在中學物理課程中物理學史的探究式教學

張前軍

(沭陽高級中學 江蘇沭陽 223600)

1 引言

參加我市物理教師創新大賽已過一年有余，筆者參賽的課題為“玻爾的原子模型”．賽前誠惶誠恐的準備、賽中學生出乎意料的表現、賽后筆者僥幸獲一等獎的愜意，都始終無法忘懷．早覺得有寫一些反思文章的必要，但卻不知從何寫起，因為筆者對當時為什么選擇物理學史的內容作為創新大賽的課題一直疑惑不解．

近期了解到命題人對此的解釋是:創新教學比賽不僅是參賽教師的事，也是命題教師的事．如果選擇含有實驗內容的課題，大家都很容易按已經為大家所熟知的“提出問題、猜想與假設、設計實驗和進行實驗(收集證據)、分析論證、評估、交流與合作”的模式進行探究式教學，雖然這樣很容易體現新課標的要求，但它體現不了參賽教師的創新水平．而選擇物理學史的內容作為創新教學課題更能讓大家進行有差異的體現新課標要求的創新教學設計．聽完解釋后我豁然開朗，并以此作引言談一談筆者對新課標下的高中物理課中物理學史探究式教學認識的轉變．

2 物理學史探究式教學的現狀

為了突出高中物理的主干知識，也為了減輕學

另一方面，更主要的是新課程十分重視教學中的科學探究．在必修模塊和不以物理學史為主要內容的選修模塊教材內容都是按新課程要求進行了大幅度變革，強迫教師進行探究式教學，才能與教材內容設置相一致．而在以物理學史為主要內容的教材編排設計就沒有這種“強迫”的特征，教師以傳統方法進行教學也能與教材內容相統一;但用探究式教生的學業負擔，新課程對高中物理內容設置分成必修和選修模塊．

江蘇省高考要求對選修模塊中的3－3，3－4和3－5三個非主干知識模塊只選擇其中的任意兩個即可．三個模塊在高考中的問題難度相當，這必然導致這三個模塊內容考的都比較簡單;而以物理光學和原子物理等為主要內容的物理學史內容主要放在選修3－4，3－5系列中．

一方面，受現行高考指揮棒的影響，教師在這些內容的實際教學中很少關注過程與方法、情感態度與價值觀目標的達成情況．應試教育下注重基本知識的教學特征在物理學史內容教學中還是非常突出的．畢竟物理學史的基本知識較少，在實際教學中要么是教師一講到底，突出基本知識;要么從形式上以學生為主，先讓學生自我閱讀，然后教師對基本知識進行解釋．甚至，因為對其他主干模塊知識用時太多，教師對物理學史內容進行濃縮教學，一課時能上幾節內容．學卻不知從何下手．

綜合以上幾個原因，在新課標要求下的物理學史內容就變成了教學中的“雞肋”．

3 物理學史探究式教學的認識誤區

教育理論和教學實踐表明，學生認知的過程符合“重演論”．物理學史記述了重大物理實驗和理論的發生、發展過程，描述了有重要影響的物理學家的思維過程．學生只有“親歷”物理學的發展過程，才會徹底掌握物理知識和科學方法．同時，物理學史再現了科學家們克服種種阻力與困難作斗爭、與傳統觀念作斗爭的過程，有利于培養學生形成正確的人生觀、世界觀．因此，物理學史內容的教學具有實現新課程三維目標的功能．但是對于一線教師而言，目前最大的困惑在于如何對物理學史內容進行探究式的教學，以實現“體驗科學探究過程，了解科學研究方法”這一目標．

為什么會有這樣的困惑?其原因在于我們對新課標中科學探究要求的誤解．新課標指出科學探究包含的要素有:提出問題、猜想與假設、設計實驗和進行實驗(收集證據)、分析論證、評估、交流與合作．在受到先期能體現科學探究全部要素的必修內容教學的影響下，再加上對新課程誠惶誠恐的初淺認識，教師對科學探究的要求產生了誤解:探究式教學過程中必須要體現科學探究的全部要素．顯然，在物理學史教學中是不容易實施這樣的探究式教學的．

其實，新課標中指出的科學探究的幾個“要素”不等同于“環節”．一個過程缺少必要的環節就會中斷，而新課標中指出的要素是科學探究的標志，一個具體的教學過程只要具有這樣一兩個要素，它就有了探究性．這也就是說，教學中的科學探究不一定是“完整”的．

另外，科學探究的學習有兩個方面含義:一方面是教師引導學生在自己的探究活動中學習怎樣進行科學探究，另一方面是教師引導學生研究前輩科學家的工作過程學習科學探究．新課程中物理學史的內容恰恰也就基于這后一方面考慮而進行設置的．這樣不僅有助于師生改變頭腦中關于科學探究的直接檢驗假設或探究必須親手做實驗的簡單化的模式，更有利于師生形成科學的探究觀，防止形成那種一步一個實驗，學到的所有規律都要由實驗直接驗證(甚至都要由實驗歸納出來)的形式主義科學探究的做法．

綜上所述，科學探究是一種精神，它應該貫穿于整個學習過程．教師要想盡一切方法調動學生探求新知識、構建新方法的積極性，而不是讓學生被動地吸收知識，這樣也就體現了新課程的探究精神．

4 物理學史探究式教學的可行性

愛因斯坦說:“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”．科學探究的第一要素是提出問題．由此可以看出提出問題在科學探究中的重要地位．在物理學史教學中最難把握的也就是“提出問題”這個要素．若由學生提出問題，則會五花八門;有的雖然有意義，但未必與教學發展方向一致．因此，多數問題還是要由教師提出．但在物理學史的教學中教師提出有探究價值的問題也比較難，一方面是因為學習的內容是已經發生過的歷史，若提的問題太淺，大家都知道;另一方面，教材中的物理學史是關注有重要影響史實的濃縮化的歷史，若提的問題太深，大家都不會;甚至有些物理學新理論的初期建立全憑物理學家敏銳的洞察力和思維直覺，談不上為什么之類的問題．那么，在物理學史教學中怎樣才能提出有效的問題呢?

筆者認為，物理學史中重要理論和實驗的產生有其歷史發展的必然性;在對這種必然性以及理論與實驗的科學性的分析過程其實就是一種非常可行的科學探究過程．在探究的過程中，科學猜想是最活躍的因素，他的提出往往是由于某些事物的啟發，教師要充分利用史料創設探究式教學的問題情境，鼓勵學生大膽猜測分析，從中體驗科學探究過程，構建科學研究的方法．

另外，由于多媒體具有將文字、圖像、聲音、動畫有機結合，易于激發學生興趣以及傳輸信息量大，操作的可重復性等特點，因此，在物理學史內容的教學中通常要利用多媒體等形式再現歷史上物理學家對當時的科研難題的解決過程以及重要的實驗過程，或者把難以理解的重要理論用模擬動畫等形式展示出，營造研究物理學史的氛圍．另外，在歷史上重大理論、實驗誕生過程中受到許多因素的先后影響;利用多媒體課件可操作的重復性特征，可以將問題呈現具有科學的層次性，忠實于歷史發展的過程．總之，利用多媒體手段是上好探究式物理學史課的重要途徑．

5 物理學史探究式教學的案例分析

以下是“玻爾的原子模型”教學片段的探究式教學設計及分析．

片段一:玻爾理論產生的必然性探究

背景介紹:1898年湯姆孫建立了原子的“棗糕式”模型．1911年盧瑟福建立了原子的核式結構模型．而在盧瑟福時代已知的原子事實是:原子是穩定的，原子光譜是分立的．1885年巴耳末已經觀察到了氫原子的一組分立的譜線且滿足

式中λ是譜線的波長，R是一常量．而按經典理論分析得到的原子現象卻是:原子是不穩定的、原子光譜是連續的．

設計意圖:通過對前期學習的原子模型建立過程介紹，由此突顯人類建立原子模型過程是多么的困難，以致讓英國劇作家蕭伯納都說:“科學總是從正確走向錯誤”，從而實現“情感態度與價值觀”這一目標．突出經典理論下原子核式結構模型的困惑，由此作為鋪墊引出玻爾理論產生的歷史必然性分析．

(1)是原子核式結構本身存在問題?(不是，它有α粒子散射實驗支撐)

(2)是原子穩定性和光譜分立性存在了問題?(不是，它是客觀存在的事實)

(3)還是經典理論在原子領域不適用了?(是的，它是困惑存在的唯一合理解釋．)

(4)新原子理論必須滿足的要求:保留已經取得的成功之處，消除困惑之處，能解釋已知的事實．具體的要求有哪些呢?(保留核式結構、能解釋原子的穩定性和光譜的分立性、不同于經典理論，暫時應表達成假設)

(5)假如我們就處在盧瑟福建立核式結構的那個時代，前一階段學習過程中哪些科學家不同于經典的新觀念可以給我們以啟發呢?(1900年普朗克把能量子引入物理學，破除了“能量連續變化”的傳統觀念，成功地解釋了黑體輻射能譜分布規律．1905年愛因斯坦提出了光本身由就是一個個不可分割的能量子組成的，建立了光子新概念，成功解釋了光電效應現象)

設計意圖:通過設置對原子核式模型存在困惑的梯度問題分析突顯建立新理論的過程也就是對理論聯系實際分析中進行去偽存真的過程，從中得出建立新理論的科學方法，以此培養學生形成科學的探究過程觀:提出問題—分析論證—實現“過程與方法”這一目標．

片段二:玻爾原子理論的科學性探究

(1)軌道量子化與定態假設能解決原子核式結構模型存在兩個困惑中的哪一個困惑?(原子穩定性的困惑)

(2)頻率條件假設能解決原子核式結構模型存在兩個困惑中的哪一個困惑?(原子光譜分立性的困惑)

(3)玻爾理論非常成功地解釋了氫原子的巴耳末系光譜是氫原子從高能級躍遷到第2能級產生的，氫原子從高能級躍遷到第2能級發出巴耳末系光．你能想象出原子是否還會發出其他系列的光呢?(還可以從高能級躍遷到第1能級、第3能級等能級產生相應系列的光)

教師總結:假若 ×××同學能夠測出這些譜線的存在，這個譜該叫什么名稱呢?我想也應該叫×××系譜線．有點遺憾，同學們生不逢時，這些氫原子譜線被賴曼(19914年)、帕邢(1908年)、布喇開(1922年)、普豐特(1924年)等人發現(多媒體展示氫原能級躍遷發光圖)．我們有與這些大師一樣的想法、一樣的智慧．但為什么發現它們比巴耳末系譜線遲了好多年呢?通過計算知道，這些譜線系都在非可見光區，不如可見光區的巴耳末譜線系更容易發現．

設計意圖:新理論的科學性分析不僅簡單體現在對已知現象的正確解釋，更應體現在從新理論角度指導探究(后來被證實的)未知領域．實現“知識與技能”、“過程與方法”這兩目標．

在教學實踐中筆者深深地感受到探究式教學下的物理學史內容是實現新課程三維目標的絕好教材;它不僅能同時實現課程目標的三維要求，而且能使其融合成一個完美的整體．

1 張大昌．從物理課程看科學探究．中學物理教學參考，2006

2 苗元秀．課程標準高中物理教科書(人教版)選修3－5編寫思想．中學物理教學參考，2007