史上十大經典物理實驗的教育價值

劉曉瑩 張道清

(湛江師范學院物理學院物理系 廣東 湛江 524048)

2002年，美國兩位學者在全美物理學家中做了一次調查，歸納出了有史以來最美的十大物理實驗[1]，這些實驗以其最簡單的儀器和設備，發現了最根本、最單純的科學概念，而成為了經典.這些實驗雖然已過百年，但其所蘊含的物理學知識、科學思想和方法及科學精神對于培養和提高學生的科學素養有著重要的意義.本文欲結合中學物理課程標準的要求，從科學知識、科學思想和方法、人文教育等三個方面談談史上十大經典物理實驗在中學物理教學中的教育價值.

1 十大經典實驗與課程標準

課程標準是國家課程的基本綱領性文件，是一切教學的出發點和歸縮.仔細查閱中學物理課程標準，不難發現最美麗的十大經典實驗所揭示的物理本質或應用的技術在中學物理課程中均有體現和要求，如表1所示,從中可以看出這十大經典實驗有著豐富的教育內涵.

表1 經典實驗與中學課程標準

續表

2 十大經典實驗的教育價值

2.1 科學知識價值

十大經典實驗涉及力學、光學、原子物理學、地理學等知識，實驗自身所揭示的物理學的本質為物理學知識體系的建立和完善起到了關鍵性的作用.如伽利略的“自由落體實驗”的研究為引進加速度概念和得出落體定律創造了條件[2]；楊氏雙縫干涉實驗證實了光的波動性，而將此實驗應用于電子干涉實驗則證實了微觀粒子的具有波粒二象性, 揭示了微觀世界的量子本性；牛頓“光的色散實驗”促成了光譜學和三原色原理理論的建立；盧瑟福根據α粒子散射實驗為原子核物理學領域開辟打下了基礎.物理學是一門體系嚴謹的學科，十大經典實驗所揭示的物理學的本質對于學生物理知識體系的構建起著重要的作用.如伽利略的“自由落體實驗”，會讓學生摒棄生活中的錯誤經驗，形成“物體的質量不是其下落快慢的原因” 認識，從而建立自由落體運動的概念，將自由落體運動納入到勻加速直線運動知識體系中；牛頓的“棱鏡分解太陽光實驗”是利用了光的折射原理將不同波速的光進行了分解，進而讓學生體驗和感知太陽光是復合光，從而拓展了幾何光學認識，為解釋多彩的世界提供了依據.

2.2 科學方法教育價值

科學是以多樣統一的自然界為研究對象的探究活動，伽利略在自由落體實驗和加速度實驗研究中，把定量實驗技術和數學的論證分析緊密結合在一起[3]，創立了邏輯推理與科學實驗相結合的科學研究方法，開創了科學研究的新紀元.課程標準提出學生不僅應學習物理知識和技能，還應經歷一些科學探究過程，學習科學方法，認識科學探究的意義.每一個經典實驗都是科學探究的典范，如托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗，就是源于“實物粒子是否有波動性？”的思考，基于德布羅意的假設“我們也應該期望，物理學家們應該可以從微觀粒子世界中得到關于物質波的更進一步的證明”， 約恩孫利用托馬斯·楊證明光是一種波的方法，設計了單電子楊氏雙縫干涉實驗，實驗的結果證明了德布羅意所假設的實物粒子的波動性確實存在.

探究是從問題開始,通過邏輯的分析和推理提出假設對問題進行解釋,為了驗證假設的正確與否,需要制定計劃,設計實驗來進行驗證,通過科學的觀察和實驗收集事實證據,然后再對事實證據進行分析和論證,得出結論,以證實假設的正偽.十大經典實驗在中學物理課程教學中的介入對于學生學習和掌握科學研究方法有著重要的意義.

2.3 人文教育價值

愛因斯坦認為第一流人物對于時代和歷史進程的意義，在其道德品質方面，也許比單純的才智成就方面還要大[4]，十大實驗作為科學發展史上的經典其本身就蘊含著豐富的人文資源，在教學的過程中把握經典實驗背后的著名史料，可以促使學生更好地理解、 評價、欣賞科學事業，激發其探究科學的熱情、勇氣與欲望，培養其堅韌不拔的意志品質[5].如伽利略本著“自然遵循簡單性原則[6]”思想對所研究的問題進行“大膽假設”，進而通過耐心細致的觀察和精心設計的實驗進行“小心求證”的故事，對科學研究產生了深遠的影響，其不畏強權，堅持真理，為理性和科學吶喊的精神依然是我們學習的榜樣.卡文迪什是一位極端嚴謹、一絲不茍的實驗物理學家，為了減小誤差，他將設備置于密封房間里，在室外以望遠鏡進行遠距離觀察和操作，這一歷史相信對于學生嚴謹的科學態度的培養有著積極的意義.盧瑟福從粒子大角散射的科學事實出發，發現了湯姆孫模型的矛盾，批判了克洛瑟的實驗曲線，否定了無載體的、空虛的正電球體，并從原子內存在強電場的觀點出發，建立了新的原子模型，合理地解釋了粒子大角散射的科學事實，盧瑟福的懷疑批判與求真創新精神無疑為科學創新教育提供了例證.

3 十大經典實驗教育價值的教學實現

史上十大經典實驗是非常重要的教育資源，它們在教科書中以多種方式出現,以人民教育出版社的教材為例， 牛頓棱鏡分解太陽光實驗、托馬斯·楊的光干涉實驗、托馬斯·楊的雙縫演示應用于電子干涉實驗等是以演示實驗或學生實驗的方式出現；伽利略對自由落體運動的研究和盧瑟福發現原子核實驗(原子的核式結構模型)在教材中單列為一節呈現；伽利略的加速度實驗、卡文迪什扭秤實驗是以新知識的背景材料或擴展材料出現；埃拉托塞尼測量地球周長實驗常以習題的方式介入教學.不同的呈現方式有著不同的教育功能，如演示實驗和學生實驗以培養學生的觀察能力、操作能力、思維能力和學習興趣為主；擴展性閱讀材料為擴充學生的知識面、啟發學生思維、滿足學生的求知欲提供了平臺；新知識的背景材料常能激發學生學習動機和學習欲望；習題則常常能鍛煉學生的解決問題的能力……教學內容的呈現方式為教師的教學設計提供了參考，但它們的目標都是相同的，那就是提高學生的科學素養.十大經典實驗本身所蘊含的教育價值為教學目標的達成提供了支撐，讓學生在不同的學習方式中掌握知識和方法、培養能力、提升情感態度與價值觀.如在演示實驗或學生實驗中，除了實驗本身所體現的知識與方法價值外，還可以引導學生通過自己的觀察實驗與歷史上的經典實驗進行對比，以激發學習物理的自豪感和成就感；在處理擴展性閱讀材料時可以設計一篇小論文讓學生談談歷史事件和人物，讓學生在擴展自己知識的同時提高自己的表達能力，提升科學發展使命感；在新知識的背景材料中可讓學生在了解歷史的過程中形成對科學探究的欲望.在教學中設計并落實十大經典物理實驗的教育價值，對于三維教學目標的達成有著積極的意義.

參考文獻

1 George Johnson著.科學上十個最美的實驗.金興華、江世亮校譯. 世界科學,2003(1):2～4

2 吳承塤.伽利略的自由落體定律研究.物理通報，2003(4):36～40

3 王文全，王巖松，苗元華，蘇峰.伽利略的加速度實驗研究.物理通報，2003(8)：36～37

4 愛因斯坦.愛因斯坦文集(第一卷).北京:商務印書館，1976.339～340

5 (英)德雷克著.伽利略.唐云江譯.北京:中國社會科學出版社,1987.24

6 袁維新.論科學史的教育價值. 自然辯證法通訊,2006(3):72～77