滲透物理學(xué)史 發(fā)展質(zhì)疑創(chuàng)新

張雯婷 林秀敏 陳志華

摘 ? 要：質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維的重要組成部分，是學(xué)生應(yīng)具備的關(guān)鍵能力之一。文章基于質(zhì)疑創(chuàng)新的5個層次水平，嘗試著在教學(xué)中將合適的物理學(xué)史滲透進(jìn)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，逐級培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，使學(xué)生具備良好的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；質(zhì)疑創(chuàng)新；物理教學(xué)

引言

質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維的必備要件之一，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》認(rèn)為 “質(zhì)疑創(chuàng)新是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格”，并把質(zhì)疑創(chuàng)新依據(jù)其質(zhì)量性質(zhì)劃分為五個水平（見表1），對質(zhì)疑創(chuàng)新能力的要求逐級提高。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，許多學(xué)者紛紛研究其培養(yǎng)途徑和培養(yǎng)策略。沈偉云基于物理教材，提出從辨析前概念、學(xué)習(xí)物理學(xué)史、拓展科學(xué)探究和改進(jìn)物理實驗四個角度來發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力[ 1 ]；居津基于科學(xué)思維的五個水平序化物理課堂，在探究實驗中發(fā)展質(zhì)疑創(chuàng)新[ 2 ]；段祝霞提出在物理習(xí)題教學(xué)中抓住學(xué)生錯誤的契機(jī)，教授質(zhì)疑方法，在探究錯誤中培養(yǎng)反思能力，進(jìn)而提升質(zhì)疑創(chuàng)新能力[ 3 ]；陶永杰等人以章末練習(xí)為例，在探究物理問題中體會數(shù)學(xué)模型和思想，學(xué)會從多個角度思考問題，提升質(zhì)疑創(chuàng)新能力[ 4 ]。

表 1 ?質(zhì)疑創(chuàng)新的質(zhì)量水平[ 5 ]

物理學(xué)史為我們呈現(xiàn)科學(xué)家們提出物理概念、確定物理規(guī)律的歷程，其中蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)探究精神、探究方法，從中可以發(fā)現(xiàn)許多新概念的提出或新理論的創(chuàng)立都是科學(xué)家綜合當(dāng)下的研究成果對前人結(jié)論提出有依據(jù)質(zhì)疑，并運用創(chuàng)新思維才實現(xiàn)的[ 6 ]。因此，若將富含創(chuàng)新思維案例的物理學(xué)史滲透到相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容中，可以讓學(xué)生深刻體會質(zhì)疑創(chuàng)新的意義和方法，使得自身的物理核心素養(yǎng)得到更好地提升。本文基于質(zhì)疑創(chuàng)新的五個水平，舉例說明如何在課堂教學(xué)中借助物理學(xué)史逐步提高學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

1 ?滲透物理學(xué)史，逐步培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

1.1 ?搭建古今的橋梁——知道質(zhì)疑和創(chuàng)新的重要性

托爾斯泰曾說，成功的教學(xué)所必需的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。科學(xué)上的新發(fā)明或新發(fā)現(xiàn)往往更能激發(fā)學(xué)生對其原理的求知欲。教師要主動利用當(dāng)前科學(xué)上的應(yīng)用成果，尤其是新發(fā)明或新發(fā)現(xiàn)，來分析相關(guān)的物理知識及其研究過程，讓學(xué)生領(lǐng)略質(zhì)疑創(chuàng)新的重要性。

【教學(xué)案例1】以新人教版高中物理必修三“電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用”為例。

在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師就2022年“天宮課堂”天地間在線互動問答的流暢性切入主題，指出這個互動環(huán)節(jié)的實時效果需要強(qiáng)大且穩(wěn)定的信息通訊技術(shù)。

太空授課的介紹，使學(xué)生直觀感受到創(chuàng)新科技的魅力，激發(fā)探索科學(xué)的熱情，領(lǐng)會國家科技實力的進(jìn)步。教師構(gòu)建創(chuàng)新環(huán)境后，提出問題：（1）實現(xiàn)天地對話的信息載體是什么？（2）歷史上科學(xué)家如何發(fā)現(xiàn)電磁波？這樣自然而然地開始介紹與電磁波相關(guān)的物理學(xué)史。首先是麥克斯韋的天才預(yù)言，他深刻洞察了大陸派電動力學(xué)的困難和不協(xié)調(diào)因素，看穿超距作用理論的根本弱點，提出兩個著名的假說，一步一步地建立電磁場理論；其次是赫茲的電磁波實驗，他設(shè)計實驗驗證了電磁波的存在，并直接測出了電磁波的傳播速度正是光速[ 7 ]。歷史上的質(zhì)疑創(chuàng)新為當(dāng)今無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了道路，推動“順風(fēng)耳、千里眼”的夢想成為現(xiàn)實。

缺少大膽的質(zhì)疑創(chuàng)新，一般就難以有知識的進(jìn)展。因此，教師要關(guān)注與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科技前沿，融入教學(xué)激起學(xué)生學(xué)習(xí)和探求的興趣，把對現(xiàn)代科技和現(xiàn)代人類生活影響重大的新發(fā)明、新創(chuàng)造與教學(xué)內(nèi)容中所蘊(yùn)含的在物理學(xué)史上通過質(zhì)疑創(chuàng)新提出的概念或理論建立有機(jī)聯(lián)系，從而使學(xué)生更深刻地體會質(zhì)疑和創(chuàng)新的重要意義。

1.2 ?重復(fù)經(jīng)典實驗，創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑環(huán)境——具有質(zhì)疑和創(chuàng)新的意識

孔子說：“疑是思之始，學(xué)之端”。質(zhì)疑，是物理學(xué)發(fā)展的動力，也是有效學(xué)習(xí)科學(xué)知識的開端。因此，教學(xué)中重現(xiàn)物理學(xué)家對原認(rèn)知的反思與批判，創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑環(huán)境，有助于激發(fā)學(xué)生質(zhì)疑意識和創(chuàng)新意識。

【教學(xué)案例2】以新人教版高中物理必修三“磁場 磁感線”為例。

在教學(xué)導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師引領(lǐng)學(xué)生重復(fù)奧斯特實驗，在學(xué)生身臨其境、認(rèn)真觀察的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)問引導(dǎo)，創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑環(huán)境，重現(xiàn)奧斯特科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折歷程，具體教學(xué)設(shè)計如表2所示。在質(zhì)疑環(huán)境中促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知重構(gòu)的同時，激發(fā)其質(zhì)疑意識和創(chuàng)新意識。

“不懷疑不能見真理。”因此，教師要善于在經(jīng)典實驗中融合物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)與思考過程，在質(zhì)疑環(huán)境中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新意識，逐步打開學(xué)生思維的大門。

1.3 ?創(chuàng)設(shè)開放、求異環(huán)境——能對已有觀點提出質(zhì)疑，從不同角度思考物理問題

“一千個讀者心中，就有一千個哈姆雷特。”站在不同角度觀察或思索同一事物，就會有不同的判斷和答案。在教學(xué)中利用合適的物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)開放、求異的學(xué)習(xí)環(huán)境，積極引導(dǎo)學(xué)生從不同角度研究科學(xué)知識或問題，有助于發(fā)展學(xué)生的批判性思維和發(fā)散思維，不受思維定勢牽制，為質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

【教學(xué)案例3】以新人教版高中物理選擇性必修一“動量守恒定律”為例。

在教材中，編者將牛頓運動定律和動量定理結(jié)合，經(jīng)理論推導(dǎo)得出動量守恒定律。而在科學(xué)史上，動量守恒定律是科學(xué)家們通過漫長的理論分析和實驗研究碰撞現(xiàn)象后才得到的。因此，學(xué)生在理論推導(dǎo)下習(xí)得動量守恒定律后，教師可借科學(xué)家研究碰撞規(guī)律的物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)開放、求異的環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生體會從不同角度研究碰撞問題的方法。

1644年，笛卡爾首先提出動量守恒的思想，總結(jié)了七條碰撞規(guī)律，但其論點是模糊的，很快就引起人們的質(zhì)疑。1668年英國皇家學(xué)會發(fā)布征文活動后，雷恩、沃利斯和惠更斯分別從不同角度研究碰撞規(guī)律，他們各自的研究角度和觀點如表3所示。

表 3 ?碰撞理論研究的相關(guān)物理學(xué)史[ 7 ] 30

【教學(xué)案例4】以新人教版高中物理選擇性必修一“動量定理”為例。

學(xué)生學(xué)習(xí)動量和動量定理后，理解了動量變化是力對時間的累積效果。在此基礎(chǔ)上，教師引入歷史上關(guān)于笛卡爾學(xué)派和萊布尼茨學(xué)派長達(dá)半個多世紀(jì)的爭論，加深對動量定理的理解。

笛卡爾學(xué)派認(rèn)為“動量是物體運動的唯一量度”，在碰撞實驗被證實后得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。但這個觀點不被萊布尼茨學(xué)派接受，后者認(rèn)為笛卡爾學(xué)派的觀點同落體定律相斥。他們分析了“一英鎊物體下落四英尺和四英鎊物體下落一英尺”兩組實驗，認(rèn)為兩種下落情況所得到的效果是相同的，質(zhì)量和速度平方的乘積也是相等的，但動量卻不相等，因此度量物體運動的物理量應(yīng)該是mv2（后來科里奧利提議用動能mv2）；兩派各自強(qiáng)調(diào)自己所依據(jù)的事實和推理方法[ 7 ]32。1743年，達(dá)朗貝爾稱雙方只是從不同角度量度運動，二者是“對立統(tǒng)一”的關(guān)系；恩格斯亦認(rèn)為兩派的觀點并不矛盾，他指出mv和mv2互不相同，前者以機(jī)械運動來量度，后者以機(jī)械運動轉(zhuǎn)化為其他形式的運動能力來量度 [ 7 ]33。至此，兩學(xué)派間的爭論終于謝幕。

學(xué)生了解這段歷史后，意識到這場爭論促進(jìn)了對動量概念和運動量度的研究，并非是一場無意義的爭論。正是不同學(xué)派的人從不同角度，并基于事實去研究物體運動的量度，提出各自的觀點，才促進(jìn)人們對運動量度概念的認(rèn)識由片面走向全面。

英國的巴克爾曾說“首先懷疑，然后探求，最后發(fā)現(xiàn)。”因此，教師要借助物理學(xué)史上的爭論創(chuàng)設(shè)開放、求異的環(huán)境，在批判質(zhì)疑中鼓勵學(xué)生多角度思考和獨特性思考，在探索過程中完善知識結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)合作交流與思辨意識，激發(fā)質(zhì)疑創(chuàng)新思維。

1.4 ?滲透證據(jù)意識——能對已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，采用不同方式分析解決物理問題

質(zhì)疑是科學(xué)發(fā)展的內(nèi)在需要，提出有依據(jù)的質(zhì)疑是發(fā)現(xiàn)物理問題本源的重要步驟。挖掘物理學(xué)史，將科學(xué)家有理有據(jù)的質(zhì)疑過程融入物理教學(xué)，向?qū)W生滲透證據(jù)意識，發(fā)展他們的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

【教學(xué)案例5】以新人教版高中物理必修二“行星的運動”為例。

在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師呈現(xiàn)行星運動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，先介紹當(dāng)時普遍認(rèn)同的哥白尼的日心說：太陽是宇宙的中心，天體運動是最完美、最和諧的勻速圓周運動。然后再介紹第谷和開普勒的研究歷程。第谷用20年的時間積累大量的行星觀測數(shù)據(jù)，為開普勒的行星運動三定律的建立作出不朽的貢獻(xiàn)；開普勒起初堅信行星運動是勻速圓周運動，但在對火星軌道的研究中，70余次設(shè)計方案的計算結(jié)果都遭到失敗，其中最符合觀測數(shù)據(jù)的理論計算結(jié)果仍與第谷觀測數(shù)據(jù)相差8分[ 8 ]。

在實際觀測數(shù)據(jù)的支撐下，開普勒大膽提出新觀點——假設(shè)火星運行軌道是橢圓軌道，基于該假設(shè)所得的理論結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)相符，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)其他行星的軌跡也同樣是橢圓。開普勒結(jié)合觀察法和數(shù)學(xué)演算法，在多年反復(fù)計算和假設(shè)后得到聞名的“開普勒定律”，完善和簡化了哥白尼的日心說。

通過這段史實，帶領(lǐng)學(xué)生身臨其境，感受開普勒基于證據(jù)對“完美”的神運動（勻速圓周運動）的大膽質(zhì)疑，以及在科學(xué)思想上無與倫比的創(chuàng)造精神。教師借物理學(xué)史將證據(jù)意識滲透到教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生不盲目質(zhì)疑，而是基于證據(jù)提出合理質(zhì)疑并解決問題，鼓勵學(xué)生勇于創(chuàng)新，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

1.5 ?引用科學(xué)論證——能從多個視角審視檢驗結(jié)論，解決物理問題具有一定的新穎性

科學(xué)假說需要假說提出者的證明，也需要時間和他人的研究來驗證和旁證[ 9 ]，他人的檢驗過程即科學(xué)論證過程，推動假說發(fā)展成為理論。教學(xué)中滲透物理學(xué)史的科學(xué)論證活動，開展質(zhì)疑創(chuàng)新的進(jìn)階過程，啟迪學(xué)生從多個視角審視檢驗結(jié)論，對提升質(zhì)疑創(chuàng)新能力大有裨益。

【教學(xué)案例6】以新人教版高中物理選擇性必修三“光電效應(yīng)”為例。

人類對光的波粒二象性的認(rèn)識是不斷質(zhì)疑、探索的過程。本節(jié)是經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)的重要銜接，其知識目標(biāo)在于認(rèn)識光既有波動性，又有粒子性。因此，教師在本節(jié)講解“光的波粒二象性”時可基于物理學(xué)史，從多個視角審視檢驗“光具有粒子性”假設(shè)。

十九世紀(jì)末，光的波動性已經(jīng)被大量實驗所證實。在麥克斯韋理論被赫茲用實驗證實后，光的波動理論體系趨于完善，但光的波動說無法解釋黑體輻射規(guī)律。1900年，普朗克提出“能量子”假設(shè)，從理論上解釋了黑體輻射規(guī)律，自此宣告“量子論”的誕生。但該假設(shè)提出之初并沒有引起人們足夠的重視，甚至不少科學(xué)家對其提出質(zhì)疑。1905年，年輕的愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假說，首次提出“光量子”概念，基于此得到著名的愛因斯坦光電方程，從而完美解釋了光電效應(yīng)實驗規(guī)律；而后，密立根用了整整十年的時間進(jìn)行精密實驗測定，最終基于實驗結(jié)果公開宣布愛因斯坦光量子理論的正確性；康普頓于1923年研究X射線照射輕靶時，發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)，該效應(yīng)只有利用愛因斯坦的光量子假設(shè)才能很好地作出理論解釋[ 8 ]306-311。

人們對光的波粒二象性認(rèn)識經(jīng)歷多個視角審視檢驗結(jié)論的過程才逐步建立起來。實際上，普朗克的能量子假設(shè)、愛因斯坦的光量子假設(shè)都屬于光量子論，利用光量子論可以很好地解釋黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)這些經(jīng)典物理無法解釋的實驗結(jié)果，反過來也可以說這些實驗從各自的角度驗證了光量子論的正確性（如圖3所示）。光量子論打破了經(jīng)典物理的連續(xù)性概念，體現(xiàn)了解決問題的新穎性。

達(dá)爾文曾說“一種假說僅是因為它能夠解釋大量的事實才發(fā)展成一個學(xué)說。”因此，能解釋前理論所不能解釋的現(xiàn)象，預(yù)示著該假說的正確性。教師在課堂中引用前人對假說的求實歷程，引導(dǎo)學(xué)生從多個視角審視檢驗結(jié)論，對培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力有著重要作用。

2 ?結(jié)語

合適的物理學(xué)史片段在教學(xué)中的合理滲透，有益于發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。結(jié)合科學(xué)界的新發(fā)明引入物理學(xué)史，讓學(xué)生感悟質(zhì)疑創(chuàng)新的意義和重要性；重復(fù)經(jīng)典物理實驗，創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑環(huán)境，激發(fā)質(zhì)疑意識與創(chuàng)新意識；融合前人爭論，創(chuàng)設(shè)開放求異環(huán)境，發(fā)展批判性思維和發(fā)散性思維；基于證據(jù)提出合理問題并解決，提升證據(jù)意識；引用多種科學(xué)論證，引導(dǎo)學(xué)生從多個視角檢驗科學(xué)假說，循序漸進(jìn)發(fā)展學(xué)生的高水平質(zhì)疑創(chuàng)新能力。本文結(jié)合教學(xué)案例，具體闡述如何通過在教學(xué)中滲透相關(guān)物理學(xué)史，逐步發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，希望其為一線教師在教學(xué)中完成新課標(biāo)對學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)起拋磚引玉作用。

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