基本定律“活”过来，变得生动、立体。物理学史应该被融入到物理课堂之中，让学生从历史的角度感受科学的魅力。作为一名物理老师，有义务抓住将物理学史渗透到日常教学中的契机并加以落实。

“牛顿第一定律”一课知识结构简单，而在初中学生就已经学过惯性。因此，在日常教学中我们容易忽略此课。但是深入挖掘，这节课却包含了很多物理学史的内容，可以通过精心设计将其融入课程之中，让学生体会物理思想和研究方法的发展过程，感受人类探索自然的艰辛，培养物理核心素养[2] 。

下面通过六个环节展示如何将物理学史融入到“牛顿第一定律”的课堂教学中。

1    情境创设，将学生带回公元前4世纪

在5 s倒计时之后以自制的大型空气炮轰塌1人多高的时间墙，墙后便是一个时间轴的展板。紧接着通过PPT展示公元前4世纪的生活场景（图1），陪同学们来一场说走就走的时光之旅，将同学们带回到公元前4世纪亚里士多德生活的时代，以此为时间起点，追寻时间的脚步，展开对力与运动关系的探索。空气炮轰塌时间之墙效果极为震撼，极大地激发了学生的探索欲望。

2    角色扮演，让亚里士多德“再现”

让学生进行角色扮演，让活生生的亚里士多德来到学生面前，形式新颖、独特，给学生意外惊喜，让学生在表演中快乐学习。

“亚里士多德”：拖着马车往前走，他拖马车，马车则走，停止拖动，马车也很快停下。

老师（采访者）：先生，请问从刚才的生活经验中，你认为力与运动之间存在怎样的关系？

“亚里士多德”：物体的运动需要力来维持。

一问一答之间，亚里士多德的观点自然呈现，学生也深刻地意识到，原来对于运动与力的探索，起源于亚里士多德。虽然这是一个错误的经验结论，开创了一个探索方向，结论的正确与否受到时代科技水平的限制，但是亚里士多德这种善于观察、思考、总结的习惯，勇于探索的精神却深深感染着每一位学生。

3    通过空气火箭，引出矛盾观点

发射空气火箭（图2），火箭在上升过程中并不存在持续向上的推力，引发学生思考得出另一个经验结论“物体的运动不需要力来维持”。两个经验结论相互矛盾，我们只能通过实验来检验，让学生体会实验在科学探究和科学发展史上的重要性。

4    再现伽利略经典斜面实验，推翻亚里士多德的经验之谈

亚里士多德观点的错误，原因在于摩擦力。其实，在长达2000年的时间里，很少有人意识到摩擦力的存在，是伽利略发现了这条重要线索。引导学生进一步猜想，假如没有摩擦，推出去的马车还会停止吗？在学生给出自己的猜想后，就一起用伽利略斜面实验来验证猜想。

自制实验仪器：还原伽利略经典斜面实验（图3），两个倾斜轨道平滑对接，左侧固定，右侧可改变倾角。轨道上黑色的是一条等高线，可实现两个功能：

其一，轨道表面贴上纸胶带，较为粗糙，撕下纸胶带，更为光滑。可对比观察到轨道表面越光滑，小球能滑到右侧轨道越高的位置。由此合理推理，轨道光滑，小球将滑上原来的高度。

其二，可对比观察轨道倾角越小，小球滑行得越远，当轨道水平时，小球将一直向前滑动直到离开轨道。合理外推，轨道无限长且没有摩擦力，小球将一直运动下去。从而得出结论“物体的运动不需要力来维持”。

这是对经典实验的再现和提升，在实际的教学过程中，请两名“操作员”在老师的引导下完成实验。与此同时，引导所有学生一起体会本实验的精髓，实验加理想推理的方式即理想实验。

如此便還原了伽利略的经典实验，没有单纯说教式的讲解，而是创造机会让学生有身临其境的体会和感受。学生在经历科学探究史的过程中，又经历了“提出问题—猜想或假设—设计实验—进行实验—得出结论”5个完整的科学探究的步骤。这个步骤，也是人类探索自然需要经历的过程，自然科学也是在这样循环往复的探索过程中得以发展。

物理学史，给我们的不仅仅是一个鲜活的探索自然的故事，更是科学的探索方法和思维方式。让我们在历史的经验、教训和灵感中获得智慧，获得探索自然的捷径。伽利略独立思考的精神品质，和敢于打破古代圣贤的气魄让人折服。“尽信师则不如无师”，学习科学需要大胆的质疑。但是质疑并不等于胡乱猜测，科学是严谨的，质疑也需要证据，也需要通过实验去验证。

5    跟随时间脚步，顺势提出笛卡尔的观点

笛卡尔对力与运动的关系做了更深入的研究，他指出：如果没有外在因素的干扰，物体将永远保持静止或匀速直线运动状态。

笛卡尔还认为这应该作为一个原理加以确立，并且是人类整个自然观的基础。

6    站在巨人肩膀上的牛顿与他的牛顿第一定律

牛顿在笛卡尔的基础上建立了力学体系，第一次提出了力的概念，把物体间复杂的相互作用都抽象为力，并整理在《自然哲学之数学原理》一书中，于1687年发表。书中第一条定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变运动状态为止。

笛卡尔和牛顿之间透着历史的峰回路转，本该属于笛卡尔的荣耀，却被“后来（下转第69页）（上接第66页）者”牛顿夺走，好不遗憾。牛顿站在巨人的肩膀上，在继承观念的同时，他提出了力的概念，整理出力学体系。

6个环节结束，笔者再做简单的点评，起到画龙点睛的作用。点评内容如下：

自此，牛顿第一定律正式提出。从公元前4世纪到1687年，经历了2000余年的时光。一条定律的提出，并非一蹴而就的，它是几代物理学家共同努力的结果。牛顿自己也说“我之所以比别人看得更远，是因为我站在巨人的肩膀上”。这些巨人给了我们探索、研究的方法，让我们探索的脚步能够坚定不移地前进，而科学的未来也等待着我们去开创。

就这样环环相扣带领学生领略牛顿第一定律形成的整个历史过程，再现了人类探索力与运动的过程，经历了从错误—修正—补充—完善的发展过程，充分挖掘了教学历史素材，让他们看到伟大科学家的共性——浓厚的兴趣、强烈的求知欲以及百折不挠的精神意志，拉近了学生与科学家的距离，激发他们把对科学家的崇拜转化为刻苦学习的动力。增强学生学习的主动性与自觉性，提高学习兴趣与教学质量的同时提升了学生的科学素养。

参考文献：

[1]李艳平，申先甲.物理学史教程[M].北京：科学出版社，2003.

[2]陈毓芳.物理学史简明教程[M].北京：北京师范大学出版社，2004.

（栏目编辑    张正严）