物理实验教学中的科技史应用

马颖

现代社会科技含量越来越高，而“少年强则国强”，唯有培养科技人才，才能在未来的国家发展和国际竞争中占据一席之地。青少年时期是培养未来科技创新人才的关键期，伴随着家长对家庭教育的重视，我国城镇儿童的早期教育日趋良好，很多孩子表现出了科学技术或数学的天赋。笔者认为应该尽早将这样的孩子引向科学技术或数学，让尽可能多的儿童尝试走向理工科的学习之路，这样才能为今后选拔更多科技人才储备足够的资源，从而培养造就大批优秀科技人才。

科学技术或数学知识相对难度较大，需要更持久的学习过程才能有所作为，这就需要从事理科课程的教育工作者更有效的引导和帮助，才能让青少年持续深入学习进而学有所成。历史故事总会使课堂教学变得更有趣，科技史是培养青少年科学素养、逻辑思维的重要学习资源，是联结科学与人文的桥梁。讲述科技史可以增加教学的趣味性，有助于将难度较大的科技类课程教学变得引人入胜。有效利用教学中的碎片时间讲述科技史，是行之有效的做法。在物理实验的教学碎片时间讲述相关科技史，有助于让学生理解科技发展与社会需求的紧密相关性。

引人入胜的科学传奇故事确实可以引发儿童对神奇科学世界的向往，但是对于逐渐成熟深刻的青少年，以讹传讹的虚构故事，会适得其反。例如阿基米德从浴盆里跳出来大喊大叫着跑上街道，赤身裸体地告诉每一个人他终于发现了浮力定律；伽利略把一个木球和同样大小的铁球从比萨斜塔上扔下，结果是同时着地的，于是反驳了亚里士多德；牛顿躺在一棵苹果树下思考行星运动的规律，结果一个熟透的苹果掉下来打中了他；瓦特在外祖母家度假偶然注意到烧水壶的壶盖被正在沸腾的水所掀动，结果发明了蒸汽机；在太空中可以肉眼看见长城……这些故事明显虚构成分太多，无从考证，学生耳熟能详，但却表现出不以为然的于己无关态度，并不能有效激发其学习科技知识的热情。

选择适当的科技史内容碎片式融入教学过程很有必要。以下是笔者从事在校学生的课堂教学、辅导学生课外创新实践、面向市民科普活动中，在“时间测量”科技发展史方面选取的一些案例。时间的测量是物理实验中的必做项目，也是人类生活的基本需求，在物理实验的教学碎片时间讲述相关科技史，有助于理解科技发展与社会需求的紧密相关性。

案例1. 关于原始计时工具的科技史

计量时间是人类生活的基本需求，物理课程中各种有关快慢的物理量定义都必须给出时间。日常生活中各种计时器随处可见，如机械钟表、石英钟表、手机等，这些现代计时器具，计时较为精准，小学生都可以熟练使用。而学生阅读古代书籍时经常见到一些说法，如“一袋烟的工夫”“一炷香的时辰”“一眨眼”等，还有日上三竿、油菜花开的季节等，这些不同于现代生活几点几分的表达方式，实际上是因为那些年代没有钟表等计时工具导致的。

一些原始朴素的计时装置如沙漏、水钟等，制作相对简单，学生按照统一要求制作，却会出现计时结果不一致的现象，从而引发相关讨论与进一步学习，非常适合作为小学生科学课程的作业内容。此外，历史记载用于记录时间的古老方法之一日晷，在没有其他任何装置与设备的情况下，可以根据观察太阳在天空中的位置粗略判断时间。这些都是人们在生活生产中积累下来的计时方法，但计时误差较大，不能与现代计时装置相比。

这些有着明显岁月痕迹的关于人类计时方法和工具的知识，通过适当的引导，可以让学生认识到这就是人类的科技史，是文明的积累过程，以此调动学生追问探究关于时间计量的好奇心与热情。有些学生因此不断探究，开始自行学习狭义相对论的知识。

案例2. 探寻科学计时起源的科技史

对时间的认识与计量是个古老的学科，世界范围内各个地区的古人都有一些朴素的时空统一观念，表现在基于天文时的天文历法，这也是文明的一个重要标志。在农耕文明时代，历法的精度会对社会生活产生重要影响。美国社会学家刘易斯·芒福德（Lewis Mumford）认为：“现代工业时代的关键机器，是时钟，而不是蒸汽机。”[1]

秘鲁安卡什省的沙漠中，有一座默默无闻的古老石庙—— 尚基洛石庙（Towers ofChankillo），2021 年7 月，被联合国教科文组织第44 届世界遗产大会授予世界文化遗产称号（如图1）。

尚基洛石庙遗址的东南方，有一座古怪的建筑，长得像中国长城上的垛口，这个建筑刚好有13 个凸起的墙面，组成了12 个凹陷，被科学家称为“十三石塔”。十三石塔位置非常特殊，当观测者站在山脊下一个特定观察点时，能依据2 ～ 3 天的日出或者日落状况，判断此时是一年中的什么月份、季节（如图2）。例如：当太阳出现在第6 和第7 个塔之间，就是9 月的秋分时刻。

经过科学家10 余年的考古研究确认，尚基洛石庙是一座2 500 年前的观象台，是人类最早和宇宙交流的地方之一，是地球时间计量史的尽头。在这里展现了人类一项伟大的创新，即利用太阳周期标记二至点、二分点和一年中的其他日期，精确度为1 ～ 2 天（如图3）。因此，它代表着人类天文学实践的长期历史演变的顶点[2]。

有关尚基洛石庙观象台的科技史资料，可以在网络上找到较多相关视频、文字资源，非常详细生动，真实表现了科学研究的严谨，青少年很容易就被这样的客观科技史故事吸引了，课堂上没有充足的时间展现细节，他们会主动上网查找资料，进行深入思考。

案例3. 使用计时器的创新实践与物理学史——师生共同“听见时间”

基礎物理教学中，一定会讲授运动学内容，匀加速直线运动是必须细致讲解的部分。在讲授匀加速直线运动位移变化与时间关系的特点时，一般教师都会讲到伽利略的斜面实验。伽利略生活的年代，计时工具非常原始、低级，还没有机械钟表，传说伽利略是用自己的脉搏提供相等的时间间隔，观察得出结论“相同时间内，匀加速直线运动的路程增量是相等的”。用脉搏当作计时器，只能自己感受体会，旁人却无法共同使用这个计时器。

许多一线教师通过自制教具等方式在教学时操作这个实验，普遍会使用光电门装置记录时间，虽然精准，却不太直观，而且学生会产生疑问：“伽利略时代没有光电门怎么办？”笔者指导学生制作了一个探究匀加速直线运动特征的演示实验装置（如图4），采用电线槽做成滑轨，倾角15°左右，滑轨近2 米长，把金属小球从顶端滑下，3～4秒的时间可以滑到轨道尽头。如果仿照伽利略的方式用脉搏计时，需要很长时间才能观测记录到滑块的位置，注意力集中在感受脉搏跳动上了，顾此失彼。而且每个人的脉搏基本就是相同的跳动周期，计时间隔虽然近似相等却不可调节长短。使用弹奏乐器时的辅助工具节拍器作为计时装置，可以提供不同的等时间隔。课堂上师生可以共同听见节拍器发出的均匀节拍响声，师生共同用听觉进行时间计量，以“听见时间”，将注意力集中在观察斜面上滚落的小球，观察在连续节拍声响起时的位置，标记这些位置。这个过程可以多次重复操作，测量后很明确得出匀加速直线运动位移与时间关系的特点。

制作这个装置的过程中，几个物理专业的本科生、研究生欲罢不能地查阅了相关物理学史资料，迫切地想要理解从伽利略时代开始的关于运动本质描述的逻辑思考，从而了解到人类史上许多时间计量发展史，对学习物理课程兴趣大增，不厌其烦地改进自制装置，对人类文明的发展史也表现出盎然兴趣。科技史是科技与人文的桥梁。

亚里士多德在提到科学和哲学产生的原因时说：“古往今来人们开始哲理探索，都应起于对自然万物的惊异……他们探索哲理只是为想脱出愚蠢，显然，他们为求知而从事学术，并无任何实用的目的。”[3] 学习科技史，也是在书写科技史，那些因为对科技史特别是物理学史感兴趣，继而深入学习探索数学、物理科学技术的青少年，正在延续着人类的文明。

记得鲁迅在他的译著《月界旅行》中说，通过科学普及，要使人们“获一斑之智识，破遗传之迷信，改良思想，补助文明”[4]。作为青少年科技教育工作者，为长远解决我国创新后备人才培养的短板，从根本上改变高层次创新人才匮乏的窘境，需要夯实科技强国人才根基重大目标，前瞻部署中小学科学教育，重塑新时代基础科学教育体系。