學習物理學史 體會科學精神

金祎 鄭衛峰

摘? ?要：將牛頓分解太陽光這一歷史引入初中物理“光的色散”教學中，旨在引導學生通過對實驗過程的學習，體會物理學科中的合作、質疑和探索等科學精神。在教材原有實驗的基礎上，增加了兩個探究實驗即“兩個相同三棱鏡是否能還原白光”和“比較不同色光的折射率”，體現了以學生為實驗的主體，激發學生學習物理的興趣，培養科學思維，提高探究能力。

關鍵詞：牛頓;物理學史;科學精神;光的色散

引言

2011 版《全日制義務教育物理課程標準》提出：義務教育的物理課程，不僅要求學生具有物理知識和技能，實驗探究能力，還要受到科學精神的熏陶，提高科學素質[ 1 ]。

在日常教學中，教師往往更加在意學生學習物理知識的能力，而忽略學生科學精神的培養。科學精神是人們通過長期的科學實踐活動形成的共同信念和價值準則，它涵蓋了合作精神、探索精神、求真務實精神、質疑精神等等。在物理教學中適當引入物理學史，能夠鼓勵學生向物理學家學習，從而培養學生相信科學，崇尚科學的態度和責任感，達到培養學生科學精神的目的[ 2 ]。本文在“光的色散”教學中通過對牛頓分解太陽光這一實驗的學習，讓學生體會牛頓堅持不懈的探索精神，既能開拓視野，又提高解決問題的能力并發現物理的魅力所在。

1? “光的色散”教學內容分析

在“光的色散”一節中色散實驗由以下幾部分組成（1）探究實驗：讓太陽光通過帶狹縫的擋光板照射到三棱鏡上，用白色的光屏呈接出射的光。（2）觀察現象：白色

的太陽光通過三棱鏡后，在光屏上形成了一條彩色的光帶，由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色組成。（3）得出結論：白光是由各種色光混合而成的。此實驗過程相對簡單，在教學中若僅限于觀察實驗現象，不能有效體現“培養學生的核心素養”。因此在實驗教學設計的過程中，結合牛頓分解太陽光這一物理學史，讓學生感受實驗過程中體現的探索精神，質疑精神等。通過實驗探究充分鍛煉學生分析推理和解決問題的能力，形成正確的物理觀念、持之以恒的科學態度和責任感。

2? 追隨牛頓腳步，培養科學精神

2.1? 了解先人思想，體會科學精神

在實驗探究之前，教師通過介紹物理學家和哲學家們對光的思考，吸引學生的學習興趣，為接下來的教學內容做好鋪墊。教師以時間為軸簡要介紹光的歷史，引出牛頓分解太陽光的實驗：古希臘哲學家柏拉圖認為光束是從眼睛發射出來的，而他的學生亞里士多德卻不同意這種觀點，他認為顏色是通過白色和黑色混合得到的，不同的顏色是由于黑色，白色的混合比例不同。1637 年法國科學家笛卡爾在《屈光學》中解釋道：以太顆粒的旋轉產生了不同的顏色，以太轉的越快，顏色越紅。而笛卡爾的后輩胡克認為：白光是最基本的顏色，其他顏色都是在白光基礎上的偏離。牛頓經過不斷的探索研究，對前人的解釋提出懷疑，他終于在1666 年成功通過棱鏡分解太陽光的實驗證明了光的本質，他所做的“棱鏡分解太陽光”實驗被后人稱為最美的十大物理實驗之一[ 3 ]。牛頓面對前人的結論大膽質疑不斷實踐，他的探索精神，質疑精神，以及求真務實的精神能夠對學生的實驗探究產生積極影響。

2.2? 探究白光本質，培養合作精神

教師先介紹牛頓分解太陽光的實驗過程[ 4 ]，即在窗上切一個圓形小孔，讓太陽光通過小孔入射進來，并透過棱鏡投射到房間另一邊的墻上，現象是在墻上出現了藍色、綠色、黃色、橙色、紅色等顏色;再組織學生以小組的形式，利用三棱鏡分解太陽光。學生通過預習受到牛頓所做實驗的啟發，能夠想到直接用太陽光照射三棱鏡和用手電筒代替太陽光這兩種方式獲取現象和結論。在小組活動中，學生能夠各司其職，互相配合并得出結論：白光可以分解為不同顏色的單色光。

此實驗是書中原有的實驗，較為簡單，適合學生進行自主探究。教師組織學生以小組的形式進行，可以培養學生的合作精神。

通過分組實驗，學生能夠積極表達自己，提高交流能力，學會樂于分享，提高實驗效率。

2.3? 嘗試還原白光，培養質疑精神

在以往的教學中，教師直接告訴學生“兩個相同的三棱鏡不能還原白光”，然而學生對這一結論持懷疑態度，甚至覺得“兩個相同的三棱鏡可以還原白光”。針對這一

問題，設計實驗探究二，引導學生先進行猜想，再帶著疑問進行自主探究。學生使光束通過一塊棱鏡發生色散，并讓第二塊棱鏡相對第一塊倒置，位置關系如圖1 所示。觀察到的現象為：兩塊相同的三棱鏡并沒有還原白光，從第二塊三棱鏡出射的是平行的七種單色光。為了幫助學生理解，教師可以將兩個三棱鏡靠在一起，這樣就可以看成一塊玻璃磚。引導學生回顧所學知識，當單色光進入玻璃磚時，出射光線是平行于入射光線的。白光是由七種單色光組成，因此當白光進入玻璃磚時，出射光線應由七種不同顏色的單色光組成，且這七種單色光都平行于入射的白光。或者帶領學生根據光的折射定律能畫出如圖2 的光路圖，得出相同的結論[ 5 ]。

學生明白“兩個相同的三棱鏡不能還原白光”之后，再帶領學生了解牛頓是如何還原白光的。如圖3 所示，牛頓先用一棱鏡將白光束分解為光譜，再使光譜通過另一個頂角較大的倒置棱鏡。他猜想，由于第二個棱鏡頂角較大，使不同色光的偏折大于第一個棱鏡，所以不同色光又會在第二個棱鏡后面的某一區域交匯，實驗現象與預想的完全一致。

本實驗設計旨在引發學生的認知沖突，通過動手實踐，培養發散思維和質疑精神。在實驗教學中，教師應給學生足夠的空間思考和懷疑，不否定學生的想法，為學生提供幫助，鼓勵學生去動手驗證想法的準確性。在學生親自驗證“兩個相同三棱鏡不能還原白光”之后，引入牛頓還原白光的實驗，消除學生心中的困惑，激發學生繼續探索的欲望。懷疑是探究的開始，培養學生的懷疑精神，有利于發展學生個性，提高學生科學思維能力。

2.4? 比較不同色光折射程度，培養探索精神

教師先介紹牛頓測定不同色光折射率的實驗過程，為學生的自主探究提供新思路。牛頓讓光束從窗外進入，經過一個棱鏡，穿過房間，讓光投射到一塊木板上。牛頓在木板上鉆了一個小孔，通過調節棱鏡，讓彩色光依次通過小孔，再透過第二塊棱鏡后，再投射到墻上，實驗證明了從光譜末端的紅光開始，光的偏折程度依次少量增加[ 6 ]。

教師隨后拋出問題：“如何利用現有器材比較不同色光的折射程度？”學生能夠想到利用紅色激光筆和綠色激光筆做實驗，光路如圖4 和圖5，讓兩只激光筆分別以相同

的角度照射三棱鏡。實驗比較兩種光從三棱鏡出射的偏折程度，綠光偏折程度更大，即綠光折射能力比紅光強。教師也可以讓學生在課后找尋多種方法繼續探究不同色光的折射程度，培養學生科學探究的能力和探索精神。

牛頓在測七種光的折射率的過程中不斷實踐和改進，最終達到實驗目的，這種探索精神值得學生學習。學生通過了解牛頓的實驗過程，能夠發散思維，根據已有器材進行探究實驗。在不斷嘗試的過程中，得到科學規律，培養探索精神。

3? 總結與反思

在“光的色散”實驗教學中，引入牛頓分解太陽光的實驗過程是有意義的，原因如下：（1）牛頓是學生最熟悉的物理學家之一，引入牛頓進行的實驗，可以激發學生探究學習的欲望;（2）在分解太陽光的過程中他利用了最簡單的器材和最直接的實驗手段，操作簡潔，現象直觀，適合學生進行實驗探究;（3）面對其他人對光的本質的探討，牛頓堅持自我，不斷嘗試，體現的科學精神值得學生學習，并能對日后的物理學習產生積極影響。

在傳統的物理實驗教學中，教師往往更傾向于學生對實驗所得規律和結果的掌握，而忽略對學生科學精神的培養。將物理學史帶進實驗課堂，學生可以從物理學家們的實驗過程中提升思維邏輯，加強團隊合作能力，懷有質疑態度，通過探索得出結論，提升科學精神。

參考文獻：

[1] 劉世興，佟辛妤，花巍，等.在“課程思政”思想指導下的物理學史教學探討[J].遼寧大學學報（自然科學版），2021，48（1）：92-96.

[2] 陳懋.基于科學精神培養的初中物理教學實踐與探索[J].中學物理教學參考，2020，49（16）：13-16.

[3] 季衛新，陳棟.“光的色散”國內外研究歷史綜述[J].中學物理教學參考，2019，48（12）：50-55.

[4] 牛頓.光學—— 關于光的反射、折射、拐折和顏色的論文[M]. 周岳明，舒幼生，邢峰，等，譯.北京：科學普及出版社，1988.

[5] 王智勇.教材對牛頓光的色散實驗的誤讀[J].中學物理，2013，31（24）：41-42.

[6] 蔣麗艷.滲透物理學史的“光的色散”教學設計[J]. 物理通報，2021（4）：156-158.