發揮物理學史的思政功能 提升物理學育人價值
——以對中學課程中伽利略事跡的教學為例

方武增

[東莞中學松山湖學校(集團)東莞市第十三高級中學 廣東 東莞 523779]

習總書記指出:“教師不能只做傳授書本知識的教書匠,而要成為塑造學生品格、品行、品味的‘大先生’……”[1].為順應新時代發展的需求,思想政治教育已融入了各個學科之中,而中學物理課程本身已蘊含一些獨特的思政元素,如科學的世界觀、求真務實的人生觀、擔負社會責任的價值觀等,其中物理學史體現了人類探索和認識世界的歷程,從觀察現象、分析特性、總結規律到認識本質,它蘊含著科學的認識論和方法論,也包含著科學探索者的思索、創造與艱辛歷程等豐富的思政教育元素.

伽利略是近代科學的奠基人、近代物理學的奠基人、學術自由的烈士[2].他留下的大量思想充盈的著作則是物理學的啟蒙典籍,流傳于當世的著作部分內容以較合理的方式滲透于中學物理教材中.教材承載著傳遞人類文化的任務,而伽利略思想在中學物理教育中有著極其重要的地位,“伽利略元素”不僅涉及物理量的建立、物理規律的總結、物理定律的呈現,還涉及物理學啟蒙教育(現代物理學源頭)、研究方法(邏輯推理與實驗相結合的方法)、研究精神(批判精神與創新精神).研究將伽利略思想與物理教學有機結合,對于發揮物理學史的思政功能、提升物理學育人價值,具有深刻的意義.

1 現行中學物理課程中的伽利略

現行的中學物理課本,無論是初中物理還是高中物理,都將伽利略列為具有杰出貢獻的物理學家,筆者分別梳理了初中物理(2012人教版)課本及高中物理(2019人教版)課本中涉及伽利略的內容概要,分別如表1、表2所示.

表1 初中物理課本中的伽利略

表2 高中物理課本中的伽利略

對表1、表2進行分析,可以看出:

(1)伽利略均出現在初中物理、高中物理的首節課——序言中,且以物理賢哲形象出現.正如曹則賢研究員所說的:伽利略的著作是物理學的源頭,是近代科學的初始文獻.所以,伽利略的事跡及成就簡要放于初高中兩個學段課本的序言中,對激起學生學習物理興趣并愿更深入地學習科學知識有很好的指引作用.

(2)“斜面實驗”均為初高中兩個學段重點涉及的內容.“斜面實驗”實際是“牛頓第一定律”的前奏,前者實際是后者的科學史源.學習這些物理學史,有利于讓學生體會科學的研究方法并養成良好的科學思維習慣.

(3)高中相對初中所涉及的伽利略的成就覆蓋面更廣.初中涉及的是單擺周期研究、慣性定律;而高中涉及自由落體運動、慣性定律、天文學、熱力學,還關注到科學的研究方法,提及《關于兩個世界體系的對話》等著作、坎坷的科學生涯與當時社會的問題.這是在教育學生:做事情要做到認真嚴謹、實事求是并且講求邏輯,敬畏和尊重客觀規律;同時,在遇到困難的時候,仍保持理想信念,有正確的價值取向及社會責任意識.

2 拓展課程資源 滲透思政教育

教材作為最基本的課程資源,既是課程標準的具體體現,又是師之“教”與生之“學”的主要工具.但考慮到教材的篇幅限制,教材不可能把所有知識的背景及拓展知識全部呈現其中,特別是相關物理學史的內容.這就需要教師拓展課程資源,通過“高端備課”將物理教學與思政教育有機融合,將物理知識與方法更科學、更人文地傳授給學生,使課堂教學更有立體感.

2.1 歷史上自由落體實驗——辯證性地分析科學事跡

2.1.1 比薩斜塔實驗,兩球未必同時著地

在“自由落體運動”一節中,課本以比薩斜塔作為情景導入,如圖1所示,經實驗伽利略否定亞里士多德“重的物體下落得快”的論斷,伽利略認為重的物體與輕的物體應該下落得同樣快的觀點,加之許多學生受曾讀過的語文課本“斜塔上的實驗”的影響,對于比薩斜塔上重有差異的兩球“同時釋放”與“同時落地”更是深信不疑,但真實情況果真如此嗎?

圖1 比薩斜塔

據我國民國時期翻譯文獻 《伽利略傳》(1935年,商務印書局)記載:“彼之爭論中最著名成功事,即在著名批薩斜塔所行之事,依亞里士多德學說,落體之速度與其重成正比例,故百磅重之物降落較一磅重者快百倍.伽利略認為此說,只因空氣之阻力,隨物體之大小與形狀而改變,其實二物之降落率(相當于加速度)相等.斜塔之欄桿為試驗此說極便利之機會,伽利略做此實驗,其結果重者比輕者快二吋.”[3](1吋=1英寸=2.54厘米)由此可以看出,由于空氣阻力的存在,兩者并沒有同時著地,而且因實驗結果是“重者降落較快于輕者”,所以當時許多反對者仍以亞里士多德為勝.

當然,這一實驗的發生,相關文獻并無記載具體日期,而且許多版本源于維維安尼,但因維維安尼僅于其暮年最后數月始識伽利略,且其許多敘述出自于道聽途說(包括比薩斜塔實驗故事),未可確信.

2.1.2 玻意耳玻璃管實驗,后世人一直模仿

在伽利略逝世18年后(1660年),羅伯特·玻意耳(RobertBoyle)確做過類似的實驗:他先將一塊大理石和一根羽毛放入一根玻璃管內,并利用空氣泵,將玻璃管內的空氣抽出,如圖2所示.當將玻璃管上下顛倒時,可以觀察到大理石和一根羽毛幾乎同時落下.因為當時的實驗條件簡陋,尚不足將管內的空氣徹底抽出而達到絕對的真空,所以只能是幾乎同時,但玻意耳這個偉大的實驗,已足以證明伽利略理論的正確性:在同一地點,任何物體下落的速度在相同時間內增加幅度是一樣的.在現在的物理課堂上,用玻璃管演示自由落體運動的實驗(又稱牛頓管)如圖3所示,讓學生經歷類似于科學家們的探究過程.

圖2 玻意耳使用的空氣泵

(a)有空氣 (b)真空圖3 對比玻璃管內羽毛與鐵片的下落

2.2 “伽利略慣性定律”與“牛頓第一定律”之爭——體會科學論證

現行的中學物理課本,有這樣一句“牛頓第一定律也被叫作慣性定律”,很多的學生會“順理成章”地認為:慣性定律是牛頓首先提出來的定律.那真實情況是否如此呢?

據《科學概論》(1945年,商務印書館)記載:“《原理》一書乃古典力學之大憲章.力學三定律即為此書開宗明義之第一章.力學第一定律伽利略已道之,第三定律牛頓前亦已知之,惟第二定律乃其創獲.”[4]此處不難看出:伽利略先于牛頓發現慣性定律.另外《pssc物理(一)》(1978年,科學出版社)直接列出:伽利略慣性定律,當沒有力的作用于物體時,物體保持靜止或以恒定速度運動.而將大眾稱之為“牛頓第二定律”的,則寫為“牛頓運動定律”,似乎在告訴讀者,牛頓三大定律中,只有牛頓第二定律可以稱是“牛頓運動定律”.

伽利略的斜面實驗:在一個斜坡的對面放上第二個斜坡,小球從左側斜坡上滾下.如圖4所示,當對面坡的仰角為零(沒有坡給小球爬升)時,小球試圖達到初始下落時的高度,但這是徒勞的.最終是小球一直往前走,可得到結論:受外力合力為零的物體,保持原有的運動狀態不變.這就是慣性定律的發現.

圖4 現代人所做伽利略斜面實驗的頻閃照片

所以,從物理學史的角度分析來看,稱“伽利略慣性定律”更為準確.當然,雖然在伽利略的敘述中,“慣性”這個概念已“呼之欲出”,但他并未明確提出慣性,即未能給這一屬性起個“名字”(后來開普勒把物體這種對抗運動變化的趨勢稱為慣性).類似的情況還出現在伽利略在發現兩斜面上小球基本“等高”的規律時,當時由于尚無 “能量”這一詞匯,故伽利略也沒有提出“機械能守恒”這一專業的物理詞.

當然牛頓高明之處是將運動的三大定律構成一個整體.他學習先人的哲學著作,對傳統的時空觀進行深入研究,綜合了伽利略等人的發現,形成了自己獨特的思想[5].牛頓的傳世之作《自然哲學的數學原理》(以下簡稱《原理》)完成了物理學上一次大綜合,《原理》的開篇即總結了三大定律,如圖5所示,為1687年第一版《原理》的開篇.

圖5 1687年第一版《原理》

2.3 伽利略著作的艱難出版——體會真理傳播的曲折

1632年出版的《關于兩個世界體系的對話》,如圖6所示,及1638年出版的《兩種新科學的對話》,如圖7所示,兩部著作,是伽利略科學生涯(甚至對于科學發展史)中具有里程碑意義的著作.兩部著作均是以對話的體裁呈現,實際上,早在古希臘時,對話就是一種非常流行的教學方式,而討論雙方(或多方)通過對話中的相互質問并答辯,可以檢查自身的邏輯并重新審視自己的思想.

圖6 《關于兩個世界體系的對話》標題頁

圖7 《兩種新科學的對話》標題頁

《關于兩個世界體系的對話》一書,是以3位主角Salviati、Sagredo及Simplicio的對話形式出現,提出了各自對于自然哲學觀點及相關依據,此書內容豐富,不僅討論了世界體系的問題,還討論了伽利略相對論問題(直到1909年才被愛因斯坦追認為特定層面上的相對論).但1633 年伽利略被羅馬宗教裁判所判刑入獄,此書也被列為禁書,直至1835年才被解禁.

《兩種新科學的對話》一書,仍是以三位主角Salviati、Sagredo及Simplicio的對話形式出現,討論的主題是兩種新科學:物質結構、運動定律.內容涵蓋固體抗(resistenza)、物質結合的原因、勻速直線運動、變速運動、拋體運動及動力學內容,書中還涉及物理學研究方法.可以說,此書奠定了伽利略為近代力學之父的地位.

2.4 感悟科學的研究方法——培養創新思維

2.4.1 物理量的確立——人類對大自然的探索愈加深入

如果把完善和發展物理體系喻為建設一座摩天大樓,那么這些表達出研究對象的性質和行為的物理量,就是構成大廈的最小“磚塊”[6].而新物理量的確立,實則代表觀念的變化.古希臘先賢將哲學分為物理學(Physics)、倫理學(Ethics)、論理學(Logic),即物理屬于哲學,而許多的物理概念帶有明顯的哲學色彩,且深晦難懂、模糊不清,而伽利略等人則用位移、速度等一系列科學概念代替了之前自然哲學概念,使得物理表述更科學、更準確;而自16世紀末,伽利略制造了第一臺驗溫器(thermoscope,溫度計的前身),如圖8所示,并給溫度以定性的指示后,溫度就不再是一個主觀感覺,而成了一個客觀的物理量.盡管當時伽利略并未明確提出“慣性”這一表述及“機械能”等物理概念和物理量,但他的實驗也為后來的科學家提出相應的物理量做好了鋪墊.

圖8 伽利略驗溫器(當代復制品)

2.4.2 研究方法的創立——創造性思維的體現

大部分的物理規律都是通過艱辛而美妙的實驗得出來的,伽利略對運動學的貢獻,不僅是確立了許多用于描述運動的基本概念,更重要的是創造了一套科學的研究方法(將實驗、邏輯推理、數學演算三者和諧地結合起來).他通過斜面實驗得出了自由落體的運動規律,而在實際上是不可能實現的,但在思想上或者說邏輯上進行科學的推理是可以實現的,這就是所謂“理想斜面”,再由“理想斜面”實驗拓展變化,從而導致慣性定律的發現.伽利略這一創新性的研究方法極大促進了近代科學的發展.

2.5 感受伽利略的科學信仰——為學須先立志

高中教材中的“從伽利略的一生看科學與社會”講述了主人公坎坷的科學生涯,但當年環境實際情況比文中描述更加困難,每做一次科學實驗都是如履薄冰.伽利略的精神支柱是科學信仰,沒有這份信仰就沒有科學的精神與毅力.

當舊的觀念根深蒂固且無比強大時,若有新的“進化”言論出現,定會被認為是“不合理”的、“忤逆”的.伽利略有一種敢于打破“天經地義”和“自古如斯”的勇氣,能支配他走下去的精神支柱是對科學的信仰.

3 用好思政的“鹽” 講出物理的“味”

思政教育在物理教學中的滲透應該是“潤物細無聲”的,應該是以科學知識和方法作為載體,在總結物理規律的過程中,讓學生情感、意志等方面得到熏陶.而學生在“思政”與“物理”的交匯融合中不斷地汲取知識食糧而茁壯成長的過程,就是立德樹人的過程,也是教師幸福感與獲得感的源泉[7].

物理學史,是科學與人文之間的橋梁,物理學史以其特有的精神屬性,在學生的思想品德教育中,發揮著重要的作用[8].以物理學史教育作為思政教育與物理教學的“銜接點”,更貼近于“立德樹人”教育理念,更有利于塑造學生品格與品行,使學生形成正確的世界觀與社會責任感.