物理學(xué)史在物理課堂教學(xué)中的融入

李晶晶

【摘要】在不斷提倡培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、形成物理觀念、掌握物理規(guī)律的今天，學(xué)生需要了解事物的整個發(fā)展和源頭，追溯根源，知道知識的來龍去脈.在物理課堂教學(xué)中，教師應(yīng)擺脫應(yīng)試教育觀念的影響和物理教材本身的局限，研究物理學(xué)史，并靈活適時地融入到教學(xué)中，為物理教學(xué)注入新的活力.

【關(guān)鍵詞】初中物理；牛頓第一定律；課堂教學(xué)

在中學(xué)教學(xué)的大部分時間，學(xué)生其實只學(xué)其知識體系，知其然不知其所以然，長久下去，容易喪失活力與生機.現(xiàn)有的物理體系，正如一棟已然建立好的大廈，而中學(xué)教材只是將這棟大廈建成后的華麗模樣展現(xiàn)給學(xué)生，但對學(xué)生真正重要的應(yīng)該是這棟大廈是如何建成的.

知史以明智，學(xué)史方篤行.讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)史，知曉知識的由來，清楚理論建立過程的曲折和艱辛，才能讓學(xué)生對知識和理論有更全面更深刻的理解.現(xiàn)有的研究已經(jīng)越來越重視如何將物理學(xué)史融入中學(xué)教學(xué)[1].然而，將物理學(xué)史融入中學(xué)教學(xué)并非只是單純地講述物理學(xué)史，而是要以讓學(xué)生感同身受的方式講述，帶領(lǐng)學(xué)生身臨其境，體會物理理論建立并非教材上短短的幾頁，而是無數(shù)物理學(xué)家們前仆后繼探索真理的結(jié)果.

中學(xué)教材對于教師而言，不應(yīng)該是教學(xué)內(nèi)容的全部，而應(yīng)作為教學(xué)的參考資料.教師教學(xué)的內(nèi)容不需要完全按著教材來，而應(yīng)該將自己對知識的理解傳授給學(xué)生.這就要求教師對教材所講述的知識體系有極其深刻的理解，系統(tǒng)化地教于學(xué)生，幫助學(xué)生將新舊知識相聯(lián)系，從而達到深層學(xué)習(xí)的目的.

本文主要以牛頓第一定律為例，探索該如何講好這門課.牛頓第一定律，關(guān)系到對整個牛頓力學(xué)的學(xué)習(xí)和理解，是學(xué)習(xí)整個力學(xué)知識的基礎(chǔ)和關(guān)鍵.對于牛頓第一定律的學(xué)習(xí)，要著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，以及其他如科研方法和情感態(tài)度的教育，讓學(xué)生能夠能深入地理解牛頓第一定律[2].通過在教學(xué)中介紹亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓等人的探索，讓學(xué)生明白其來龍去脈，一步步感受理論建立之前各種思想火花的碰撞，從而激起學(xué)生對知識的重視，對真理的渴求，以及對先驅(qū)們科學(xué)精神的學(xué)習(xí)，并通過自己對牛頓第一定律的理解來講述牛頓第一定律，為深層學(xué)習(xí)后續(xù)的力學(xué)內(nèi)容打下基礎(chǔ).

1 牛頓第一定律課堂教學(xué)現(xiàn)狀

牛頓第一定律是中學(xué)生接觸力學(xué)的第一個定律，對接下來力學(xué)的學(xué)習(xí)起到至關(guān)重要的作用，是初高中物理教學(xué)中的重點和難點.但是根據(jù)調(diào)查和實踐表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課的過程中，并沒有感受到其重要性，只是機械性地進行記憶，對老師拋出的解題技巧死記硬背，這不利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

教師在講授本節(jié)課時，應(yīng)進行充分的備課，了解前人探究力與運動關(guān)系的艱辛歷程，讓學(xué)生知道一個定律的得出不是輕而易舉的，體會從亞里士多德到牛頓的科學(xué)探究過程及實事求是、艱苦卓絕的科學(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和批判思維的發(fā)展.

2 牛頓第一定律的教學(xué)展示

關(guān)于本節(jié)課教學(xué)設(shè)計分為四個環(huán)節(jié).

2.1 環(huán)節(jié)一 導(dǎo)入環(huán)節(jié)

通過一個生活常見的實例：推一個物體，它被推動后，運動一段距離便停下來.從而得到一個結(jié)論：物體的運動需要力來維持.接著反問學(xué)生，這個結(jié)論對嗎？如果不對，能否解釋一下為什么物體最終會停下來.（停下來的原因：摩擦力）

接著再引出一個新問題：連我們這些學(xué)生都懂得的事情，為什么在過去，“物體的運動需要力來維持”的觀點卻被人們認可了2000多年？難道真的就是由于這是個常見的生活現(xiàn)象而導(dǎo)致人們忽視了這個問題？難道就沒有人想到有摩擦力的存在嗎？

2.2 環(huán)節(jié)二 歷史回顧

2.2.1 早期的觀點

介紹亞里士多德的觀點和布里丹的沖力說，以及他們各自眼中的力是什么？接著便引導(dǎo)學(xué)生一起分析這兩種觀點的優(yōu)缺點.

亞里士多德 提出物體的運動需要力來維持，推物體，物體運動；不推，物體不運動.要是想讓物體持續(xù)地運動起來，那就得持續(xù)對物體施力.這樣的一個解釋看起來很符合人們的生活經(jīng)驗.但對于某些情況，這種說法似乎并不準確，比如，把一塊石頭扔出去，在石頭脫離手后，它并沒有馬上靜止，而是繼續(xù)向前運動.對此，亞里士多德也進行了解釋：石頭后面的空氣要填充空間，因此產(chǎn)生了氣流，從而推動石頭繼續(xù)運動下去，認為空氣對拋體有阻礙，同時又有推動（力）.這與我們現(xiàn)代的流體力學(xué)理論的觀點相近.

在當時能提出空氣對拋體有力的作用，這是很難得的，并且，還認為空氣對拋體有阻礙作用（空氣阻力）.

布里丹 認為促使物體運動的性質(zhì)稱為沖力，沖力是由推動者傳送給物體，促使物體運動.若是根據(jù)布里丹對力的定義，那么他的觀點——“物體的運動需要力來維持”是正確的.

注意 布里丹的“沖力”與我們所認為的力不一樣，反而更接近于“動量”.布里丹認為“沖力”不會自發(fā)衰減，而是外界的阻礙作用導(dǎo)致他衰減，要是“沖力”足夠，甚至可以一直運動下去.

2.2.2 理想斜面實驗

“實踐是檢驗真理的唯一標準”，但是在十六世紀以前，人們習(xí)慣通過觀察和思考來研究自然哲學(xué).直至伽利略的理想斜面實驗以及他所用的科學(xué)方法的出現(xiàn)，標志著現(xiàn)代物理學(xué)的開端.為此，帶領(lǐng)學(xué)生進行理想斜面實驗是有必要的.

通過理想斜面實驗，引導(dǎo)學(xué)生得到伽利略通過科學(xué)推理得到的結(jié)果：“若讓斜面變得完全水平，小球因永遠達不到同樣的高度而會永遠運動下去.因此，當一個物體具有某種速度后，若是不存在使物體加速和減速的原因（這種情況在水平平面上才有可能存在），那么物體將始終保持這個速度”.笛卡爾則是對其進行完善，即在其《哲學(xué)原理》第二章中表達：只要物體具有某一速度，就將保持同一速度并沿著同一直線方向運動，直至受到某種外因的阻礙或偏離為止.

接著再繼續(xù)提出問題：在你們看來，伽利略所說的加速的“原因”和減速的“原因”是什么？或者說，物體為什么會加速和減速？（學(xué)生答案：摩擦力）

待學(xué)生回答后，繼續(xù)問：既然如此，為什么伽利略不直接說由于摩擦力，而用“原因”來代替？難道說以前的人都想不到摩擦力（亞里士多德就已經(jīng)知道了，只是不這么叫）的存在嗎？為什么？

要想明白這個問題，那么就必須解決“力是什么”這一問題.在牛頓之前的人，普遍認為力是物體對與其相接觸的物體的推動作用.而我們眼中的力：物體與物體之間的相互作用.所以說在以前的人看來，要想接觸才能有力，而且力還必須是推動作用，但是現(xiàn)在，在我們看來，力可以存在于不相互接觸的物體之間，而且不僅僅是推動作用，也可以是阻礙作用.那為何之前的人想不到重力和摩擦力的存在？

2.2.3 牛頓的觀點

一切物體總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止——牛頓第一定律.

我們該如何來學(xué)習(xí)和理解這個牛頓力學(xué)的基本定律呢？正如我們之前搞清楚亞里士多德他們的觀點一樣，要先明白他們眼中的力是什么，因此我們就要先知道牛頓眼中的力是什么？

2.3 環(huán)節(jié)三 因果律與牛頓眼中的力

因果律，任何事物必有其原因，是經(jīng)典力學(xué)乃至經(jīng)典物理學(xué)建立的基礎(chǔ)，嚴格地根據(jù)因果律來建立牛頓第一定律，讓學(xué)生明白，物理學(xué)跟哲學(xué)有著很大的淵源，物理學(xué)的前身，便是自然哲學(xué).乃至當今，其實有很多的哲學(xué)思想都成為人們的固有思維模式，只是人們不知道而已.

舉個例子讓學(xué)生對因果律有個清楚的認識：老師可以先讓學(xué)生注意講臺旁邊的椅子（露出一半），然后踢椅子（學(xué)生看不到你在踢，被講臺擋著）.這時提問學(xué)生，你們看到了什么？

學(xué)生回答：老師踢了椅子.

老師：為什么你們會認為老師踢了椅子？你們明明看不到.

學(xué)生：因為椅子動了.

老師：這個時候其實你們就是默認了因果律的正確性，只是你們不知道而已，根據(jù)因果律，椅子之所以會動，那必然是有原因的，所以你們才會說是老師踢的.

牛頓眼中的力 通過假想的情景，結(jié)合因果律，得到物體運動狀態(tài)的改變必然有其原因，而在牛頓看來，不管這個原因具體是什么，反正只要你動了，你就是受到了力.

2.4 環(huán)節(jié)四 慣性（建立起牛頓第一定律的內(nèi)因）

給學(xué)生一個假想的情景：一個物體本來是靜止的，突然間它動了.那么，我們把這個情景改變一下.物體不再動了，它一直保持著靜止，那你們會想到什么？

既然在情景一的時候，你們對于物體會發(fā)出疑問，那么為什么物體不動就沒有疑問呢？

根據(jù)因果律，任何事物必有其原因，也就是說，物體為什么會保持靜止？這必然是有原因的，這原因是什么呢？

實際上，與其說原因是什么，還不如說我們實際上是給從情景中得到的原因下了定義.也就是說，我們將物體運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因稱之為力，而又將物體運動狀態(tài)保持不變的原因稱之為慣性.由于所有物體都具備慣性，故認為慣性是物體自身所具有的內(nèi)在性質(zhì)，故我們定義慣性為：物體所具有的運動狀態(tài)保持不變的性質(zhì).慣性質(zhì)量：慣性大小的度量，高中直接簡單稱其為質(zhì)量.

2.5 非慣性系與慣性力

按照我們所給的力的定義，我們發(fā)現(xiàn)，在一個加速的小車中，小車內(nèi)的物體將受到一個慣性力的作用.在中學(xué)物理中，慣性力不是力，因為沒有施力物.為了不使兩個結(jié)果發(fā)生沖突，我們很自然地限制了牛頓定律的適用范圍，即慣性系.也就是說，牛頓運動定律只適用于慣性系，而若想在非慣性系中使用，則需要考慮慣性力的存在.

3 結(jié)語

關(guān)于力與運動的關(guān)系的探討，從亞里士多德一直到牛頓，展現(xiàn)在學(xué)生眼中整個就是一場思維的盛宴，教師帶著學(xué)生重走歷史之路，讓他們自主建構(gòu)了物理知識，深刻認識了牛頓第一定律，同時又能感受到科學(xué)結(jié)論得出的艱難，領(lǐng)略科學(xué)思維的力量和美.因果律更是將學(xué)生所固有的基本的思維方式具體化，讓學(xué)生明白哲學(xué)并不是離我們很遙遠的東西，反而是你經(jīng)常在用的最基本的東西，只是很多人都不知道而已.本節(jié)課通過將物理學(xué)史、哲學(xué)、物理相結(jié)合，更能讓學(xué)生感受到物理的妙處，加深對物理的認識，才不會像很多學(xué)生所說的“我眼中的物理就是斜面+滑塊”，從而失去對物理的興趣.

參考文獻：

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[5]王玉亭.物理學(xué)史融入中學(xué)課堂教學(xué)的實踐研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2016.