发挥物理学史的思政功能 提升物理学育人价值——以对中学课程中伽利略事迹的教学为例

方武增

[东莞中学松山湖学校(集团)东莞市第十三高级中学 广东 东莞 523779]

习总书记指出:“教师不能只做传授书本知识的教书匠,而要成为塑造学生品格、品行、品味的‘大先生’……”[1].为顺应新时代发展的需求,思想政治教育已融入了各个学科之中,而中学物理课程本身已蕴含一些独特的思政元素,如科学的世界观、求真务实的人生观、担负社会责任的价值观等,其中物理学史体现了人类探索和认识世界的历程,从观察现象、分析特性、总结规律到认识本质,它蕴含着科学的认识论和方法论,也包含着科学探索者的思索、创造与艰辛历程等丰富的思政教育元素.

伽利略是近代科学的奠基人、近代物理学的奠基人、学术自由的烈士[2].他留下的大量思想充盈的著作则是物理学的启蒙典籍,流传于当世的著作部分内容以较合理的方式渗透于中学物理教材中.教材承载着传递人类文化的任务,而伽利略思想在中学物理教育中有着极其重要的地位,“伽利略元素”不仅涉及物理量的建立、物理规律的总结、物理定律的呈现,还涉及物理学启蒙教育(现代物理学源头)、研究方法(逻辑推理与实验相结合的方法)、研究精神(批判精神与创新精神).研究将伽利略思想与物理教学有机结合,对于发挥物理学史的思政功能、提升物理学育人价值,具有深刻的意义.

1 现行中学物理课程中的伽利略

现行的中学物理课本,无论是初中物理还是高中物理,都将伽利略列为具有杰出贡献的物理学家,笔者分别梳理了初中物理(2012人教版)课本及高中物理(2019人教版)课本中涉及伽利略的内容概要,分别如表1、表2所示.

表1 初中物理课本中的伽利略

表2 高中物理课本中的伽利略

对表1、表2进行分析,可以看出:

(1)伽利略均出现在初中物理、高中物理的首节课——序言中,且以物理贤哲形象出现.正如曹则贤研究员所说的:伽利略的著作是物理学的源头,是近代科学的初始文献.所以,伽利略的事迹及成就简要放于初高中两个学段课本的序言中,对激起学生学习物理兴趣并愿更深入地学习科学知识有很好的指引作用.

(2)“斜面实验”均为初高中两个学段重点涉及的内容.“斜面实验”实际是“牛顿第一定律”的前奏,前者实际是后者的科学史源.学习这些物理学史,有利于让学生体会科学的研究方法并养成良好的科学思维习惯.

(3)高中相对初中所涉及的伽利略的成就覆盖面更广.初中涉及的是单摆周期研究、惯性定律;而高中涉及自由落体运动、惯性定律、天文学、热力学,还关注到科学的研究方法,提及《关于两个世界体系的对话》等著作、坎坷的科学生涯与当时社会的问题.这是在教育学生:做事情要做到认真严谨、实事求是并且讲求逻辑,敬畏和尊重客观规律;同时,在遇到困难的时候,仍保持理想信念,有正确的价值取向及社会责任意识.

2 拓展课程资源 渗透思政教育

教材作为最基本的课程资源,既是课程标准的具体体现,又是师之“教”与生之“学”的主要工具.但考虑到教材的篇幅限制,教材不可能把所有知识的背景及拓展知识全部呈现其中,特别是相关物理学史的内容.这就需要教师拓展课程资源,通过“高端备课”将物理教学与思政教育有机融合,将物理知识与方法更科学、更人文地传授给学生,使课堂教学更有立体感.

2.1 历史上自由落体实验——辩证性地分析科学事迹

2.1.1 比萨斜塔实验,两球未必同时着地

在“自由落体运动”一节中,课本以比萨斜塔作为情景导入,如图1所示,经实验伽利略否定亚里士多德“重的物体下落得快”的论断,伽利略认为重的物体与轻的物体应该下落得同样快的观点,加之许多学生受曾读过的语文课本“斜塔上的实验”的影响,对于比萨斜塔上重有差异的两球“同时释放”与“同时落地”更是深信不疑,但真实情况果真如此吗?

图1 比萨斜塔

据我国民国时期翻译文献 《伽利略传》(1935年,商务印书局)记载:“彼之争论中最著名成功事,即在著名批萨斜塔所行之事,依亚里士多德学说,落体之速度与其重成正比例,故百磅重之物降落较一磅重者快百倍.伽利略认为此说,只因空气之阻力,随物体之大小与形状而改变,其实二物之降落率(相当于加速度)相等.斜塔之栏杆为试验此说极便利之机会,伽利略做此实验,其结果重者比轻者快二吋.”[3](1吋=1英寸=2.54厘米)由此可以看出,由于空气阻力的存在,两者并没有同时着地,而且因实验结果是“重者降落较快于轻者”,所以当时许多反对者仍以亚里士多德为胜.

当然,这一实验的发生,相关文献并无记载具体日期,而且许多版本源于维维安尼,但因维维安尼仅于其暮年最后数月始识伽利略,且其许多叙述出自于道听途说(包括比萨斜塔实验故事),未可确信.

2.1.2 玻意耳玻璃管实验,后世人一直模仿

在伽利略逝世18年后(1660年),罗伯特·玻意耳(RobertBoyle)确做过类似的实验:他先将一块大理石和一根羽毛放入一根玻璃管内,并利用空气泵,将玻璃管内的空气抽出,如图2所示.当将玻璃管上下颠倒时,可以观察到大理石和一根羽毛几乎同时落下.因为当时的实验条件简陋,尚不足将管内的空气彻底抽出而达到绝对的真空,所以只能是几乎同时,但玻意耳这个伟大的实验,已足以证明伽利略理论的正确性:在同一地点,任何物体下落的速度在相同时间内增加幅度是一样的.在现在的物理课堂上,用玻璃管演示自由落体运动的实验(又称牛顿管)如图3所示,让学生经历类似于科学家们的探究过程.

图2 玻意耳使用的空气泵

(a)有空气 (b)真空图3 对比玻璃管内羽毛与铁片的下落

2.2 “伽利略惯性定律”与“牛顿第一定律”之争——体会科学论证

现行的中学物理课本,有这样一句“牛顿第一定律也被叫作惯性定律”,很多的学生会“顺理成章”地认为:惯性定律是牛顿首先提出来的定律.那真实情况是否如此呢?

据《科学概论》(1945年,商务印书馆)记载:“《原理》一书乃古典力学之大宪章.力学三定律即为此书开宗明义之第一章.力学第一定律伽利略已道之,第三定律牛顿前亦已知之,惟第二定律乃其创获.”[4]此处不难看出:伽利略先于牛顿发现惯性定律.另外《pssc物理(一)》(1978年,科学出版社)直接列出:伽利略惯性定律,当没有力的作用于物体时,物体保持静止或以恒定速度运动.而将大众称之为“牛顿第二定律”的,则写为“牛顿运动定律”,似乎在告诉读者,牛顿三大定律中,只有牛顿第二定律可以称是“牛顿运动定律”.

伽利略的斜面实验:在一个斜坡的对面放上第二个斜坡,小球从左侧斜坡上滚下.如图4所示,当对面坡的仰角为零(没有坡给小球爬升)时,小球试图达到初始下落时的高度,但这是徒劳的.最终是小球一直往前走,可得到结论:受外力合力为零的物体,保持原有的运动状态不变.这就是惯性定律的发现.

图4 现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片

所以,从物理学史的角度分析来看,称“伽利略惯性定律”更为准确.当然,虽然在伽利略的叙述中,“惯性”这个概念已“呼之欲出”,但他并未明确提出惯性,即未能给这一属性起个“名字”(后来开普勒把物体这种对抗运动变化的趋势称为惯性).类似的情况还出现在伽利略在发现两斜面上小球基本“等高”的规律时,当时由于尚无 “能量”这一词汇,故伽利略也没有提出“机械能守恒”这一专业的物理词.

当然牛顿高明之处是将运动的三大定律构成一个整体.他学习先人的哲学著作,对传统的时空观进行深入研究,综合了伽利略等人的发现,形成了自己独特的思想[5].牛顿的传世之作《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)完成了物理学上一次大综合,《原理》的开篇即总结了三大定律,如图5所示,为1687年第一版《原理》的开篇.

图5 1687年第一版《原理》

2.3 伽利略著作的艰难出版——体会真理传播的曲折

1632年出版的《关于两个世界体系的对话》,如图6所示,及1638年出版的《两种新科学的对话》,如图7所示,两部著作,是伽利略科学生涯(甚至对于科学发展史)中具有里程碑意义的著作.两部著作均是以对话的体裁呈现,实际上,早在古希腊时,对话就是一种非常流行的教学方式,而讨论双方(或多方)通过对话中的相互质问并答辩,可以检查自身的逻辑并重新审视自己的思想.

图6 《关于两个世界体系的对话》标题页

图7 《两种新科学的对话》标题页

《关于两个世界体系的对话》一书,是以3位主角Salviati、Sagredo及Simplicio的对话形式出现,提出了各自对于自然哲学观点及相关依据,此书内容丰富,不仅讨论了世界体系的问题,还讨论了伽利略相对论问题(直到1909年才被爱因斯坦追认为特定层面上的相对论).但1633 年伽利略被罗马宗教裁判所判刑入狱,此书也被列为禁书,直至1835年才被解禁.

《两种新科学的对话》一书,仍是以三位主角Salviati、Sagredo及Simplicio的对话形式出现,讨论的主题是两种新科学:物质结构、运动定律.内容涵盖固体抗(resistenza)、物质结合的原因、匀速直线运动、变速运动、抛体运动及动力学内容,书中还涉及物理学研究方法.可以说,此书奠定了伽利略为近代力学之父的地位.

2.4 感悟科学的研究方法——培养创新思维

2.4.1 物理量的确立——人类对大自然的探索愈加深入

如果把完善和发展物理体系喻为建设一座摩天大楼,那么这些表达出研究对象的性质和行为的物理量,就是构成大厦的最小“砖块”[6].而新物理量的确立,实则代表观念的变化.古希腊先贤将哲学分为物理学(Physics)、伦理学(Ethics)、论理学(Logic),即物理属于哲学,而许多的物理概念带有明显的哲学色彩,且深晦难懂、模糊不清,而伽利略等人则用位移、速度等一系列科学概念代替了之前自然哲学概念,使得物理表述更科学、更准确;而自16世纪末,伽利略制造了第一台验温器(thermoscope,温度计的前身),如图8所示,并给温度以定性的指示后,温度就不再是一个主观感觉,而成了一个客观的物理量.尽管当时伽利略并未明确提出“惯性”这一表述及“机械能”等物理概念和物理量,但他的实验也为后来的科学家提出相应的物理量做好了铺垫.

图8 伽利略验温器(当代复制品)

2.4.2 研究方法的创立——创造性思维的体现

大部分的物理规律都是通过艰辛而美妙的实验得出来的,伽利略对运动学的贡献,不仅是确立了许多用于描述运动的基本概念,更重要的是创造了一套科学的研究方法(将实验、逻辑推理、数学演算三者和谐地结合起来).他通过斜面实验得出了自由落体的运动规律,而在实际上是不可能实现的,但在思想上或者说逻辑上进行科学的推理是可以实现的,这就是所谓“理想斜面”,再由“理想斜面”实验拓展变化,从而导致惯性定律的发现.伽利略这一创新性的研究方法极大促进了近代科学的发展.

2.5 感受伽利略的科学信仰——为学须先立志

高中教材中的“从伽利略的一生看科学与社会”讲述了主人公坎坷的科学生涯,但当年环境实际情况比文中描述更加困难,每做一次科学实验都是如履薄冰.伽利略的精神支柱是科学信仰,没有这份信仰就没有科学的精神与毅力.

当旧的观念根深蒂固且无比强大时,若有新的“进化”言论出现,定会被认为是“不合理”的、“忤逆”的.伽利略有一种敢于打破“天经地义”和“自古如斯”的勇气,能支配他走下去的精神支柱是对科学的信仰.

3 用好思政的“盐” 讲出物理的“味”

思政教育在物理教学中的渗透应该是“润物细无声”的,应该是以科学知识和方法作为载体,在总结物理规律的过程中,让学生情感、意志等方面得到熏陶.而学生在“思政”与“物理”的交汇融合中不断地汲取知识食粮而茁壮成长的过程,就是立德树人的过程,也是教师幸福感与获得感的源泉[7].

物理学史,是科学与人文之间的桥梁,物理学史以其特有的精神属性,在学生的思想品德教育中,发挥着重要的作用[8].以物理学史教育作为思政教育与物理教学的“衔接点”,更贴近于“立德树人”教育理念,更有利于塑造学生品格与品行,使学生形成正确的世界观与社会责任感.