杜爱慧

(河南师范大学物理与信息工程学院,河南新乡 453007)

物理学史与科学素养目标的实现

杜爱慧

(河南师范大学物理与信息工程学院,河南新乡 453007)

物理学史与物理教学相结合是国内外基础教育改革的一项重要课题.有学者说过,“一门科学的历史是那门科学最宝贵的一部分.科学只能给我们知识,而历史却能给我们智慧.”科学史教育是培养学生科学素养的重要资源.在物理教学中合理利用物理学史知识是实现三维目标的一种有益手段.

1 物理学史与科学素养的关系

我国教育界对科学素养的界定是:(1)对科学知识(包括术语和概念)的基本理解;(2)对科学的研究过程的基本理解;(3)对科技对社会影响的基本理解程度.一个人如果达到了以上3点,就可以被认为达到了基本的科学素养水平.新一轮物理课程改革将“培养学生的科学素养”定为改革的总目标.在物理教学中,我们可以通过物理学史展示物理知识的来龙去脉,加深学生理解;可以通过物理学史展示物理学家的科学思维,帮助学生了解科学研究的过程,掌握科学方法;可以通过展示物理学家的科学精神和爱国热情,帮助学生形成正确的人生观与价值观.可见,物理学史是培养学生科学素养的重要载体.

2 中学物理教学中引入物理学史知识的现状

2.1 中学物理教材引入物理学史内容的情况

中学物理教材引入的物理学史内容大致分以下几类: (1)科学方法的介绍,(2)科学家的生平,(3)重要实验、规律、概念发现的过程及产生的历史背景,(4)学派、假说间的争议,(5)我国古代的科学技术与物理文化.

有文献研究指出[1],现行中学物理教材中涉及历史内容共有88处,涉及我国古代物理文化76处,合计164处.以人教版为例[2],理科生要学习的7个模块中共编入了65篇阅读材料,其中物理学史类占到15篇.可见,新教材在内容上大大加强了物理学史料的编排.历史上许多重要实验,如伽里略的斜面实验、J.J.汤姆逊的阴极射线实验、库仑的扭秤实验、密立根实验和卢瑟福用粒子轰击金箔的实验等,在教材中都做了一定的描述;历史上的学说之争,如粒子说与波动说之争、热质说与热动说之争等在教材中也占有一定的篇幅.

2.2 中学物理教师、学生对物理学史知识的态度

教师方面,我们访谈了10位中学物理教师.其结果表明,大部分教师对物理学史知识都持肯定态度.但在实际教学中,多数教师表示很少花时间去查阅更多相关资料.因此,由于史料知识的匮乏,最终造成教师在运用时比较呆板,教学方式单一欠生动.

对于学生方面,有调查显示[1]:学生对物理学史内容表现出了极高的兴趣.其中,85.3%的学生认为物理学史会影响自己学习物理的兴趣;88.7%的学生认为物理学史内容对其理解物理知识有帮助;86.7%的学生认为科学家的故事或录像会影响到自己世界观的形成.然而,调查中也反映出大多数学生对科学家是敬而远之的,认为“圣人”的成就、品德与精神可望而不可及.

3 从三维目标谈物理学史知识的合理运用

3.1 借助物理学史展示物理知识的来龙去脉,加深学生对知识的理解,培养能力

知识一直是物理教师教学的重要方面.在物理教学中,教师可充分利用史料,加深学生对物理概念、规律等基础知识的认识和理解.如牛顿当初是如何从开普勒第一定律中看出中心力的存在?如何通俗明白地讲出行星能绕太阳运转和卫星能绕行星运转的道理?这些内容在牛顿的《原理》中是用简单的数学公式和图形说明的,它说明在高山上平射出去的物体如何随着初速度的增大而射程越来越远,以致最后由抛物线向圆轨道和椭圆轨道的转变.这种说明可以使学生很容易就理解了抛射体运动的抛物线轨道、圆轨道和椭圆轨道的联系和界限,对引力场中的轨道概念有一个深刻的理解.

随着科学探究的提出,培养学生的能力也更加突显出来,尤其是对学生质疑精神和提出问题能力的培养.教师可借助物理学史上那些不囿于传统理论和观念,不迷信权威和书本的精彩事例,培养学生质疑能力.如关于狭义相对论的建立.众所周知,在爱因斯坦之前,洛伦兹和彭加勒已经走到相对论的大门口,洛伦兹在1904年已经提出了洛伦兹变换式,而爱因斯坦的狭义相对论发表于1905年,但科学界几乎一致公认爱因斯坦是相对论的创始人.虽然两人所得的公式是一样的,但他们对问题的提法却大不相同.爱因斯坦一开始提出的问题就是如何使电磁学规律满足相对性原理;而洛伦兹的问题是如何在绝对时空观的框架里解决以太漂移问题.所以洛伦兹把他变换出来的时间坐标t′叫做“地方时”,认为它只是个数学辅助量,而不是真正的时间.而爱因斯坦抛开了“绝对运动”和“静止以太”的观念,并深刻地审察了“同时性”概念的物理学根据,最终创建了狭义相对论,引起了人类时空观的巨大变革.实际上,建立相对论在观念上的最大障碍,就是牛顿的“绝对时间”.要承认时间的相对性,这是需要智慧和勇气的,特别需要怀疑精神.爱因斯坦的伟大之处正在于此.

3.2 借用物理学史展示物理学家的科学思维,帮助学生掌握科学的研究过程与方法

科学探究式学习就是让学生经历科学家探索发现的过程,学习科学方法并进行科学思维的训练.著名物理学家劳厄曾说:“重要的不是获得知识,而是发展思维能力.教育给予人们的是当一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下来的东西.”对于物理课程的学习而言,在某种意义上讲,“剩下来的东西”便是科学过程和科学方法,即科学探究的能力.教师可借助物理学史中大量生动事例来说明科学大师们是如何熟练而巧妙地运用科学方法取得成果的,从而对学生进行科学方法的教育.当然,物理学的每一项研究并不是只有一种方法,而且每个科学家在运用这些方法时也都有明显的个人特点.因此,学习前人的方法,与其说是为了掌握具体的方法本身,倒不如说是为了积累前人科学思维的经验.在物理教学中,教师可深入剖析若干科学发现的“案例”,使学生详细了解若干科学大师们科学创造的思路,从而受到熏陶,得到启发.

万有引力的发现,牛顿是在研究和概括前人的成果之后,并在数学上、在对月球与地球间的引力与运动规律的检验上做了大量工作之后,才于1685年最后得到万有引力定律的表达式的.所以,这个定律不是像某些人说的那样,是牛顿从看到苹果落地所得到的“顿悟”中突然产生的.用他自己的话说,就是“我站在了巨人的肩上”.再如“自由落体运动”的教学,16世纪以前,亚里士多德曾和学生们一样用归纳法阐述了“物体越重,下落得越快”这种观点.2000多年的时间里,他的学说一直为人们所信服(配合演示实验:纸片比橡皮下的慢).1638年伽利略用了一种很巧妙的方法反驳了亚里士多德的观念.把纸片和橡皮粘在一起,一方面,纸片的速度慢,会拖着橡皮减速;另一方面,橡皮纸片的总重大,两者的共同速度应该增加,这样亚里士多德的理论就变得自相矛盾了.这种分析问题的方法我们称之为矛盾法.学生在了解这段史料的过程中,不仅改变了“物体越重,下落得越快”这一错误观念,而且学到了物理学家科学分析问题的态度和方法.

3.3 借用物理学史展示物理学家的科学精神,培养学生的科学态度和正确的价值观

物理学史以其特有的精神价值(包括科学家们的科学理想、献身精神、光辉言行和高尚品格,也包括中华民族的文明),在学生的情感态度与价值观教育中发挥着重要的作用.科学大师们的楷模形象和中华文明的深厚底蕴,也给学生人生价值的追求以深刻的影响.

在物理教学中,教师首先要善于深入剖析科学伟人的生平、环境、教育和成长道路,使学生认识到科学家不是超道德的,他们的科学探索活动和科学成就,与其人生价值观是密不可分的.如哥白尼不满于托勒密的体系而创立了日心说,为宣传和捍卫这个学说,布鲁诺被宗教裁判所活活烧死,伽利略受到迫害,后人把历史上这桩勇敢的壮举,豪迈地形容为“哥白尼拦住了太阳,推动了地球”.再如,开普勒在获得了行星运动三定律后,欣喜若狂地写道:“16年了,我立志要探索一件事,……我终于走向光明,认识到的真理远超出我最热切的期望.如今木已成舟,书已出稿,至于是否现在就有读者,抑或将留待后世?正像上帝已等了观察者6000多年那样,我也许要整整等上一个世纪才会有读者,对此我毫不在意.”事实上我们知道,在这16年里,开普勒贫病交加,历受宗教迫害,母亲被拘禁,前妻去世,孩子夭亡,真是苦难重重.这些感人的事例,对学生是很有感染力的.

其次,在物理教学中,教师要善于运用科学家的言行,培养学生树立正确的人生观、价值观,使学生认识到人生的价值要放在社会大环境中和历史长河中去衡量.如卡文迪许逝世后留下了20捆实验笔记,存放在书柜里70年.当麦克斯韦负责筹建卡文迪许实验室时,发现了这些充满智慧和心血的笔记,仔细阅读后,连声叹服,由此决定放下自己的一些研究课题,呕心沥血地整理这些手稿并以卡文迪许的名义发表,使许多珍贵的物理科学思想流传了下来.再如[3],两大科学巨人爱因斯坦和玻尔就量子力学的诠释和理论的完备性问题争论了四分之一个世纪,直到1955年爱因斯坦去世.在原则性的问题上,他们寸步不让;但在个人关系上,他们又如此友善和相互尊重.著名物理学家惠勒描述这场论战说:“它发生在如此伟大的两个人物之间,经历了如此长久的时间,涉及如此深奥的问题,而却又是在如此真挚的友谊关系之中.”

另外,在物理教学中,教师还应注意弘扬中华民族对世界文明的贡献,对学生进行爱国主义教育.如在教学中可适当介绍中国古人在运动的相对性、力学、热学、光学、电磁现象等方面的认识和应用以及在天体运行和宇宙结构等方面的贡献等.

1 蔡志凌.物理学史教学的现状、问题与对策研究.课程·教材·教法,2003(7):35-38

2 蔡志凌.物理新教材阅读材料的归类与教育功能探究.中学物理,2010(1):22-24

3 申先甲等.谈谈物理学史在素质教育中的作用(续).大学物理, 2000(12):37-39

2010-06-07)