物理學史與科學素養目標的實現

杜愛慧

(河南師范大學物理與信息工程學院,河南新鄉 453007)

物理學史與科學素養目標的實現

杜愛慧

(河南師范大學物理與信息工程學院,河南新鄉 453007)

物理學史與物理教學相結合是國內外基礎教育改革的一項重要課題.有學者說過,“一門科學的歷史是那門科學最寶貴的一部分.科學只能給我們知識,而歷史卻能給我們智慧.”科學史教育是培養學生科學素養的重要資源.在物理教學中合理利用物理學史知識是實現三維目標的一種有益手段.

1 物理學史與科學素養的關系

我國教育界對科學素養的界定是:(1)對科學知識(包括術語和概念)的基本理解;(2)對科學的研究過程的基本理解;(3)對科技對社會影響的基本理解程度.一個人如果達到了以上3點,就可以被認為達到了基本的科學素養水平.新一輪物理課程改革將“培養學生的科學素養”定為改革的總目標.在物理教學中,我們可以通過物理學史展示物理知識的來龍去脈,加深學生理解;可以通過物理學史展示物理學家的科學思維,幫助學生了解科學研究的過程,掌握科學方法;可以通過展示物理學家的科學精神和愛國熱情,幫助學生形成正確的人生觀與價值觀.可見,物理學史是培養學生科學素養的重要載體.

2 中學物理教學中引入物理學史知識的現狀

2.1 中學物理教材引入物理學史內容的情況

中學物理教材引入的物理學史內容大致分以下幾類: (1)科學方法的介紹,(2)科學家的生平,(3)重要實驗、規律、概念發現的過程及產生的歷史背景,(4)學派、假說間的爭議,(5)我國古代的科學技術與物理文化.

有文獻研究指出[1],現行中學物理教材中涉及歷史內容共有88處,涉及我國古代物理文化76處,合計164處.以人教版為例[2],理科生要學習的7個模塊中共編入了65篇閱讀材料,其中物理學史類占到15篇.可見,新教材在內容上大大加強了物理學史料的編排.歷史上許多重要實驗,如伽里略的斜面實驗、J.J.湯姆遜的陰極射線實驗、庫侖的扭秤實驗、密立根實驗和盧瑟福用粒子轟擊金箔的實驗等,在教材中都做了一定的描述;歷史上的學說之爭,如粒子說與波動說之爭、熱質說與熱動說之爭等在教材中也占有一定的篇幅.

2.2 中學物理教師、學生對物理學史知識的態度

教師方面,我們訪談了10位中學物理教師.其結果表明,大部分教師對物理學史知識都持肯定態度.但在實際教學中,多數教師表示很少花時間去查閱更多相關資料.因此,由于史料知識的匱乏,最終造成教師在運用時比較呆板,教學方式單一欠生動.

對于學生方面,有調查顯示[1]:學生對物理學史內容表現出了極高的興趣.其中,85.3%的學生認為物理學史會影響自己學習物理的興趣;88.7%的學生認為物理學史內容對其理解物理知識有幫助;86.7%的學生認為科學家的故事或錄像會影響到自己世界觀的形成.然而,調查中也反映出大多數學生對科學家是敬而遠之的,認為“圣人”的成就、品德與精神可望而不可及.

3 從三維目標談物理學史知識的合理運用

3.1 借助物理學史展示物理知識的來龍去脈,加深學生對知識的理解,培養能力

知識一直是物理教師教學的重要方面.在物理教學中,教師可充分利用史料,加深學生對物理概念、規律等基礎知識的認識和理解.如牛頓當初是如何從開普勒第一定律中看出中心力的存在?如何通俗明白地講出行星能繞太陽運轉和衛星能繞行星運轉的道理?這些內容在牛頓的《原理》中是用簡單的數學公式和圖形說明的,它說明在高山上平射出去的物體如何隨著初速度的增大而射程越來越遠,以致最后由拋物線向圓軌道和橢圓軌道的轉變.這種說明可以使學生很容易就理解了拋射體運動的拋物線軌道、圓軌道和橢圓軌道的聯系和界限,對引力場中的軌道概念有一個深刻的理解.

隨著科學探究的提出,培養學生的能力也更加突顯出來,尤其是對學生質疑精神和提出問題能力的培養.教師可借助物理學史上那些不囿于傳統理論和觀念,不迷信權威和書本的精彩事例,培養學生質疑能力.如關于狹義相對論的建立.眾所周知,在愛因斯坦之前,洛倫茲和彭加勒已經走到相對論的大門口,洛倫茲在1904年已經提出了洛倫茲變換式,而愛因斯坦的狹義相對論發表于1905年,但科學界幾乎一致公認愛因斯坦是相對論的創始人.雖然兩人所得的公式是一樣的,但他們對問題的提法卻大不相同.愛因斯坦一開始提出的問題就是如何使電磁學規律滿足相對性原理;而洛倫茲的問題是如何在絕對時空觀的框架里解決以太漂移問題.所以洛倫茲把他變換出來的時間坐標t′叫做“地方時”,認為它只是個數學輔助量,而不是真正的時間.而愛因斯坦拋開了“絕對運動”和“靜止以太”的觀念,并深刻地審察了“同時性”概念的物理學根據,最終創建了狹義相對論,引起了人類時空觀的巨大變革.實際上,建立相對論在觀念上的最大障礙,就是牛頓的“絕對時間”.要承認時間的相對性,這是需要智慧和勇氣的,特別需要懷疑精神.愛因斯坦的偉大之處正在于此.

3.2 借用物理學史展示物理學家的科學思維,幫助學生掌握科學的研究過程與方法

科學探究式學習就是讓學生經歷科學家探索發現的過程,學習科學方法并進行科學思維的訓練.著名物理學家勞厄曾說:“重要的不是獲得知識,而是發展思維能力.教育給予人們的是當一切已學過的東西都遺忘掉的時候所剩下來的東西.”對于物理課程的學習而言,在某種意義上講,“剩下來的東西”便是科學過程和科學方法,即科學探究的能力.教師可借助物理學史中大量生動事例來說明科學大師們是如何熟練而巧妙地運用科學方法取得成果的,從而對學生進行科學方法的教育.當然,物理學的每一項研究并不是只有一種方法,而且每個科學家在運用這些方法時也都有明顯的個人特點.因此,學習前人的方法,與其說是為了掌握具體的方法本身,倒不如說是為了積累前人科學思維的經驗.在物理教學中,教師可深入剖析若干科學發現的“案例”,使學生詳細了解若干科學大師們科學創造的思路,從而受到熏陶,得到啟發.

萬有引力的發現,牛頓是在研究和概括前人的成果之后,并在數學上、在對月球與地球間的引力與運動規律的檢驗上做了大量工作之后,才于1685年最后得到萬有引力定律的表達式的.所以,這個定律不是像某些人說的那樣,是牛頓從看到蘋果落地所得到的“頓悟”中突然產生的.用他自己的話說,就是“我站在了巨人的肩上”.再如“自由落體運動”的教學,16世紀以前,亞里士多德曾和學生們一樣用歸納法闡述了“物體越重,下落得越快”這種觀點.2000多年的時間里,他的學說一直為人們所信服(配合演示實驗:紙片比橡皮下的慢).1638年伽利略用了一種很巧妙的方法反駁了亞里士多德的觀念.把紙片和橡皮粘在一起,一方面,紙片的速度慢,會拖著橡皮減速;另一方面,橡皮紙片的總重大,兩者的共同速度應該增加,這樣亞里士多德的理論就變得自相矛盾了.這種分析問題的方法我們稱之為矛盾法.學生在了解這段史料的過程中,不僅改變了“物體越重,下落得越快”這一錯誤觀念,而且學到了物理學家科學分析問題的態度和方法.

3.3 借用物理學史展示物理學家的科學精神,培養學生的科學態度和正確的價值觀

物理學史以其特有的精神價值(包括科學家們的科學理想、獻身精神、光輝言行和高尚品格,也包括中華民族的文明),在學生的情感態度與價值觀教育中發揮著重要的作用.科學大師們的楷模形象和中華文明的深厚底蘊,也給學生人生價值的追求以深刻的影響.

在物理教學中,教師首先要善于深入剖析科學偉人的生平、環境、教育和成長道路,使學生認識到科學家不是超道德的,他們的科學探索活動和科學成就,與其人生價值觀是密不可分的.如哥白尼不滿于托勒密的體系而創立了日心說,為宣傳和捍衛這個學說,布魯諾被宗教裁判所活活燒死,伽利略受到迫害,后人把歷史上這樁勇敢的壯舉,豪邁地形容為“哥白尼攔住了太陽,推動了地球”.再如,開普勒在獲得了行星運動三定律后,欣喜若狂地寫道:“16年了,我立志要探索一件事,……我終于走向光明,認識到的真理遠超出我最熱切的期望.如今木已成舟,書已出稿,至于是否現在就有讀者,抑或將留待后世?正像上帝已等了觀察者6000多年那樣,我也許要整整等上一個世紀才會有讀者,對此我毫不在意.”事實上我們知道,在這16年里,開普勒貧病交加,歷受宗教迫害,母親被拘禁,前妻去世,孩子夭亡,真是苦難重重.這些感人的事例,對學生是很有感染力的.

其次,在物理教學中,教師要善于運用科學家的言行,培養學生樹立正確的人生觀、價值觀,使學生認識到人生的價值要放在社會大環境中和歷史長河中去衡量.如卡文迪許逝世后留下了20捆實驗筆記,存放在書柜里70年.當麥克斯韋負責籌建卡文迪許實驗室時,發現了這些充滿智慧和心血的筆記,仔細閱讀后,連聲嘆服,由此決定放下自己的一些研究課題,嘔心瀝血地整理這些手稿并以卡文迪許的名義發表,使許多珍貴的物理科學思想流傳了下來.再如[3],兩大科學巨人愛因斯坦和玻爾就量子力學的詮釋和理論的完備性問題爭論了四分之一個世紀,直到1955年愛因斯坦去世.在原則性的問題上,他們寸步不讓;但在個人關系上,他們又如此友善和相互尊重.著名物理學家惠勒描述這場論戰說:“它發生在如此偉大的兩個人物之間,經歷了如此長久的時間,涉及如此深奧的問題,而卻又是在如此真摯的友誼關系之中.”

另外,在物理教學中,教師還應注意弘揚中華民族對世界文明的貢獻,對學生進行愛國主義教育.如在教學中可適當介紹中國古人在運動的相對性、力學、熱學、光學、電磁現象等方面的認識和應用以及在天體運行和宇宙結構等方面的貢獻等.

1 蔡志凌.物理學史教學的現狀、問題與對策研究.課程·教材·教法,2003(7):35-38

2 蔡志凌.物理新教材閱讀材料的歸類與教育功能探究.中學物理,2010(1):22-24

3 申先甲等.談談物理學史在素質教育中的作用(續).大學物理, 2000(12):37-39

2010-06-07)