巧用物理學史創設背景知識提高科學素養お

王易

物理學有她的結果，也有她的過程.她的結果表現為知識的傳授，她的過程則蘊含著智慧.物理教學中我們往往注重知識的教育，而忽略了物理學史帶給學生的啟迪.物理學家錢三強曾經說過：“在物理教學中適當增加一點物理學史的內容，或者在教學計劃中增加一門物理學史選修課，讓學生更多了解科學發展歷程，這對他們的成長將會是有益的.”教師要善于用邏輯的方法在物理的教學中穿插物理學史的講授，把物理知識的獲得作為一個激動人心的奇遇記來講述.

1小背景，大作用

如果要評選物理學發展史上最偉大的那些年代，那么有兩個時期一定會入選的：17世紀末和20世紀初.前者以牛頓《自然哲學之數學原理》的出版為標志，宣告了近代經典物理學的正式創立；而后者則為我們帶來了相對論和量子論，并徹底地推翻和重建了整個物理學體系.所不同的是，今天當我們再次談論起牛頓的時代，心中更多的已經只是對那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對論和量子論至今仍然深深地影響和困擾著我們，就像兩個青澀的橄欖，咀嚼得越久，反而更加滋味無窮.中學物理中有關量子物理方面的介紹比較簡單，尤其是量子的發展過程，每一個理論出現的背景知識的介紹更是少之又少.正是這些背景知識可以讓學生身臨其境的感受到物理學家們在量子物理世界探索過程中的歡樂、驚奇、困惑，使得量子物理更加有魅力，改變著人們的世界觀.所以，物理學史并不是教學中可有可無的“點綴”，單純的給學生講故事，激發學習的興趣，更多的是可以潛移默化的感染和影響學生.

2巧用背景知識，增強科學探索精神

課本上的內容往往是側重于知識的講解，學生在學習的過程中，更多的是掌握某一個知識點，會用這個知識去解決題目，提高成績.常常忽略了這個規律的誕生，有時也是科學家們經歷了忐忑和糾結之后的結果.跳過這樣的背景的介紹，物理知識就只能是一個冰涼的知識點，并引起學生內心情感的漣漪.

例如，在人教版選修3-5，17.1節的內容其實正是量子力學誕生的過程，如果在教學過程中只是單獨的講解這一節書本上的內容，往往會讓學生不知所云，經典力學是如何過渡到量子物理的，那個年代里到底發生了些什么.因而在講解這部分的內容之前，教師可以補充一些背景知識，讓學生置身于當時的環境中.

在19世紀末，物理學家中普遍存在一種樂觀的情緒，認為對復雜繽紛的物理世界現象的本質已經完成，物理學征服了世界，它的力量控制著一切人們所知的現象.他們陶醉于17世紀建立起來的力學體系，19世紀建立起來的電動力學和統計物理，形成了物理世界的三大支柱，它們緊緊結合在一塊兒，是經典物理的黃金時代.一位著名的科學家說：“物理學的未來，將只有在小數點第六位后面去尋找.”

在經典物理還沒有來得及多多體味一下自己的盛世之前，一連串意想不到的事情在19世紀的最后幾年連續發生了，仿佛是一個不祥的預兆.1895年，倫琴發現了X射線；1896年，貝克勒爾發現了鈾元素的放射現象；1897年，居里夫婦研究了放射性，并發現了更多的放射性元素；1897年，J·J·湯姆孫發現了電子；1899年，盧瑟福發現了元素的嬗變現象.如此多的新發現接連涌現，令人一時眼花繚亂.每一個人都開始感覺到了一種不安，似乎有什么重大的事件即將發生.20世紀伊始，開爾文就指出：“經典力學上空懸浮著兩朵烏云，第一朵是指邁克爾遜-莫雷實驗令人驚奇的結果，第二朵則是人們在黑體輻射的研究[JP3]中所遇到的困難.”本章的內容都要從令人困惑的“黑體”開始.[JP]

渲染這樣的背景知識，可以讓學生走進19世紀末20世紀初那個年代，變成科學發展過程中的一員，體會到當時物理世界的輝煌.學生可以更急于理解普朗克提出能量量子化的概念時的不安，他將舊的體系打破，侵犯了牛頓創立的如同圣經般的物理世界.教師補充這部分的知識，讓學生了解科學知識是在不斷發展的，沒有一成不變的定理，質疑和創新精神是科學探索道路中必不可少的精神.

3巧用背景知識，增強科學探索信心

科學的發展是長期而又是曲折的，一個理論的成立要經歷幾代人，甚至是經歷上百年的磨練和推敲.科學的過程不是一帆風順的，更何況是現在遇到的困難.所以教師在教學過程中引入這樣的背景知識，可以幫助學生樹立面對困難、質疑時對于自己的信心.

例如，在人教版物理選修3-5，17.2節從光電效應介紹了光的粒子性特征，但是學生并不能理解這是一個漫長而又曲折的探索過程，課本中對于這一過程只是一筆帶過.所以教師在講授這節內容之前適當的補充歷史上的“波粒戰爭”還是有必要的.

古希臘時代的人們總是傾向于把光看成是一種非常小的粒子流.這種觀點十分符合當時流行的元素說，并且這種“微粒說”從直觀上看來是很有道理的，首先它解釋了為什么光總是沿著直線傳播，但是也有一些困難：比如人們當時很難說清為什么兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開，等等的問題.中世紀過后，人們對于自然界有了進一步的認識，波動說認為，光不是粒子而是由于介質振動而產生的一種波，這樣就可以解釋投影里的明暗條紋了，但是這種說法也是有困難的，光的傳播似乎不需要介質，跟一般的波又不太一樣.這是最早的有關光的本質的理解.

歷史上“第一次波粒戰爭”爆發的導火線是波義耳提出的關于顏色的爭論，胡克研究了這個問題，提出光是一種脈沖，支持了波動說的理論.1672年，29歲的牛頓做了著名的色散實驗，他將光的復合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開，站在了粒子說的行列.由于牛頓的學術權威，微粒與波動的第一次交鋒中，以牛頓為首的微粒說獲得了在物理界公認的地位.

托馬斯·楊用波動的理論解釋了牛頓環的明暗條紋的現象，1807年在他出版的《自然哲學講義》中描述了他的著名的實驗：光的雙縫干涉.點燃了物理史上的“第二次波粒戰爭”.此次戰爭的決定性時刻是法國的一位年輕的工程師-菲涅耳用波動的觀點和嚴密的數學推導解釋的光的衍射和泊松亮斑.這次戰爭中波動說站上了統治地位.

光電效應引發了“第三次波粒戰爭”，這次導致了最終的波粒二象性.

在光電效應之前，講解這樣的一段歷史，學生身臨在這三次戰爭中，歷史人物和歷史事件都活生生的在面前重現，學生會捫心自問，大科學家們都會受到質疑，如果是自己遇到了這樣的質疑，遇到了與自己對立面的沖擊，我會怎么辦？補充這樣的知識，學生會更加有自信，在科學探索的道路上敢于面對失敗，視壓力為挑戰，勇于探索創新.

在教學過程中適當的補充一些背景知識，學生會感受到科學史上的很多重大的發明并不是高不可攀，一帆風順的.