融入物理學史 培育核心素養

王 高

(江蘇第二師范學院，江蘇 南京 210013)

融入物理學史培育核心素養

王 高

(江蘇第二師范學院，江蘇 南京 210013)

物理學史反映了物理學概念、定理、定律的醞釀、產生和發展的過程,蘊含了物理學家們研究物理的方法,體現了物理學家們執著追求、堅持真理的精神等,是培育核心素養的重要教學資源．本文介紹了在教學中科學地融入物理學史的策略——情感體驗策略、適時融入策略、因材滲透策略、追本溯源策略、再創式教學策略,這些策略的使用能有效地培育學生物理核心素養．

物理學史； 融入； 核心素養； 策略

物理學史反映了物理學概念、定理、定律的醞釀、產生和發展的過程,蘊含了物理學家們研究物理的方法,體現了物理學家們執著追求、堅持真理的精神等．教學中融入物理學史對激發學習興趣、形成物理觀念、培養科學思維、開展科學探究、樹立哲學理念等方面有著良好的促進作用．

1 物理學史是培育核心素養的重要教學資源

物理核心素養主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面構成,物理學史中具有豐富的物理教育元素,是培育學生核心素養的重要教學資源．

1.1 物理學發展史是物理觀念形成的良好素材

物理學的概念、規律隨著物理學的發展在不斷演變著．了解物理概念、定理、定律的來龍去脈和發生、發展過程,可以幫助學生了解物理學基本觀念的變革,促進學生對知識更深層次的理解和掌握,認清物理知識的本質．

在對落體運動的研究中,亞里士多德憑著直覺和生活經驗,認為物體下落的快慢與物體的重量成正比．伽利略對落體運動研究的路徑是:一般觀察——假說——通過演繹思維得出推論——對推論進行實驗驗證——對假說進行修正．

(1) 通過觀察并作出假說.

伽利略觀察一塊原來處于靜止狀態的石頭從高處開始下落,并不斷獲得速度增量時,認為應該相信這樣的速度增加是以為人們十分容易理解的極簡單方式進行的．如果仔細考察,我們可以發現,增加的方式沒有比以同樣方式重復更簡單的了．因此這種運動的定義可以陳述為:若一物體從靜止狀態出發并在相等的時間間隔內獲得相等的速度增量,則稱該運動為勻加速運動．

圖1

(2) 通過演繹思維得到自由落體運動的規律.

(3) 實驗驗證——伽利略的加速度實驗.

1638年,伽利略做了一個長6m多,寬約0.3m的光滑直木板槽,板槽拋光,并鋪以羊皮紙,羊皮紙平滑光亮．再把這個木板槽傾斜固定,讓銅球沿木槽滑下,并用水鐘測量銅球每次下滑的時間,研究它們之間的關系．實驗證明銅球滾動的路程和時間的平方成比例:兩倍的時間里,銅球滾動4倍的距離； 實驗重復上百次,終于發現銅球所經過的各種距離總是同所用時間的平方成比例,這對于銅球沿之滾動的各種斜度的槽都成立．

公元1590年,伽利略建立了自由落體定律.它不僅是運動學中的第一個定量定律,更重要的是由此產生了一種新的研究方法,即把數學推理與實驗研究相結合的方法,為物理學的發展開辟了道路．正如愛因斯坦所說:“人的思維創造出一直在改變的宇宙圖景,伽利略對科學的貢獻就在于毀滅直覺的觀點而用新的觀點來代替它,這就是伽利略發現的重要意義．”

介紹這些內容后,學生不僅知道自由落體運動定律,還能了解物理學上每一次重大的發展總是以物理觀念、物理思想的突破為先導和基礎的．物理概念、規律發展的演變史,可幫助學生逐步地掌握、理解物理知識,進而形成物理觀念．

1.2 物理學重要概念和定律生成史是科學探究、思維的教育元素

培根說過，讀史使人明智．物理中的概念、定律、定理的得出都是物理學家們經過大量實驗驗證、推理、總結出來的精華．在他們艱辛探索的過程中,有著他們別具匠心的設計,精湛無比的技術,精巧奇妙的方法和非常精確的結果.這些都是對學生進行科學探究、科學思維培養的重要素材．在伽利略的自由落體運動研究中,我們能領略到實驗、思維的智慧之光．

(1) “沖淡”重力.

自由落體運動的加速度是很大的,下落幾十米的高度,只需幾秒鐘,伽利略時代所使用的滴水計時器由于誤差較大,無法滿足實驗要求．他就想出了一個巧妙的辦法——“沖淡”重力,用一個小球放在摩擦很小的斜面上,它滾下的時間就很長,比較容易測量,同時讓小球在斜面的不同位置滾下,并且在不同的傾斜角度重復實驗．因為事先他經過分析確信二者遵從相同的法則．小球在斜面上運動的速度是受控的,可以用斜面的傾角來調節．只要傾角很小,小球運動的時間就可以在當時的計時條件下比較準確地測量出來．這種實驗設計的創新定能給學生有益的啟發．

(2) 滴水計時.

由于當時沒有機械鐘表,伽利略制造了一個水鐘．在水桶的底部開一個小孔,接上一根小直徑的管子,便產生一股細流．在測量小球滾落時間時,無論是在槽中全長滾動還是部分滾動,均用一只玻璃杯收集這股細流,然后在一個非常精確的天平上稱量所收集的水的質量,這些質量的差值和比值就是運動時間的差值和比值．所得結果如此精確,以致實驗重復多次,都沒有出現可察覺的差異．

(3) 簡單性思維.

伽利略認為“自然界總是習慣于運用最簡單和最容易、又是人們容易理解的方式來進行的”．他認為自由落體運動速度增加的方式沒有比以同樣方式重復更簡單的了,即速度隨著時間均勻地增加．他仿照勻速運動定義了勻加速運動:若一物體從靜止狀態出發,并在相等的時間間隔內獲得相等的速度增量,則稱該運動為勻加速運動．

(4) 選擇恰當的數學手段.

伽利略恰當地選擇了幾何學中的三角形這樣一種抽象的數學實體與所研究的物理過程——自由落體運動相對應,成功地對落體問題進行了數學處理,得出了自由落體運動的結論:s1∶s2∶s3=t12∶t22∶t32．他強調既要進行觀察和實驗,又要對獲得的材料進行確切的數學分析,把各個物理量之間的關系用簡潔的數學形式表達出來,從而去揭示各個物理量之間的內在聯系,把實驗結果上升到普遍理論的高度．

(5) 實驗和推理相結合.

伽利略通過數學推理分析得出結論后,又通過斜面實驗驗證．他在實驗時發現當斜面傾角固定時,球滾過的距離與所用時間的平方之比為一常數;改變斜面傾角,這個比值也隨之改變．于是在測定了一些較小傾角下的比值后,伽利略利用外推法得出:對于大的傾角,該比值為常數的這個論斷仍然成立．特別是當傾角為90°，即物體自由下落時,這個結論也將成立,由此得出自由落體運動也是勻加速直線運動的結論．

邏輯推理的方法應用到實驗中可以達到現有的實驗條件所達不到的目的,因為再先進的實驗條件都無法達到理想狀態,有時只有通過邏輯推理,才能達到理想狀態的結論．

運用物理學史,向學生展現物理學家們探索發現新的規律和理論的過程,從中了解他們是如何思維的,用了什么樣的研究方法,進而領悟到科學的思維、正確的研究方法．

1.3 科學家的艱辛發現史是培養科學態度、價值觀的綠色養料

物理學發現的過程中充滿了成功與挫折、分歧與爭論,物理學家們堅持真理、不畏犧牲的科學態度以及量變與質變、否定之否定的辯證唯物主義世界觀與價值觀,為學生科學態度、價值觀的培養提供了養料．

(1) 培養愛國情感.

物理學的歷史是人類創造的,這種創造的過程是生動而多彩的,充滿著民族自豪感與愛國主義精神．我國古代物理知識不僅涉及到力學、熱學、光學、聲學和電磁學,也探討了物質的本源．春秋戰國時期的《墨經》記述了許多物理知識,尤其在光學方面,它是世界古代科學史上一部難得的幾何光學著作;《考工記》在記述各種手工技術的同時,闡明了一些科學道理,其中包括力學、聲學和熱學的知識．在實用技術方面,張衡制造了水運渾天儀．公元132年,他還制造了世界上第一個地動儀,用以測定地震的震源方向．現代物理學家錢學森、吳健雄等,他們都有一顆熱愛祖國的赤子之心,他們的精神和事跡都是培養愛國情感的優秀題材．

(2) 培養科學精神.

科學精神是一種老老實實的態度,實事求是是最起碼的要求;科學精神是一種嚴格縝密的方法,每一個論斷都要經過嚴密的邏輯論證和實踐檢驗;科學精神是一種批判的態度,要對自己和別人所作的研究無一例外地進行苛刻的審查,不承認任何萬古不變的教條;科學精神是一種變革的勇氣,隨時準備否定那些似乎是天經地義的斷言并接受那些好像是離經叛道的觀點．

物理學史中蘊藏著豐富的科學精神教育素材．許多物理學家如卡文迪許、居里夫人、史蒂芬·霍金等等,以常人難以想象的毅力、信心和意志,與困難作斗爭,與傳統的觀念作斗爭,與科學界的阻力甚至迫害作斗爭,愛國奉獻、追求真理、敢于創新、嚴謹細致、唯物唯實．他們的業績長存史冊,精神彪炳千秋．科學家的科學精神能幫助學生養成嚴肅認真、一絲不茍的良好作風,以及實事求是、客觀公正、尊重證據、堅持真理、修正錯誤的優良品德．

(3) 樹立哲學理念.

物理學的發展與哲學的發展有著極為特殊的密切關系．物理概念、定理和定律中都充滿了辯證唯物主義內容．有意識地用辯證唯物主義觀點去分析物理學發展史,進而闡明物理概念、規律,同時結合物理學內容,進行世界的物質性、物質的運動性和對立統一、量變與質變、否定之否定規律的教育,使學生領會辯證唯物主義觀點．

(4) 提升審美水平.

物理學史中對稱、和諧、統一等美學要素占有重要地位．萬有引力與靜電力都遵循平方反比關系,電子繞核運動的模型和行星繞太陽運動的模型相似等,都顯示著物理學深刻的統一美．奧斯特堅信自然界各種現象是有聯系的,他在1820年終于發現了電流的磁效應．英國物理學家法拉第堅信“自然界各種基本力之間是轉化、統一的”哲學觀點,在長達10年堅持不懈的努力下,終于在1831年發現了電磁感應現象,完美地證實了電現象和磁現象的統一性,并被麥克斯韋用同一組方程式進行了定量描述,實現了物理學史上第二次大綜合．簡潔美吸引著第谷、開普勒為之潛心鉆研,最終“日心說”戰勝了“地心說”,神學思想遭到了巨大的打擊．

萊辛有一句名言:對真理的追求要比對真理的占有更為可貴．物理上對真理的追求同時也是對美有著追求,因為美可以引真,適當的介紹可以提升學生審美水平、促進科學創造．

2 融入物理學史培育核心素養的策略

物理核心素養的培育必須根植于物理教學之中,在教學中應用合適的策略,科學地融入物理學史能有效地培育學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等素養．

2.1 情感體驗策略

根據學生的認知水平,將物理知識產生的真實背景和過程,詳略得當地呈現在學生面前,讓學生感受物理知識產生、發展的全過程．教師要努力促進物理學家和學生之間進行恰當的“交流”,帶著學生穿越到知識發生的年代,體驗當時的物理學家如何發現問題?如何思考?遇到什么樣的困難和障礙?運用怎樣的思維方式突破困難?他們的結論在歷史的演變過程中發生了什么變化?爭論的焦點是什么?把這些內容可以編成小故事,讓學生進行角色扮演,即由學生扮演持不同觀點的物理學家,演繹物理發現過程,誘導學生認真思考、討論有關物理本質的話題,以激發學生的好奇心與興趣,提高學生的參與積極性．這樣,不僅使學生學到物理知識,促進學生高水平的思考和能力的發展,還能促進學生在認知和情感方面的成長．

實驗是物理學研究的重要手段,也是學生情感體驗的重要載體．達芬奇說過，實驗是科學知識的來源,智慧是實驗的女兒．還原當時物理學家實驗情境、認知水平,研究當時的技術條件,分析實驗遇到的困難,賞析實驗設計的精妙,感受實驗的方法、智慧．在講授“電磁感應的發現”時,教師把學生帶回到1820年奧斯特發現電流磁效應的那個年代,從對稱性角度提出磁能不能產生電的問題.接著創造實驗情境,引導學生動手重復著法拉第當年做過的實驗： (1) 將導線繞在永磁鐵上,并將導線的兩端接在電流表上構成回路,觀察電表指針是否偏轉; (2) 換一個磁性強的磁鐵,觀察電表指針偏轉情況; (3) 換一個靈敏電流表,再來觀察電表指針偏轉與否; (4) 用一個通電線圈代替永磁鐵,觀察指針偏轉情況; (5) 兩個線圈繞在一個鐵環上,一個線圈與電流表相連,另一個線圈通過電鍵與電池相連,將電鍵接通、斷開,再來觀察指針偏轉與否．

學生身臨其境地重溫法拉第的實驗,體驗這一偉大科學發現過程,在實驗中總結出電磁感應的產生條件．

2.2 適時融入策略

現代的課堂是開放性的、生成性的課堂,教師與學生應有足夠的互動．人本主義心理學家要求教學中要注意學生的學習需要、愿望、興趣與學習材料的關系．教師要不斷地激發學生的學習熱情．其中,利用物理學史把“物理學家的發現與思考”作為素材適時融入到教學中,能產生良好的教學效果．

2.3 因材滲透策略

不同的教材內容、多變的教學情境需要不同的激發、學習策略,教師可靈活選取物理學史料,因材滲透．伽利略對自由落體運動研究的實驗,在當時的條件下一般人是完全不可能完成的,因為面臨的困難實在是太多了．從理論上來說,“速度”的概念沒有建立;從測量技術上來看,沒有精確的計時工具．怎么辦?方法總比困難多，伽利略不畏困難,首先定義速度、加速度、時間等物理概念,建立運動學的理論體系,進而借助于多種思維方法,巧妙地將困難化解,最終取得實驗的成功,一舉成為近代科學的奠基人．例如思辨法,以可靠的事實為基礎,加以邏輯的思考演繹,得出了實驗所不能得出的結果．這樣,既為實驗研究指明了方向,又突破了實驗的局限,得出了普遍的、科學的結論．再如,用轉換法將豎直方向上的運動研究轉換為斜面上的運動研究,將速度與時間的關系研究轉換為位移與時間的關系研究,將時間測量轉換為水流質量的稱量,從而突破了測量技術的瓶頸,將不可能變為可能．

愛因斯坦說過，科學結論幾乎是以完成的形式出現在讀者面前．學生難以從結論上體驗到探索和發現的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難清楚地解釋全部問題．教學中需要教師結合教學內容,融入相關的物理學史料,回顧科學家所做的工作和取得的成績,引起學生情感上的共鳴.學生不僅僅增長了見識,了解物理學研究方法,還獲得情感、態度、價值觀的升華和毅力的提升．

2.4 追本溯源策略

在物理教學中,依托物理學史實,以著名物理定律、物理學重要發現、典型物理實驗為研究對象,根據原始史料來追蹤物理理論的形成過程,探究物理規律的形成過程,體驗科學發現的歷程,準確把握物理概念、規律的真正內涵．

圖2

在講授“宇宙航行”時,教師們自然會介紹牛頓著名的拋體運動理想實驗,很多教師還通過電腦動畫來模擬這個實驗,學生知道了有這么回事．可是,牛頓為什么要設計這個實驗?實驗的價值在哪里?學生應該明白但不知道．教師可以引導學生追溯到1685年,牛頓完成了“論物體的運動”論文,文中所描繪的說明如圖2所示,他寫道:由于向心力行星會保持于某一軌道,如果我們考慮拋體運動,這一點就很容易理解．一塊石頭投出,由于自身的重量,被迫離開直線路徑,如果僅有初始投擲,理應按直線運動,而這時卻在空中描出曲線,最終落在地面．投擲的速度越大,它在落地前走得越遠．于是我們可以假設當速度增大到如此之大,在落地前描出一條1、2、5、10、100、1000英里長的弧線,直到最后超出了地球的限制,進入宇宙空間永不觸及地球．

牛頓的這一簡單的思想實驗,第一次讓人們認識到,原來月球不會掉到地上來(也不會飛走)的原因,正是導致蘋果落地的引力，說明了行星在向心力的作用下為什么會保持在一定的軌道運行,進而闡述萬有引力的思想．牛頓的引力理論促成了人們認識上的一個飛躍:天上的東西并不“神圣”,他們遵循的規律和地上普通物體的規律完全一致．

2.5 再創式教學策略

將相關物理學史中有助于課堂教學的內容提煉出來,根據條件對物理學史進行再創造,使其既能符合學生的認識又能為學生的學習和思考提供啟示．借鑒物理學史發展的脈絡,而非“重復”,進行創造,以進一步完善學生的認知．

伽利略利用理想斜面實驗否定了亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”的觀點,揭示了物體運動的重要性質——慣性．這是一個思想實驗,是在可靠的事實基礎上,通過推理獲得的．教學中,教師可以追問:伽利略的觀點能否經受實驗的檢驗呢?然后引導學生利用氣墊導軌實驗來驗證,如圖3所示．安裝好實驗裝置后,調節h的大小,分別測出物體運動的加速度a;在a-h坐標中描點,畫出a與h的關系圖線,如圖4所示．圖線表明,物體的加速度a與斜面高度h成正比．利用外推法,當h=0時a=0,即導軌水平時物體(無外力作用)保持勻速直線運動．

圖3

圖4

實驗是學習前人的“創新”,許多經典實驗中蘊含了科學家獨特的思想方法和智慧的設計,值得我們去發現、領悟,啟迪我們去體驗、改進與創新,從而提升實驗的智慧．

教學中融入物理學史,有助于學生了解知識的全貌,有利于準確理解所學知識,增強學習主動性,提高學習趣味性,引導學習走向深入,提高學生的人文素養和科學素養．作為物理教師要結合教學內容、學生情況不斷地探索,讓物理學史在促進學生物理核心素養的提升方面發揮更大的作用．

1 王較過,王娟.物理學史對物理三維教學目標的促進作用[J].重慶教育學院學報,2011(5):11-15.

2 蔡鐵權. 物理學史與物理教育[J].浙江師大學報(自然科學版),2000(8): 245-252.

3 李寧. 淺談物理學史在初中物理教學中的實踐研究[J].物理教學,2013(01):36-38.

4 趙塞君. 物理學史與高中物理教學相結合的研究[J].物理教學,2017(05):76-78.

2017-06-03)