物理學(xué)史在教學(xué)中落實(shí)課程三維目標(biāo)的有效途徑

物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出了三維目標(biāo)，并開(kāi)始關(guān)注科學(xué)本質(zhì)教育。物理學(xué)史在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用是落實(shí)三維目標(biāo)的有效途徑。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)物理學(xué)史教育價(jià)值的認(rèn)識(shí)還是存在著諸多偏差和不足，在具體實(shí)施的過(guò)程中，也還存在著許多誤區(qū)。本文將對(duì)物理學(xué)史認(rèn)識(shí)與實(shí)施兩個(gè)方面做一些探討。

一、物理學(xué)史在教學(xué)中落實(shí)課程三維目標(biāo)的意義

在《九年義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中，將課程的性質(zhì)定義為“讓學(xué)生學(xué)習(xí)初步的物理知識(shí)與技能、經(jīng)歷基本的科學(xué)探究過(guò)程、受到科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的熏陶……”《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》也將課程的性質(zhì)定義為“有助于學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)基本的物理知識(shí)與技能；體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，了解科學(xué)研究方法；增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的能力與熱情……為終身發(fā)展，形成科學(xué)的世界觀和科學(xué)價(jià)值觀打下基礎(chǔ)”。此外，兩本“課標(biāo)”中均將課程目標(biāo)定為三維。由此可見(jiàn)“課標(biāo)”與“大綱”不僅僅是名稱上的不同。“大綱”屬于傳授知識(shí)型教學(xué)，關(guān)注點(diǎn)是物理的基本知識(shí)與基本技能。“課標(biāo)”除要求學(xué)習(xí)基本的物理知識(shí)與技能外，還要求體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，了解科學(xué)研究方法，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情；認(rèn)識(shí)物理學(xué)對(duì)科技進(jìn)步以及文化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的影響；為終身發(fā)展，形成科學(xué)世界觀和科學(xué)價(jià)值觀打下基礎(chǔ)。正因?yàn)閮烧叩哪繕?biāo)要求有如此大的差別，才催生了本輪聲勢(shì)浩大的課程改革，改革的最終目的正是為了更好地實(shí)現(xiàn)“課標(biāo)”中提出的三維課程目標(biāo)。把物理學(xué)史融入物理教學(xué)不僅能同時(shí)實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的三維要求，而且能使其融合成一個(gè)完美的整體。

二、物理學(xué)史在教學(xué)中落實(shí)三維目標(biāo)的作用

1.引入物理學(xué)史幫助理解和掌握物理學(xué)知識(shí)。

教育理論和教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生認(rèn)知的過(guò)程符合“重演論”，同整個(gè)人類社會(huì)認(rèn)知的過(guò)程驚人的相似。學(xué)生頭腦中的“前概念”在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中同樣出現(xiàn)過(guò)，甚至長(zhǎng)期成為人類普遍接受的“真理”。學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的重點(diǎn)和難點(diǎn)也往往是物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程中較難攻克的關(guān)鍵點(diǎn)——在整個(gè)物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程中具有里程碑式的意義。學(xué)生只有了解了物理學(xué)中的基本概念、定律和定理的形成和發(fā)展過(guò)程，才會(huì)徹底掌握它的物理意義。才能更直觀、更具體地認(rèn)知那些看似抽象的物理概念。通過(guò)歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的一些“典型認(rèn)知”(已經(jīng)被新的更準(zhǔn)確認(rèn)知替換)可以預(yù)測(cè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中將會(huì)遇到的問(wèn)題，在課前有針對(duì)性地做些準(zhǔn)備。課上通過(guò)再現(xiàn)此類“認(rèn)知”如何被歷史證誤，以及“新認(rèn)知”如何取而代之的過(guò)程，可使學(xué)生自己對(duì)頭腦中的“前概念”進(jìn)行“同步”否定，并由科學(xué)的“新概念”所替換。

2.展示科學(xué)探索過(guò)程，培養(yǎng)科學(xué)研究方法。

掌握學(xué)科知識(shí)固然重要，然而了解知識(shí)的來(lái)源則更加重要。韓愈曾說(shuō)：“師者，所以傳道、授業(yè)、解惑也?！薄暗馈奔础胺椒ā?，被排在了所有教育目標(biāo)的前面。物理學(xué)史記述了物理實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，描述了物理學(xué)家的思維過(guò)程。此外，這些過(guò)程還展現(xiàn)了科學(xué)家是如何在科學(xué)研究方法上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和突破的。“親歷”物理學(xué)重要概念、理論的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，可以深刻理解研究方法的重要作用，培養(yǎng)正確運(yùn)用這些科學(xué)方法的能力。可見(jiàn)，物理學(xué)史對(duì)物理科學(xué)方法教育有著特殊的作用。

3.以鮮活的資料熏陶和感染學(xué)生，體驗(yàn)情感、培養(yǎng)態(tài)度、形成價(jià)值觀。

物理學(xué)史重現(xiàn)科學(xué)家探索物理知識(shí)過(guò)程的成功與失敗，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究路上的喜悅與艱辛，獲得強(qiáng)烈的情感體驗(yàn)。通過(guò)再現(xiàn)科學(xué)家克服各種阻力與困難作斗爭(zhēng)、與傳統(tǒng)觀念作斗爭(zhēng)的堅(jiān)強(qiáng)意志來(lái)感染學(xué)生，使學(xué)生具有追求真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。物理學(xué)發(fā)展史既是人類認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界的過(guò)程，也是辯證唯物主義與形而上學(xué)唯心主義斗爭(zhēng)的過(guò)程。所以，它更有利于學(xué)生形成正確的人生觀、世界觀。

三、物理學(xué)史在教學(xué)中的案例分析

以人教版課標(biāo)教材中“探究自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例。教材在探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，將用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析得出自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)及自由落體加速度大小與第五節(jié)伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究進(jìn)行融合。

1.通過(guò)觀察提出疑問(wèn)。

由教師在課堂用幾組輕重不同物體做落體演示，自然地引出問(wèn)題：輕重不同的物體從同一高度落下，落地時(shí)間是否一致?介紹亞里士多德延續(xù)兩千多年的觀點(diǎn)——物體的下落快慢是由物體的重量決定的，以及伽利略如何用“歸謬法”推出了亞里士多德的理論的不自洽(著名的“落體佯謬”問(wèn)題)。根據(jù)亞里士多德的理論，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭下落速度大。當(dāng)把兩個(gè)物體捆綁在一起，兩個(gè)速度不同的物體必然互相帶動(dòng)使它們的整體速度介于兩速度之間。然而換個(gè)角度考慮，兩個(gè)石頭綁在一起比大石頭還要重，速度理應(yīng)比大石頭的速度要快。可見(jiàn)。從“重的物體比輕的物體落得快”的前提推出了兩種相矛盾的結(jié)論。

這部分介紹打破了學(xué)生頭腦中與亞里士多德相似的觀點(diǎn)，為下一步得出的新結(jié)論融入學(xué)生已有知識(shí)結(jié)構(gòu)掃清了道路。“歸謬法”的介紹使學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)學(xué)習(xí)到科學(xué)的研究方法。伽利略敢于懷疑亞里士多德延續(xù)了兩千多年的觀點(diǎn)，以及冒著壓力不斷探索真理的過(guò)程正反映了懷疑、求真、創(chuàng)新的科學(xué)精神。他敢于質(zhì)疑、不斷探索、在不為世人接受的情況下堅(jiān)持真理、勇于證明的經(jīng)歷將深深地打動(dòng)每個(gè)學(xué)生。榜樣的力量是無(wú)窮的，他將使學(xué)生在不知不覺(jué)中受到感染和熏陶；學(xué)習(xí)前輩科學(xué)家不迷信權(quán)威、敢于懷疑、追求創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，實(shí)事求是、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，不計(jì)得失、勇攀高峰的崇高精神。

2.提出合理假設(shè)。

要求學(xué)生充分表達(dá)自己對(duì)該問(wèn)題的猜想，為使表達(dá)充分可采用頭腦風(fēng)暴法。(教師對(duì)學(xué)生各種假設(shè)不作任何評(píng)價(jià))當(dāng)學(xué)生充分表達(dá)各自的觀點(diǎn)后，教師可以介紹兩種伽利略當(dāng)時(shí)的假設(shè)。例如，一種是落體的速度正比于通過(guò)的距離，另一種是從靜止開(kāi)始在相同的時(shí)間內(nèi)獲得相同的速度增量(對(duì)上兩種假設(shè)也要做到不做評(píng)價(jià))。

勇于提問(wèn)和善于假設(shè)是獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維的表現(xiàn)。創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，不僅要求學(xué)生有嚴(yán)密的邏輯思維能力，而且還要具有相當(dāng)?shù)姆沁壿嬒胂竽芰ΑＫ裕还軐W(xué)生提出何等猜想假設(shè)都不要對(duì)其作消極評(píng)價(jià)。在當(dāng)今的創(chuàng)造過(guò)程中，一系列具有創(chuàng)造性的非常規(guī)方法和一些突破傳統(tǒng)思維定勢(shì)的科學(xué)想象，在建立新理論的創(chuàng)新活動(dòng)中的作用越來(lái)越突出。

當(dāng)然提出的各種假設(shè)還必須要通過(guò)邏輯核實(shí)和驗(yàn)證。介紹伽利略是如何再次通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)察覺(jué)到他的第一個(gè)假設(shè)有邏輯錯(cuò)誤的。根據(jù)這個(gè)定義，物體通過(guò)某段距離的時(shí)間將和通過(guò)二倍原來(lái)那段距離所用的時(shí)間相等，因?yàn)閮杀毒嚯x的情況下，其平均速度也是原來(lái)平均速度的二倍。也就是說(shuō)，通過(guò)第二段距離不必花時(shí)間，這顯然是荒謬的。

要求學(xué)生對(duì)自己提出的假設(shè)也進(jìn)行初步的判斷，提高學(xué)生的判斷力。

3.數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

由于速度難以直接測(cè)量，于是伽利略借助解方法求出了從靜止開(kāi)始的勻加速運(yùn)動(dòng)的距離S與時(shí)間t的關(guān)系。表示時(shí)間，橫線表示各時(shí)刻的速度，三角形ABE的面積表示所通過(guò)的距離。顯然這個(gè)面積與矩形ABFG的面積相等，F(xiàn)B為末速度的一半，即平均速度。由此不難得出，勻加速運(yùn)動(dòng)通過(guò)的距離與時(shí)間的平方成正比，即得出s與t²。的關(guān)系，這就是時(shí)間平方定律。

要求學(xué)生了解推導(dǎo)過(guò)程，并利用前面所學(xué)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，用代數(shù)法對(duì)伽利略的圖形推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

要求學(xué)生按假設(shè)的相近性進(jìn)行分組，并根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證自己的假設(shè)。

學(xué)生用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅鞏固了實(shí)驗(yàn)器材的使用方法，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)分析能力，還得出了自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)及自由落體運(yùn)動(dòng)加速度大小。在學(xué)生互相通報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并且經(jīng)過(guò)討論使結(jié)論趨于一致后，由教師總結(jié)結(jié)論，并介紹在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件極其落后的情況下伽利略是如何克服困難完成驗(yàn)證的。使學(xué)生明白科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與社會(huì)的發(fā)展密不可分，互為影響。由于實(shí)驗(yàn)條件等因素的制約，歷史上出現(xiàn)錯(cuò)誤理論是不可避免的。亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)并不可笑，它是在當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)條件下所做的積極探索。

為了“沖淡重力”減緩下落運(yùn)動(dòng)，伽利略進(jìn)行了著名的斜坡實(shí)驗(yàn)。他在一個(gè)板條上刻出一條直槽，貼上牛皮紙使之光滑，讓一個(gè)光滑的黃銅小球沿直槽下落，并用水鐘測(cè)定下落時(shí)間。發(fā)現(xiàn)“一個(gè)從靜止開(kāi)始下落的物體在相等的時(shí)間間隔經(jīng)過(guò)各段距離之比，等于從1開(kāi)始的一系列奇數(shù)之比”，即為1:3:5:7……從而證實(shí)了落體“所經(jīng)過(guò)的各種距離總與所用的時(shí)間的平方成比例”。為了把斜面實(shí)驗(yàn)結(jié)論推廣到豎直情況下的自由落體運(yùn)動(dòng)，伽利略提出了“等末速假設(shè)”即靜止物體無(wú)論是豎直方向還是沿不同斜面從同一高度下落，到達(dá)末端是具有相同的速度。這就是說(shuō)，物體在下落中所得到的速度只由下落的高度決定，而與斜面的傾斜程度無(wú)關(guān)。他在論證中說(shuō)，如果情況不是這樣，那么只要把過(guò)程翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，物體就可以利用下落中得到的更大速度上升到比由之下落的更高的高度，而這是與我們的經(jīng)驗(yàn)相違背的。(實(shí)際上伽利略也曾用單擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)?？梢?jiàn)，任何假設(shè)都要盡量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這恰恰說(shuō)明了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性精神)

根據(jù)這個(gè)假設(shè)，就可以得到沿斜面長(zhǎng)度l(下滑)的加速度gl與沿斜面高度h(自由下落)的加速度g之間的關(guān)系。物體自頂端沿斜面下滑和豎直下落所用的時(shí)間分別為t₁，和t，末速度同樣為v，則由h=v/2t和l=v/2t₁得到t/t₁=h/t；再由v=g₁t₁和v=gt，得到g₁/g=t/t₁=sinα。由這個(gè)關(guān)系，就不難從斜面上的加速度求出自由下落的加速度。不過(guò)，伽利略并沒(méi)有給出加速度的精確數(shù)據(jù)，他只是根據(jù)這個(gè)關(guān)系明確得出了自由落體作勻加速運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。

最后，要求學(xué)生分別總結(jié)并講述學(xué)到的物理知識(shí)和伽利略用的科學(xué)研究方法。

本節(jié)課在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，通過(guò)將物理學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程和學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生揣摩前人分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)研究方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的過(guò)程中受到方法的熏陶，逐步掌握科學(xué)研究方法。而且，在總結(jié)物理學(xué)研究過(guò)程中成功的經(jīng)驗(yàn)與吸取失敗的教訓(xùn)的同時(shí)使學(xué)生明白所謂的科學(xué)知識(shí)也不是一成不變的，而是不斷發(fā)展的。以鮮活的資料弘揚(yáng)科學(xué)精神和獻(xiàn)身于科學(xué)的意志品質(zhì)，使學(xué)習(xí)者受到生動(dòng)的情感、態(tài)度與價(jià)值觀的熏陶和感染，以求有利于他們健全人格的養(yǎng)成。

(作者單位：安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖，241000)