发挥物理学史在实现新课程整体目标中的功能

-1-发挥物理学史在实现新课程整体目标中的功能浙江省玉环县玉城中学赵顺法（317600）《高中物理课程标准》明确提出，高中物理的课程目标是旨在提高全体学生的科学素养，从“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三个维度来培养学生，使学生通过高中物理的学习逐步养成科学态度、科学方法、科学思维习惯、科学世界观和科学精神，引导学生认识科学和技术的差别、科学技术对社会的影响、技术对环境的影响，强调领悟科学的本质、科学与人文的关系，培养学生的社会责任感等，从而为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。笔者认为，物理学史对实现新课程的整体目标发挥着不可替代的功能。物理学史集中地体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程，在物理教学中通过展现历史上物理学家探索物理世界奥秘的艰辛历程，可以让学生从物理学发展的历史中领悟到科学的本质、科学的人性以及科学思想、科学方法和科学精神，从而全面提高学生的科学素养。因此应该重视物理学史在新课程改革中的应用，充分发挥物理学史的现代教育价值。笔者注意到，《高中物理课程标准》无论是在“内容标准”中，还是在“教学建议”和“教科书编写建议”中，都非常强调重视科学的发生历史和过程，体现了对物理学史的关注。下面分别从高中物理课程整体目标的三个维度来全面审视物理学史的教育功能。（一）“知识与技能”目标与物理学史的教育功能1、“知识与技能”目标⑴学习物理学的基础知识，了解物质结构、相互作用和运动的一些基本概念和规律，了解物理学的基本观点和思想。⑵认识实验在物理学中的地位和作用，掌握物理实验的一些基本技能，会使用基本的实验仪器，能独立完成一些物理实验。⑶初步了解物理学的发展历程，关注科学技术的主要成就和发展趋势以及物理学对经济、社会发展的影响。⑷关注物理学与其他学科之间的联系，知道一些与物理学相关的应用领域，能尝试运用有关的物理知识和技能解释一些自然现象和生活中的问题。2、物理学史的教育功能-2-⑴帮助学生深入理解物理概念，纠正错误观念。在物理基本概念和规律的教学中，教师往往比较重视由观察、实验得到的事实依据，为建立物理概念提供必要的感性认识。如果能在此基础上渗透一些概念逐渐建立的历史背景和过程，使概念形成的现实性、逻辑性和历史性相结合，更有利于学生对知识全面正确的理解和建构。例如“惯性”概念的建立，仅仅通过观察、实验或生活经验学生很难深刻领悟“惯性”和“力与运动关系”的本质。如果结合问题设计引导学生回顾惯性概念的历史形成过程，从亚里士多德的“强迫运动定律”到伽利略的“斜面实验”，从笛卡儿的“惯性原理”到牛顿的“运动第一定律”，再到爱因斯坦的“惯性定律修正”，最后通过对日常生活实例的分析来展现惯性现象的无处不在和无所不有。这样设计能自然地引导学生在回顾历史的过程中对“惯性”的物理本质有较为明晰的认识，深刻地体会到“运动不需力来维持”的涵义，建构起“静态和动态都属于同一种永久态”的观念。可见物理学史的渗透能使物理概念的学习变得生动、有趣，印象也深刻得多。在教学实践中发现，历史上科学家在形成物理概念、认识物理规律的过程中所遇到过的困难、所产生过的错误想法、所做出的一些错误判断等，学生在学习过程中也往往容易产生类似的情况。例如对“力与运动关系”、“落体规律”、“热的本质”、“光的本性”等知识的认识，学生头脑中的错误观念与历史上曾产生过的错误观念非常相似，而且这种习惯性的、想当然的、经验性的错误观念是很不容易抛弃的。在教学过程中，如果教师熟知物理学史，就会预测到学生可能出现的问题和可能遇到的困难，同时正视具体的难点，除了引导学生在实验的基础上进行正确的思维外，让学生踏着历史的足迹，从认识发展的历史中知觉到自身的错误观念。只有纠正了错误观念，才能建构起正确的物理概念和规律。⑵促使学生认识实验在物理学中的地位和作用。物理学是以实验为基础的科学。纵观物理学史，没有一个理论的产生与发展不是建立在实验的基础上，而每一次物理学发展所经历的理论上的大综合和大统一，都伴随着实验技术与实验思想的进步。在物理教学中，应该结合教学内容介绍物理学史上一些有重大意义的物理实验，不但要说明实验的背景、条件、手段、方法和过程，而且更要阐明这些著名实验的设计思想和研究处理问题的方法、阐明实验与理论的关系以及实验所做出的重大历史贡献；使学生认识到物理实验是物理学研究的最重要的工具，是物理实践活动的最重要的手段；领悟到物理实验对物理理论的产生、发展和验证都有决定性的作用，从而深切-3-理解实验在物理学中的地位和作用；同时也有助于增强学生的实验设计意识，提高学生对实验现象的科学洞察力和对实验结果的分析能力，从而减少物理实验中的失误。下面例举出了高中物理课程中的一些著名物理实验（包括理想实验）。力学伽利略的落体实验和斜面实验、牛顿的抛体实验、卡文迪许的扭秤实验热学布朗运动、焦耳的热功当量实验电磁学库仑的扭秤实验、奥斯特实验、法拉第电磁感应实验、赫兹实验光学迈克尔逊实验、杨氏双缝干涉实验、泊松亮斑、X射线实验近代物理光电效应实验、卢瑟福α粒子散射实验、电子衍射实验⑶有助于学生了解物理学的基本观点和思想。物理学的每一个重大的发展，总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基底的。爱因斯坦说过：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。”物理学理论的发展，最本质的表现是在物理学基本观念的演变上。不同的物理学基本观念，描绘出不同的物理世界图景：正是由于伽利略否定了亚里士多德关于自然运动和强迫运动的思想，得出了惯性原理，才把力学的研究引上了正确的途径；“中心力”的传统观念，使奥斯特寻找电流对磁针作用的实验屡遭失败，当他从通电导线发热乃至发光的现象受到启示，考虑电流对磁针的作用可能是一种“横向力”时，才获得了成功，并第一次发现了“非中心力”，萌生了场的初步观念。因此，物理教学不仅要使学生掌握物理概念和概念间的联系即规律，还要结合物理学的发展史引导学生了解物理学的基本观点、基本思想及其变革。例如，物理学的“运动观”——包含着运动的绝对性、运动描述的相对性、力和运动的关系、分子动理论等方面的内容；物理学的“守恒观”——包含着动量守恒、能量守恒、电荷守恒和质量守恒等方面的内容；物理学的“物质观”——包含着粒子的观点、场的观点以及量子观点等方面的内容；物理学的“能量观”——包含着能量的多样性、能量的转换和守恒、能量的耗散等方面的内容；相对论的“时空观”——包含着时间和空间存在着内在的联系、时空特性依赖于物质的运动、引力场的特性依赖与物质的质量分布等方面的内容；微观世界的“量子观”——包含着量子化、波粒二像性、测不准原理等方面的内容。在教学中结合物理学史，让学生了解这些物理学基本思想和观念产生的历史背景，以及这些物理学基本观念和思想的历-4-史变革过程，使学生每在学习一个新的物理理论的同时，逐步改变自己陈旧的思想观念和思维方法，从而实现从整体上把握物理世界图景、深刻领会物理学思想的真谛。⑷让学生了解物理学的发展历程及其与方方面面的联系。《高中物理课程标准》明确指出，物理教学要让学生了解物理学的发展历程，了解物理学与其他学科之间的关系。物理学是一门基础学科，在物理学的发展历程中，如果没有对数，开普勒难以建立天文学的重要规律——开普勒三定律；没有微积分，牛顿就得不到万有引力定律；没有统计学，无法发展分子运动论；能量守恒和转化定律是受康德哲学的影响；奥斯特也是受康德哲学的启发，坚信电力和磁力有共同的根源，才发现了电流的磁效应等。由此可见，物理学的发展与哲学、数学、天文学等学科都具有密切关系，在教学中介绍这些相关的历史案例，有利于使学生认识到物理学知识及其发展与其它学科知识有着密切的联系。物理学的发展对社会经济的发展产生了巨大影响。在物理教学中，要想使学生正确认识物理学的进步对人类社会发展的重大作用，一个有效的方法就是结合教学内容使学生对物理学发展的历史有所了解，对物理学的重大突破在人类认识史上所产生的震撼人心的冲击以及在人类社会发展史上所引起的重大技术变革有所了解。特别是近代以来历次物理学重大进展通过技术革命为中介转化为直接生产力，从而推动了社会经济发展，并最终引发社会革命，推动人类社会从农业社会到工业社会，从蒸汽时代到电力时代、电子和原子能时代以至现今的信息时代的生动历史，更会使学生深刻了解科学技术的巨大社会功能。同时，也要让学生了解科学技术进步所带来的负面效应，如环境污染、生态失调、自然资源过度消耗以及最初以杀人武器出现的原子弹等等，体会到科学技术的“双刃剑效应”。（二）“过程与方法”目标与物理学史的教育功能1、“过程与方法”目标⑴经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。⑵通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。⑶能计划并调控自己的学习过程，通过自己的努力能解决学习中遇到的一些物理问题，有一定的自主学习能力。-5-⑷参加一些科学实践活动，尝试经过思考发表自己的见解，尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题。⑸具有一定的质疑能力，信息收集和处理能力，分析、解决问题能力和交流、合作能力。2、物理学史的教育功能⑴对学生进行科学方法和科学思维的熏陶。物理学的研究思想和方法是在物理学发展过程中，在物理学家长期的科学实践中，逐步摸索、积累、形成和发展起来的，是人类智慧的结晶。它已经渗透到许多学科的研究中去，成为现代科学研究和处理问题的重要思想和方法。学生了解和掌握这些思想和方法，对于今后从事任何研究和工作，对于解决和处理各种问题，都是很有用的，是终生受益的。而这些方法的传授与学习，只有紧密地与物理学史结合起来，才不流于形式、成为空洞无物的条款堆集，而是有声有色的活例。在物理教学中适当结合物理学史，展现物理学发展中有代表性的科学家探索知识的思维过程，使学生了解前人是用什么样的方法研究和探索发现新的规律和理论的，从中领悟物理学的研究方法。例如，通过介绍伽利略的斜面实验，使学生了解伽利略开创了把物理实验与科学思维相结合的物理学研究方法，正像爱因斯坦评论中所说的：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”又如，通过展现库仑定律的发现历程，使学生了解科学家是如何从万有引力和静电力现象的类比中提出猜想的；又是如何通过“卡文迪许扭秤实验”类比设计“库仑扭秤实验”来验证电的斥力的平方反比律的；如何把“电的吸力”和“地球对物体的引力”加以类比推理、设计精妙的“电摆实验”来验证电的吸力的平方反比律的，从而深刻体验和领悟类比方法及其在科学研究中的重要作用。物理学中常见的研究方法，如观察、实验、科学抽象、类比、理想实验、模型、比较和分类、归纳和演绎、分析和综合、证明和反驳、假说与理论以及数学方法、控制论、系统论、信息论方法等等，都贯穿在物理学发展的整个过程中，这些具有共性的物理思维方法都是启人智慧，发人深思的。因此，在物理教学中渗透物理学史，能使学生学到解决问题的种种方法，同时使学生认识到，科学研究方法是多种多样的，很多途径都可导致真理的发现、揭示世界的本质和更深层次的奥秘。-6-⑵使学生全面理解科学的探究本质。物理学发现的历史也就是物理学探究的历史，物理学史中的探究过程所充满的艰巨性和创造性、洋溢的科学精神、渗透的科学思想和方法，启示我们在物理教学中要突出探究这一重要理念。在教学过程中渗透物理学史，使学生认识探究过程的曲折和乐趣，以提高学生科学探究所需要的能力和增进对科学探究的理解，领悟到科学的本质特征，发展他们的科学素养。学生与科学家的探究思维本质上是一致的，学生在科学学习中的探究与科学家研究自然界的科学探究有相似的特征，都要经历问题、假说或猜想、收集证据、解释、评价、交流与推广等环节，只不过“科学家是为了求知而探究，而学生探究是为了求知。”在课堂上教师可选择物理学史上著名的实验或发现事例，经简化、设计，形成富有启发性的材料，让学生“追踪”当年科学家的发现思路，模拟科学家的