談物理學史在物理教學中的運用

鄧宗茂

《普通高中物理課程標準》明確指出中學物理課程總目標是：“學習科學探究方法……發展好奇心與求知欲，發展科學探究興趣，有堅持真理、勇于創新、實事求是的科學態度與科學精神，有振興中華，將科學服務于人類的社會責任感。”下面結合本人多年教學實踐談談如何結合物理學發展史來實現以上物理課程目標，發揮物理課程在情感、態度和價值觀等方面的教育功能。

一、運用物理學史，培養學生學習興趣

愛因斯坦說：“熱愛是最好的老師。”許多物理學家之所以取得成就。是由于他們具有強烈的求知欲和濃厚的學習興趣。興趣是靠引導而逐漸形成的。在物理教學中，我講了一些物理學史的故事。例如，在講單擺知識時，介紹伽利略觀察教堂吊燈的晃動而發現了擺動的等時性，從而發明了擺鐘；在講光的色散知識時，演示了牛頓關于光的色散的實驗，當學生看到白光變成美麗的彩帶時，都驚訝不已；講浮力，談曹沖稱象和阿基米德稱皇冠的故事；講大氣壓強，講馬德堡半球的故事和為解決礦井抽水問題托里拆利所做的實驗。這樣的史實不僅能使學生對所學內容印象深刻，同時還會引發學習物理知識的興趣。樂于探索自然現象和日常生活中的物理學原理，樂于參與觀察、實驗、制作、調查等科學活動，增強將科學技術應用于日常生活、社會實踐的意識。

二、運用物理學史，培養學生愛國主義感情

中國是世界文明發達最早的國家之一，當歐洲處于中世紀黑夜時，在我國是從南北朝到明代，正是封建社會和科學技術的繁榮時期。物理學在中國有悠久的歷史，它在古代的成就曾對世界文化與科學的發展有著相當的影響。例如講物體重心時，我介紹了距今約六千年前的西安半坡出土的仰韶文化遺物中，以及在黃河兩岸地區都曾發現有的“欹器”，“虛則欹，中則正，滿則覆”的描述說明當時人們對物體的重心已有認識并加以應用；在講力學時談到戰國時期(公元前四世紀)的《墨經》中對力作出了“刑(形)之所以奮”的定義，對杠桿、輪軸和斜面作了分析，明確指出“衡，……長重者下，短輕者上”，這不僅考慮到力和重物的因素，而且考慮兩端與支點距離的因素，初步討論了物體平衡原理。

戰國時期墨家最偉大的成就在光學方面。《墨經》中以八條文字連續地記述了光學問題。它們依次序分別為：影子生成的道理；光線與影的關系；光線直線行進實驗；光反射特性：從物體與光源的相對地位確定影子大小；平面鏡的反射現象；凹面鏡的反射現象；凸面鏡的反射現象。晉代張華曾發現用梳子梳理頭發和解脫絲綢毛料衣服時的起電現象，他看到靜電閃光。聽到放電的噼啪聲。明代的都邛曾記述了一種絲綢的摩擦起電實驗：“吳綾出火，吳綾為裳，暗室中力持曳，以手摩之良久，火星直出”這些靜電現象在歐洲直到近代科學誕生的十七、十八世紀才被發現。春秋末期成書的《管子·他數編》，戰國時期的《鬼谷子》，戰國末期的《呂氏春秋》等，都記述到天然磁石及其吸鐵現象，記述了世界上最古老的指南針“司南”。

運用這些史料，教育學生增強民族自信心、自豪感和愛國熱情。

此外我還講述改革開放以來我國物理學的成就。如講到萬有引力與人造地球衛星時結合“神舟五號”、“神舟六號”載人航天事業的巨大發展，指出我國已經成為世界上第三個具備載人航天技術的航天大國。激勵學生學好物理知識，為祖國建設作貢獻。

三、運用物理學史，進行科學思想與方法教育

物理教學的任務之一是傳授前人已經獲得的理論知識。反映在現在教科書中的物理學理論，都是人們根據教學的需要經過多次編輯整理，形成的嚴密理論邏輯體系。教師在講授時，也往往只注意理論本身的邏輯結構，習慣于從少數幾個基本假設或定律出發運用數學方法推導出結論，這就掩蓋了科學認識由感性到理性。由現象到本質，由個別聯系到普通聯系的具體發展過程。這樣會使學生對這些知識的來源，理論體系的形成，感到深奧莫測，認為各個物理學概念，原理和定律的獲得都是一蹴而就的，只是歷史上那些智慧超人的科學偉人的“靈感”的創造，是歷史的巧合和偶然，是常人所不能及的。這樣的教學結果在學生身上就表現為長于演繹推理而短于歸納推理。對于以一般性結論為大前提、題設條件為小前提得出特殊情況下的結論的推理形式，學生有清晰的思路，但在歸納推理方面能力卻比較差。例如當問到。在力的分解中有哪幾種情況可以得出確定的解?在滿足什么條件時帶電粒子才是沿電場線運動的?面對這一類需要將若干情況和條件進行歸納對比，從而得出一般性結論的問題時，就連解題能力較強的學生也感到無從下手。

面對這一局面我在物理教學中力圖運用物理學史實來使學生明白：任何一點物理知識的獲得，都是一個動態的歷史的過程，都有一個從感性到理性，從低級到高級，從片面到全面的發展和演變過程，都是科學思想與方法的巧妙結合過程。就以萬有引力的發現為例。早在17世紀初，吉爾伯特、開普勒、伽利略等人都提出過天體間存在著引力的思想。1645年，法國天文學家布里阿爾德奧已提出了太陽對行星的引力和二者距離的平方成反比的假說。在牛頓正式提出萬有引力定律之前，1616年英國皇家學會已成立了一個專門委員會研究重力問題。羅伯特·胡克，克里斯托夫·雷恩和愛德索·哈雷等人在引力問題研究上都做出了重大貢獻。胡克已覺察到引力和地球上物體的重力有相同的本質；哈雷和雷恩也在1679年按照圓軌跡由開普勒第三定律和惠更斯的向心力公式證明作用于行星的引力與它們到太陽的距離平方成反比。牛頓是在研究和概括前人的成果，并在數學上對月球與地球間的引力與運動規律做了大量的檢驗工作之后。于1685年得到萬有引力定律的表達式的。所以，這個定律決不是像某些人說的那們。是牛頓從看到蘋果落地所得到的“頓悟”中突然產生的。這樣學生才會了解一個理論建立的實驗基礎，了解一種抽象模型所依據的實際原理，了解一種觀點和物理思想的演變，使學生在課堂上親身經歷一下物理學基本概念、原理和理論的產生，形成和發展的過程。這樣有助于消除學生對已有物理學知識來源的“偶然性”和“神秘感”，有效地進行科學思想與方法的教育，同時培養學生的思維能力。

四、運用物理學史，培養學生科學態度和科學精神

科學精神是人類科學文化的重要財富，也是民眾科學素養的重要組成部分。美國面向21世紀人才培養的“2061計劃”在《面向全體美國人的科學》一書中就將科學不仰仗權威作為美國基礎教育中科學世界觀的構成要素：我國正在進行的新一輪高中課程改革也明確將科學態度與科學精神列為科學教育的重要目標。其目的就是要使科學教育超越公式與符號，使學生成為真正具有科學素養的人。科學精神與科學知識、科學方法一樣，是構成科學素養不可缺少的要素；也是當前科學教育最缺少，而又是人們最需要的素養。

教學中滲透科學史的知識，有助于培養學生對科學的正確認識，有助于學生創新意識的培養，有助于學生理性懷疑意識的建立和批判精神形成。

1909年盧瑟福在做a粒子散射實驗時發現大約有八千分之一的a粒子發生超過90°的大角度散射。盧瑟福后來提起這件事時說：“這是我一生中最不可思議的事件，這就是您對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反彈回來的炮彈擊中一樣的不可思議。”這促使盧瑟福去思考他的老師湯姆生原子模型的正確與否這一問題。本來，湯姆生為a散射建立了一個多次碰撞的理論，可以解釋大角度散射。由于a粒子比電子的質量大得多。因而兩者多次碰撞幾率趨于零。而實驗結果卻是八千分之一這是一個極大的矛盾。

一邊是恩師的理論，一邊是千真萬確的實驗結果，盧瑟福陷入了極其矛盾的境地，經過長時間的思考，1910年底，盧瑟福終于做出決斷，放棄湯姆生模型，承認原子有核，從而建立了原子核式結構模型，為原子物理和核物理奠定了最主要的基礎。

批判精神的核心是懷疑精神，表現為不迷信權威，不迷信書本，堅持真理。哈佛大學的校訓是“以柏拉圖為友，以亞里士多德為友，更要以真理為友”；亞里士多德的名言：“吾愛吾師，吾更愛真理”，都是批判精神的寫照。物理學的發展史就是一部反思、懷疑、批判、求真、求美、求新的科學史。從光的微粒說。波動說到波粒二象性和光子說；從古典力學到相對論力學；從熱質說，熱力學到能量說；愛因斯坦與玻爾之間就量子力學是否完備發生的長期爭論等，都是讓學生體悟批判精神的生動素材，對物理學史的閱讀、聽講、討論本身就是一種培養批判精神的過程。通過對批判精神的培養逐步形成判斷大眾傳媒是否符合科學規律的初步意識。

當然，物理課不必堂堂講史。講史必須適逢其時，恰到好處，畫龍點睛，其關鍵在于講史和講知識、講方法水乳交融。使學生在學習物理的同時受到相信科學、熱愛科學的教育，使學生獲得基礎知識與基本技能的過程同時成為形成正確價值觀的過程。在學習知識的同時潛移默化地受到辯證唯物主義教育，培養了實事求是的科學態度與嚴謹的科學作風，以及愛國主義情操。