基于“混合式”教學理念開展高中物理學史教學的實踐研究

尹慶豐

(1. 常州市武進區教師發展中心,江蘇 常州 213164; 2. 常州市武進區禮嘉中學,江蘇 常州 213176)

“以史為鏡,可以知興替;以人為鏡,可以明得失．”這句話用在高中物理課堂教學中,亦是有一番新的感悟.

物理學史是一部人類研究自然界各種物理現象的認識史,它展現了每一個物理知識、物理規律、物理本質被發現、被證實的過程,重現了物理學家探索物理世界的艱辛歷程,是科學態度與責任、科學思維與探究教育的好素材．

上世紀50年代初,物理學史被原美國哈佛大學校長科南特大力倡導引入科學教育．此后,無論是在教育研究領域還是在教學實踐領域,都引起了人們的廣泛重視,國際上已經把物理學史引入物理教育作為物理教育改革的趨勢之一．

上世紀80年代,國內物理課程與教學論領域也出現了把物理學史引入物理教學的訴求,且呼聲越來越高．將物理學史與物理教學相結合,逐步成為教師順應國際物理教育改革趨勢、提升學生科學素養的重要途經之一．

1 問題的提出

近年來,物理學史越來越受到國內教學一線工作者的重視,隨之而來的成果也不斷涌現．然而,筆者仔細研究之后發現,真正要將物理學史滲透到高中物理教學中去,從而提高學生學科核心素養,還存在著以下實際問題.

1.1 現有的研究成果實踐性不夠

從理論上來說,主要集中于對物理學史教育的價值、意義、作用的闡述,很少有對具體實施方法的研究;從教學上來說,一般多為原則性的教學建議,而具有實用價值的操作性研究較少;從內容上來說,主要集中在牛頓第一定律、原子的核式結構等經典教學案例,而主動開發建立概念、規律的教學案例較少．

1.2 物理學史融入的廣度不夠

雖然有越來越多的教師開始重視物理學史的教學,但是筆者對所在地區高中物理教師進行的調查顯示:只有約1/5的教師經常在物理教學中融入物理學史內容,有約3/5的教師偶爾在教學中融入物理學史內容,還有約1/5的教師在物理教學中基本不融入物理學史內容．

1.3 物理學史滲透的深度不夠

現有的將物理學史與物理教學相結合的方式,還是局限于一種非常傳統的模式,僅僅是一種簡單、單向的講授模式．筆者調查發現:教學中引入物理學史,大部分的教師仍停留在“幾幾年,某某科學家發現或提出了……”這樣的水平上,根本無法實現物理學史內在的價值．

針對上述3個問題,筆者開始尋找原因．首先,筆者仔細翻閱了人教版高中物理教材,并對之進行了數據統計,發現教材中物理學史編排總數(處)達131處,詳見表1．

表1這些數據告訴我們,教材中的物理學史,不論是出現的數量,還是呈現的方式、呈現的位置、敘述的詳略,或是所屬年代與地域,都是比較充裕且豐富的,足夠教師們在課堂上充分利用,從而顯現出物理學史教學的應然功能．

表1 人教版高中物理教材中物理學史內容細分統計表

可見,問題還是出在“人”身上．筆者隨后走訪了多位教學一線的骨干教師,他們的反饋,主要集中在課時不夠、對物理學史本身了解不夠、學生不感興趣等問題上．同時,他們也表達了積極的想法,希望能夠找到一個解決之道,幫助他們能夠充分利用現有教材中的物理學史知識開展教學,讓學生領悟和理解物理思維方法,發展學生的實驗探究能力,培育學生的科學態度與責任感．

2 “混合式”教學

1999年,混合式教學(Blended Learning)概念正式提出．有關混合式教學的定義有很多版本．狹義的混合式教學,通常專指將基于互聯網的線上教學和傳統的面對面的線下教學方式混合應用的教學方式;而廣義的混合式教學是指將不同的教學手段、教學方法混合使用的教學方式．不論哪一種定義,筆者認為,只有同時滿足教學方式或教學傳播媒體的組合、教學方法的組合、在線教學和面對面教學的組合這三個特征,才能稱之為“混合式”教學．

那么,混合式教學的模式究竟有哪些呢?與概念相對應,結合課題組教師自身教學實踐探索,筆者構建了混合式教學模式的基本框架,如圖1所示．

由圖1可以看出,“混合式”教學主要可以從教學手段、教學方式、教學方法等幾個方面的組合進行實踐．可以是同一堂課中采用不同的組合,也可以是一門課程中采用不同的組合;可以是不同教學手段的組合,也可以是教學手段、方式、方法的組合．當然隨著教學實踐的深入,還會有更多的內容添加進來,對這個框架進行不斷地補充與完善．

圖1 “混合式”教學模式基本框架圖

從滲透物理學史的角度來說,我國目前大部分教育仍以教師為中心,實行以知識傳授為目的的傳統教學模式和方法,這在一定程度上加劇了學生的厭學情緒,阻礙了物理學史融入教學的廣度和深度,阻礙了教學質量的有效提高,更是阻礙了學生物理學科核心素養的提升．

而“混合式”教學理念的提出,“教為不教、學為學會”,使得教學不再是過去那種固定場所、單一地點的授課,而是具有更多的開放和多元、虛擬和現實相結合的學習空間和場所,從而形成課內課外、線上線下,學習無處不在的新格局．因此,筆者認為,基于“混合式”教學理念,開展高中物理學史教學的實踐,就是“核心素養視野下高中物理教學滲透物理學史的實踐研究”的有效之法,解決之道．

3 基于“混合式”教學的物理學史教學案例

筆者認為,對于不同的物理學史內容,在學生學習過程中所起的作用不同,因此采用的教學模式也應是各不相同的．下面就依據圖1的框架,選取幾個教學案例,詳細說明如何充分應用“混合式”教學理念,將物理學史滲透到高中物理教學課堂的實踐中去,從而讓學生親歷物理觀念的形成和發展、重新體驗科學家研究問題的思維方法和探究過程．

3.1 教學手段的組合

案例1.經典書籍——“牛頓第一定律”教學片段

……

牛頓的貢獻:形成體系

教師:牛頓在伽利略和笛卡兒等人的工作基礎上,提出了動力學的一條基本定律．

牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態．(引導學生分段解析,幫助理解)

現場贈書《自然哲學的數學原理》,并介紹牛頓關于運動的三條定律和《自然哲學的科學原理》書的價值．

(接下來就是對牛頓第一定律的理解,該內容部分都由教師引導學生回答,先分析后半句話的意義,并且由受書學生回答．)

① 力是改變物體運動狀態的原因,而不是維持物體運動狀態的原因．

討論:哪些情景是物體的運動狀態發生改變?(請舉例說明)

總結:運動狀態由速度決定,速度發生了變化,就說物體的運動狀態發生了變化．(強調:速度是一個矢量．)

指明:力是改變速度的原因．

力是產生加速度的原因．(可以到第二節再介紹．)

② 牛頓第一定律描述的是一種理想狀態,其結論可等效地推廣到物體所受合外力為零的情況．

(引導學生看書本P68小字,體會“牛頓的高明”——提出了重要的科學概念“力”．)

……

牛頓的《自然哲學的數學原理》是物理學發展史上一部光輝的經典著作,它以嚴謹的體系和豐富的內容完成了物理學史上的第一次大綜合．此教學片段通過贈書的方式,讓學生明白牛頓在物理學史上的重要作用和偉大成果,同時引出“牛頓第一定律”．這一滲透物理學史的教學手段,不僅可以引導學生更好地領會牛頓第一定律中包含的力、慣性等重要物理觀念,還能夠讓學生感受到科學結論得出的艱難歷程、感悟科學之美．通過學生對后續內容的閱讀,會發現牛頓第二定律的表述與教材上的表述不一致,更是能夠激發學生的好奇心,從而調動學生的學習熱情．

案例2.網絡視頻——“粒子的波動性”教學片段

……

物質波的驗證

教師:如何驗證德布羅意假說?

學生:如果能觀察到實物粒子的干涉、衍射等波的特有現象,可驗證實物粒子具有波動性．

教師:發生明顯衍射的條件?

學生:障礙物或小孔的尺寸跟波長差不多,或者比波長還要小．

(找學生上黑板,應用德布羅意波能量、動量關系式計算子彈及電子的波長．)

計算1:一個質量為0.01kg,速度為300m/s的子彈,對應的德布羅意波長?

教師:為什么不易觀察到宏觀物體的波動性?

計算2:一個原來靜止的電子,經過100V的電壓加速后,對應的德布羅意波長?

教師:分子直徑的數量級與上面計算出的電子波長數量級相當嗎?

學生:相當!

教師:電子的德布羅意波長與分子直徑相當,電子束照到晶體上,兩晶格的狹縫可使電子發生明顯的衍射．1927年戴維森和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實驗,證實了電子的波動性．

此處通過多媒體播放網絡視頻,重現電子束衍射實驗．

……

這節課的內容從德布羅意波的提出、驗證到物質波理論的形成,充分體現了物理學史的發展歷程．而其中,物質波的驗證這一環節,教材上是用了兩張圖片,分別是電子束通過鋁箔時的衍射圖樣和弗蘭克林拍攝的DNA的X射線衍射照片．雖然圖片能夠看出衍射現象,但是學生會質疑實驗的過程．而這樣的驗證實驗對于高中生來講有點遙遠、無法親證,但是對于高校或者是科研機構來說,是很常規的實驗．因此,可以通過網絡資源尋找這樣的驗證實驗的視頻,讓學生從視頻中完整的了解實驗的過程,同時也可以通過解說,更深入地了解戴維森和G·P·湯姆孫兩個人發現電子衍射的不同歷程,從中感悟科學家們如何向固有觀念挑戰,如何提出大膽猜想和假說,如何尋找有效的方法等等,從而在潛移默化中培養學生的科學態度與責任．

3.2 教學方式的組合

案例1.面授教學——“庫侖定律”教學片段

……

(1) 巧設環境,精彩引入.

小實驗:塑料吸管靠近細細的水流,發現水流從豎直變的彎曲;……

總結:結合學生的回答,給出相應的概念,電荷間的這種相互作用力叫庫侖力,遵循的規律為庫侖定律．

(2) 開拓思維、類比猜想.

通過觀察上面的引入實驗,學生結合前瞻性知識,并且結合生活經驗和學過的知識知道帶電粒子直接有相互作用力,那么這種相互作用力與哪些主要因素有關呢,可以積極引導學生進行類比猜想,因為學生猜想的結果以及猜想的思維方法會一直貫穿在整個教學環節中．

總結:本節課我們主要來研究力與電荷量、距離之間的關系．

(3) 模型初建、實驗探究.

本環節主要是初步探究庫侖定律,通過實驗探究,讓學生觀察,定性的總結力與哪些重要因素有關系,并且猜想有著什么樣的規律?

a. 模型建立(略)

b. 定性實驗探究(略)

c. 探究影響電荷間相互作用力的因素

教師:通過上面的結論,能不能思考以前學過的知識,并且通過類比的方法猜想F與Q、r有什么具體定量關系?

圖2 庫侖扭秤實驗演示

學生:類比萬有引力定律,電荷間作用力應和萬有引力一樣具有“平方反比”規律(如圖2)．

教師介紹庫侖扭秤實驗,如何實驗 “定量”探究,由于庫侖扭秤比較難以理解,教師類比生活中的“擰毛巾”過程,介紹扭稱的工作原理,并且進行演示實驗,便于學生更好的理解．

d. 規律的多樣性與統一性

通過對比總結:規律的多樣性與統一性,我們要用多樣性和統一性的眼光看待我們的世界．

e. 結論(略)

……

這節課包含了很多的演示實驗,因此最佳呈現方式還是選擇面授教學,這也是比較傳統的方式．在庫侖定律的發現過程中,電扭秤實驗可以說是人們公認的實驗基礎,因此,在課堂上重新“還原”這個實驗,既可以讓學生了解庫侖定律的由來,又可以讓他們更為直觀的驗證定律內容．實際上,整個靜電學的發展,都是在借鑒和利用引力理論的已有超過的基礎上取得的,這里又讓學生看到了類比方法在科學研究中所起的作用．通過課堂教學的方式,物理學史不再是書上的白紙黑字,而是實實在在看得見的過程,這對于學生科學思維的培育也是非常重要的．

案例2.線上教學——“能量量子化”教學片段

……

(1) 引入新課.

介紹能量量子化發現的背景

“兩朵烏云”

(2) 進行新課.

a. 黑體與黑體輻射

教師:在了解什么是黑體與黑體輻射之前,請同學們先閱讀教材,了解一下什么是熱輻射．

學生:閱讀教材關于熱輻射的描述．

了解兩個概念: ① 熱輻射現象; ② 黑體．

測試題1.下列敘述正確的是

(A) 一切物體都在輻射電磁波.

(B) 一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關.

(C) 黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關.

(D) 黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波.

測試題2.煉鋼工人通過觀察煉鋼爐內的顏色,就可以估計出爐內的溫度,這是根據什么道理?

b. 黑體輻射的實驗規律

教師:引導學生閱讀教材“黑體輻射的實驗規律”,結合課本第29頁圖17.1-2講解黑體輻射的實驗規律．

教師:提出問題,設置疑問．怎樣解釋黑體輻射的實驗規律呢?

在新的理論誕生之前,人們很自然地要依據熱力學和電磁學規律來解釋．德國物理學家維恩和英國物理學家瑞利分別提出了輻射強度按波長分布的理論公式．結果導致理論與實驗規律不符,甚至得出了非常荒謬的結論,當時被稱為“紫外災難”．

展示:瑞利——金斯線．

c. 能量子:超越牛頓的發現

教師:利用已有的理論解釋黑體輻射的規律,導致了荒謬的結果．必然會促使人們去發現新的理論，這就是能量子概念．

1900年,德國物理學家普朗克提出能量量子化假說:輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子,這些諧振子可以發射和吸收輻射能．但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態,在這些狀態中,諧振子的能量并不像經典物理學所允許的可具有任意值．相應的能量是某一最小能量ε(稱為能量子)的整數倍,即:ε,2ε,3ε,…nε,n為正整數,稱為量子數．

對于頻率為ν的諧振子最小能量為ε=hν,這個最小能量值,就叫做能量子．h是一個常量,也被稱為普朗克常數,數值為h=6.626×10-34J·s.

測試題3.對應于3.4×10-19J的能量子,其電磁輻射的頻率和波長各是多少?它是什么顏色?

(3) 承上啟下.

1918年普朗克榮獲了諾貝爾物理學獎．

而死后他的墓碑上只刻著他的姓名和h=6.626×10-34J·s

“物理難題”引出“光電效應:光的粒子性”

……

“能量量子化”是我們展開線上教學的第一課．之所以選擇它,是因為這節課的內容本身以自學為主,以理論為主,以物理學史為主．因此,我們將這節課的講課視頻、課件、物理學史資料等放到網上課堂(如:超星學習通)做一次大膽的嘗試．為了能夠實現教學目標,在新課環節設置了3個測試題,如果學生能夠順利答題,說明他已經掌握了本節的主要知識點．而且,從學生的答題情況統計,教師可以及時掌握學生的學習情況．將這節課作為線上課程,還有一個優點．那就是這節課的引入和總結部分包含了相當多的物理學史小故事,如果是課堂教學,那么要考慮學時問題,這些小故事最后就被壓縮成幾句話,而線上教學的話,就不存在這個問題,教師可以將這些小故事仔細講解,或者是制作鏈接,讓學生自主學習的同時,還能更好的了解《能量量子化》假說提出的前因后果,以及對后續物理學史的影響,為原本枯燥乏味的教學內容增添活力．

3.3 教學方法的組合

案例1.演示實驗——“光電效應”教學片段

……

光電效應

教師:實驗演示,如圖3所示．用弧光燈照射擦得很亮的鋅板,(注意用導線與不帶電的驗電器相連),使驗電器張角增大到約為 30°時,再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板,則驗電器的指針張角會變大．

圖3 光電效應演示實驗

學生:認真觀察實驗．

教師:上述實驗說明了什么?

學生:表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電．

引入概念:在光(包括不可見光)的照射下,從物體發射電子的現象叫做光電效應．發射出來的電子叫做光電子．

……

光電子其實是一個很抽象的概念,可是如果能夠很好的利用物理學史上發現并揭示光電效應機制的實驗,那么將事半功倍．這里我們通過演示實驗,將類似于俄國物理學家斯托列托夫的實驗研究重現出來,讓學生親眼驗證了鋅板在光的照射下,會放出帶負電的粒子,從而形成電流,讓學生感受到“光電子”名副其實,且對其概念印象深刻．這個實驗所用儀器都比較直觀,而且現象明顯,因此選擇演示實驗的方法即可．

案例2.探究實驗——“光的干涉”教學片段

……

實驗探究:相鄰兩條亮條紋(或暗條紋)的中心間距Δx與什么有關?

假設:d為兩狹縫之間的距離,L為光屏到雙縫屏的距離,如圖4所示．

圖4 楊氏雙縫干涉實驗裝置圖

思路:分析波面

探究1:d減小,L、λ不變,Δx如何變化?

實驗得知:d越小,亮紋、暗紋形成的頂角(開口)越大,Δx越大.

探究2:L增大,d、λ不變,Δx如何變化?

實驗得知:亮紋、暗紋向外呈輻射狀,L增大,Δx增大.

探究3:λ增大,d、L不變,Δx如何變化?

實驗得知:λ越大,亮紋、暗紋分布越稀,Δx越大.

結論:雙縫的間距d越小,光屏到雙縫屏之間的距離L越大,光的波長λ越大則相鄰兩條亮條紋(或暗條紋)的間距Δx越大．

通過上述公式可以測出入射光波長．

……

雙縫干涉實驗是經典光學的發展史上非常重要的實驗之一,為托馬斯·楊的波動學說提供了很好的證據．考慮到這個實驗現象的變化比較微小,需要學生近距離觀察．因此,給出與楊氏當初實驗相似的裝置,而不是用現在常用的激光光源,讓學生進行自主探究,本身就是一件非常有意義的事．其次,這個實驗的成功更是對長期與牛頓的名字連在一起的微粒說的重大挑戰．回想當時托馬斯·楊提出干涉原理后不斷受到一些權威學者的圍攻,學生才能夠更深刻地體會挑戰權威需要多大的勇氣．通過這樣的實驗環節,不僅培養了學生的科學探究能力,讓他們認識到質疑創新的重要與艱難,也可以幫助他們樹立面對困難不動搖的堅定的科學信念．

4 結語

“混合式”教學并不是簡單的技術混合,而是為學生創造一種真正高度參與性的、個性化的學習體驗．現階段的混合式教學概念強調的重點是“以學生為中心”,這是符合近年來國內外教育界提倡的主流教育理念的,因此混合式教學必將成為未來教育的“新常態”．

“混合式”教學理念與物理學史相結合,從教師層面來說,資源可以共享,課時也不用增加,將使得高中物理教學中滲透物理學史的教學更具有實踐性,從而推進物理學史融入教學的廣度與深度;從學生層面來說,課堂增添了時尚感,又能夠了解知識的全貌,可以一定程度地激發他們學習的興趣,增強學習的主動性,從而提高學生的人文素養和科學素養,促進學生物理核心素養的提升．