構(gòu)建物理學(xué)史和物理課程融合的教學(xué)模式

摘要： 物理學(xué)史蘊(yùn)藏著豐富的教學(xué)資源，物理學(xué)史與物理課程融合已經(jīng)得到廣泛的重視。物理學(xué)史融入物理課程的教學(xué)策略是多樣的，本文闡主要述了三種模式：科學(xué)討論模式、多元化教學(xué)模式和HPS教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞： 物理學(xué)史 物理課程 教學(xué)模式

物理學(xué)史闡述了物理學(xué)的產(chǎn)生、形成和發(fā)展，是整個(gè)人類文明的一部分，蘊(yùn)藏著豐富的教育資源。重視物理學(xué)史教育，將物理學(xué)史與物理課程融合，已經(jīng)成為物理新課程改革中的一大熱點(diǎn)。正如著名物理學(xué)家錢三強(qiáng)所說(shuō)，物理學(xué)史是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的寶地，這塊寶地值得我們?nèi)ラ_(kāi)墾，這些精神財(cái)富值得我們?nèi)グl(fā)掘。如果我們能重視這塊寶地，把這塊精神財(cái)富發(fā)掘出來(lái)，從中吸取營(yíng)養(yǎng)，獲得效益，我相信對(duì)我國(guó)教育事業(yè)和人才培養(yǎng)都會(huì)大有益處。

長(zhǎng)期以來(lái)，在我國(guó)的物理學(xué)教材中，雖然體現(xiàn)了物理學(xué)史的內(nèi)容，但是相關(guān)教學(xué)模式卻比較單一，一些教師甚至認(rèn)為物理學(xué)史的教學(xué)只是講科學(xué)家故事。物理學(xué)史融入物理課程大致有三種教學(xué)模式，即科學(xué)討論模式、多元化教學(xué)模式和HPS教學(xué)模式。

一、科學(xué)討論模式

物理學(xué)史的教學(xué)可以采取科學(xué)對(duì)話模式，即師生將問(wèn)題展開(kāi)，不局限于課本，圍繞有關(guān)科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題開(kāi)展討論。

在上課前一天，教師將學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組以6—8人為宜，每個(gè)小組的成員應(yīng)該有具體的任務(wù)，上課時(shí)教師引導(dǎo)兩組學(xué)生引用證據(jù)進(jìn)行辯論。學(xué)生可以根據(jù)物理學(xué)史實(shí)，結(jié)合自己的觀點(diǎn)，充分交流意見(jiàn)和觀點(diǎn)。這時(shí)應(yīng)注意適度的原則，即應(yīng)把科學(xué)本質(zhì)的問(wèn)題限制在學(xué)生可以理解的適度范圍內(nèi)。

這種教學(xué)模式早已應(yīng)用，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)的能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。但是，由于小組的數(shù)量很多，會(huì)造成很多重復(fù)和累贅。

二、多元化教學(xué)模式

物理學(xué)史融入物理學(xué)課程的多元化教學(xué)，所強(qiáng)調(diào)的是針對(duì)某一個(gè)科學(xué)理論或科學(xué)概念，利用討論、辯論、教師演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)等多種方式，模擬當(dāng)年該科學(xué)理論形成的過(guò)程，并說(shuō)明當(dāng)時(shí)的文化背景。呈現(xiàn)物理學(xué)史中科學(xué)家們所產(chǎn)生過(guò)的爭(zhēng)論、質(zhì)疑、錯(cuò)誤概念，除了可以避免學(xué)生犯科學(xué)家曾經(jīng)犯過(guò)的錯(cuò)誤之外，還可以幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變其錯(cuò)誤概念。融入的物理學(xué)史材料完整地呈現(xiàn)了以前的爭(zhēng)論及質(zhì)疑，因此有利于充分說(shuō)服學(xué)生放棄錯(cuò)誤概念，進(jìn)而自主建構(gòu)物理科學(xué)概念。

以九年級(jí)物理牛頓第一定律的教學(xué)為例，要求學(xué)生記住牛頓第一定律的內(nèi)容和幾個(gè)例子并不難，但單純地記憶或是機(jī)械地與實(shí)例結(jié)合并不能使學(xué)生理解定律。為了使學(xué)生更加深入地理解和掌握定律，可以采用融入物理學(xué)史的多元化教學(xué)模式。

首先，上課時(shí)教師提出問(wèn)題：“物體運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持么？”并引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展討論或辯論。有的學(xué)生可能認(rèn)為運(yùn)動(dòng)是需要力來(lái)維持的，因?yàn)槭^拿在手上放開(kāi)會(huì)往下掉，氣球拿在手上放開(kāi)則會(huì)往上飛，并且在上拋運(yùn)動(dòng)中，物體在上升的階段也會(huì)受到一個(gè)豎直向上的力。正是這個(gè)力維持了物體的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)錯(cuò)誤的理論被著名科學(xué)家亞里士多德提出，并被當(dāng)時(shí)的人們所接受。

教師指出，如果忽略空氣阻力，豎直上拋的物體在上升過(guò)程中，除了重力是不受力的，因?yàn)闆](méi)有施力物體。學(xué)生產(chǎn)生懷疑，為了促進(jìn)學(xué)生理解物體能上升的原因，教師進(jìn)一步演示模擬當(dāng)年伽利略的實(shí)驗(yàn)。在演示實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)下列兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)展討論：（l）讓小車每次從平面的同一高度由靜止滑下的目的是什么?（2）如果平面很長(zhǎng)，小球會(huì)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)么？（3）如果換成光滑的平面，小球會(huì)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)么？

學(xué)生討論及回答之后，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧物理學(xué)史，必要的時(shí)候進(jìn)行闡述。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，亞里士多德得出結(jié)論：靜止是水平地面上物體的“自然狀態(tài)”或“自然本性”，必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)。由于亞里士多德的權(quán)威，直到三百多年前，伽利略才創(chuàng)造了有效的方法和技術(shù)，揭示了現(xiàn)象的本質(zhì)。伽利略認(rèn)識(shí)到，將人們引入歧途的是摩擦阻力。他注意到，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下滾時(shí)，它的速度增大，而向上滾時(shí)，它的速度減小。由此他推論，當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，它的速度應(yīng)不增不減。實(shí)際上他也發(fā)現(xiàn)，表面愈光滑，球便會(huì)滾得愈遠(yuǎn)。于是他推論，若沒(méi)有摩擦力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。

1632年伽利略做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始下滾，小球滾上另一個(gè)斜面，達(dá)到與原來(lái)差不多的高度然后回滾。他推論，只是因?yàn)槟Σ亮?，球才沒(méi)能達(dá)到原來(lái)的高度。然后，他減小后一斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要滾得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，球要達(dá)到同一高度就會(huì)滾得更遠(yuǎn)。于是他設(shè)想：若將后一斜面放平，球會(huì)滾多遠(yuǎn)?結(jié)論顯然是球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。這就是說(shuō)，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)（即維持物體的速度）的原因，而恰恰是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即改變物體速度）的原因。后來(lái)這個(gè)結(jié)論被牛頓總結(jié)為牛頓第一定律，為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。牛頓把實(shí)驗(yàn)觀察和抽象思維結(jié)合起來(lái)，找到了深入理解運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的真正線索，這是他研究工作的卓越之處。

通過(guò)這些教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生能夠通過(guò)科學(xué)史去了解科學(xué)理論（theory）、科學(xué)假設(shè)（hypothesis）、科學(xué)實(shí)驗(yàn)（experiment）之間的關(guān)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)精神。運(yùn)用這種融入物理學(xué)史的多元化教學(xué)模式，一方面，因?yàn)閮?nèi)容充實(shí)且學(xué)生本身積極參與，所以能提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。另一方面，通過(guò)課堂討論或辯論，還能促使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)家研究問(wèn)題的過(guò)程，使學(xué)生對(duì)探究過(guò)程產(chǎn)生興趣?？傊?，這種融入物理學(xué)史的多元化科學(xué)教學(xué)過(guò)程，有利于促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)新的物理學(xué)概念。

三、HPS教學(xué)模式

在以往的科學(xué)課程中，往往是把物理學(xué)史作為一種知識(shí)附加在科學(xué)教學(xué)內(nèi)容上，教師以講故事的方式進(jìn)行教學(xué)。實(shí)踐證明，這樣只能使學(xué)生機(jī)械記憶，理解趨于狹隘和片面。

近年來(lái)，西方一些科學(xué)教育專家以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想，倡導(dǎo)一種新的科學(xué)教育的教學(xué)模式。這種模式要求把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)（history，philosophy and sociology of science，縮寫為HPS）的有關(guān)內(nèi)容融入中小學(xué)科學(xué)課程，以期促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)他們的科學(xué)精神和創(chuàng)造力，這就是所謂的HPS教育。

英國(guó)科學(xué)教育學(xué)者孟克和奧斯本在總結(jié)科學(xué)教育的歷史經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了把科學(xué)史內(nèi)容融入科學(xué)課程與教學(xué)的策略，即HPS教學(xué)模式。這一模式適用于物理學(xué)史上曾經(jīng)研究的問(wèn)題，如落體速度的變化、大氣壓強(qiáng)、焦耳定律等。這一模式的教學(xué)程序包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)：

（一）提出問(wèn)題，引出觀念。

教師在導(dǎo)課時(shí)演示某一實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)觀察現(xiàn)象，由此產(chǎn)生一個(gè)需要解決的問(wèn)題。例如，為什么通電的電阻會(huì)發(fā)熱？這既能引起學(xué)生的好奇心，又能促使學(xué)生利用科學(xué)史資源進(jìn)行進(jìn)一步的探究。然后，教師啟發(fā)學(xué)生就這一自然現(xiàn)象提出自己的觀點(diǎn)（解釋），讓學(xué)生充分發(fā)揮，不必拘泥于形式。

（二）學(xué)習(xí)物理學(xué)史。

在這一環(huán)節(jié)，教師先介紹早期科學(xué)家關(guān)于這一現(xiàn)象的思想、批判和辯論與實(shí)例，作為學(xué)生研究的參照系，繼而引導(dǎo)學(xué)生討論或探索這些觀念產(chǎn)生的背景、條件，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到知識(shí)的時(shí)代性。學(xué)習(xí)歷史不僅可以激發(fā)學(xué)生的想象力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神。

（三）認(rèn)真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

教師將學(xué)生分組，要求學(xué)生從多種觀點(diǎn)和觀念中選擇某種觀點(diǎn)，進(jìn)行合理推理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一環(huán)節(jié)應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：1.對(duì)同一自然現(xiàn)象可能有不同的解釋；2.可以用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這些觀點(diǎn)（假設(shè)）。

（四）驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

由教師講解當(dāng)代的科學(xué)觀念，即介紹教科書(shū)上對(duì)這一自然現(xiàn)象的解釋，從而為學(xué)生實(shí)現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變提供契機(jī)和可能。這一環(huán)節(jié)還需要學(xué)生對(duì)自己的觀念和解釋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、資料的收集與整理，最終得出結(jié)論，通過(guò)總結(jié)與評(píng)價(jià)，形成科學(xué)觀念，幫助學(xué)生更深刻地理解科學(xué)的探究本質(zhì)，以及歷史上科學(xué)家的探究過(guò)程與科學(xué)觀念。

從上述的教學(xué)過(guò)程可以看出，這一模式能將科學(xué)史及科學(xué)哲學(xué)的學(xué)習(xí)與當(dāng)前的科學(xué)概念和理論的學(xué)習(xí)有機(jī)地融合在一起，有利于培養(yǎng)學(xué)生的解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力；更重要的是能充分體現(xiàn)學(xué)生的主體性，促使他們主動(dòng)學(xué)習(xí)和建構(gòu)知識(shí)，并且形成正確的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)科學(xué)精神。

綜上所述，基于學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知與推理能力的限制，物理學(xué)史與物理學(xué)課程的融合只有根據(jù)學(xué)生的不同特點(diǎn)和教學(xué)要求選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｊ剑拍苋〉昧己玫慕虒W(xué)效果。

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