應用物理學史進行探究性教學的實踐研究

張展敏

物理學史集中體現了人類追求、探索和逐步認識客觀物質世界的現象、特性、規律的歷程，它包含著認識論和方法論，包含著探索者的艱辛與歡喜，包含著無數物理學家洞察世事的傳奇經歷，又體現著認識過程中的理論與實踐、繼承與突破、理性與非理性的辯證統一，因此蘊含著豐富的教育因素。但由于應試教育和對探究性教學理解的偏差等因素的影響，實際教學中并沒有充分挖掘和利用這些因素。本文根據教學實踐，試圖對當前高中物理課堂教學中應用物理學史進行探究性教學存在的問題進行簡要的分析探討，以期拋磚引玉。

一、 運用物理學史進行探究性教學存在的問題

第一，探究的機械化。探究式教學是在教師的啟發誘導下，以學生獨立自主學習和合作討論為前提，以現行教材為基本探究內容，以學生周圍世界和生活實際為參照對象，為學生提供自由表達、質疑、探究、討論問題的機會，讓學生通過個人、小組、集體等多種解難釋疑活動，將自己所學知識應用于解決實際問題的一種教學形式。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。不少教師以為這就是探究性教學的環節，可以不考慮教學內容的特殊性，不考慮學生的認知水平、知識基礎、性格特征等因素，按照上述順序進行就可以了。但這不符合探究性教學的旨意，因為“要素”不等于“環節”。很多教師認為，實驗是物理學的基礎，課堂上沒有實驗的設計和驗證，就不是真正意義上的探究性教學，而物理學家們所做的很多實驗沒法在課堂上實現，所以物理學史的探究式教學是無法進行的。筆者認為，探究的魂是獨立思考，探究實踐，只要能體現探究精神，哪怕只有一個要素，也屬于探究性教學，因為它提高了學生的科學素養。例如氫原子模型的教學，課堂上不可能讓學生設計實驗和進行實驗，但可以讓學生回到波爾時代，了解時代背景材料，即湯姆生的“棗糕式”模型和盧瑟福的核式結構模型，以及當時的困惑，即氫原子的光譜問題和原子內電子繞核運動經典解析遇到的矛盾，提出科學猜想，然后分析論證，提出合理模型，進行科學解析，這一過程其實就是很好的探究過程。

第二，重證實輕證偽。從科學發展歷程來看，證實和證偽是科學發現的兩種方法。教材呈現給學生的是嚴謹無誤的定理定律，因此在教學過程中，教師往往以其學業在先、學術專攻的優勢，很快踢除那些他們認為是完全錯誤的假設，讓猜想得到證實。但是科學的歷程本身就充滿著失敗和曲折，科學家們也會犯很幼稚的錯誤，因而在探究教學過程中，應該適當選取學生錯誤的猜想，逐步推理排除錯誤，這樣既能起到糾正錯誤的目的，又能讓學生認識到科學探究并不是一帆風順的。

二、 運用物理學史進行探究性教學的實踐

根據高中物理學史特點、學生心理特點以及科學發現方法論，可以把物理學史探究式課堂分為：實驗探究模式，即提出問題——猜想——實驗——論證；理論探究模式，即提出問題——理論探究（建立假說）——實驗驗證。實驗探究模式主要是把物理學家曾經做過的實驗引入課堂，如落體速度的變化、電磁感應定律等。實際教學中，這種模式應用得較多。有不少的定理定律沒辦法用實驗進行探究，如萬有引力定律、波爾理論等，對于這些內容，如何進行探究性教學呢？筆者嘗試應用理論探究模式進行教學，收到了意想不到的效果。

以下是萬有引力定律探究式教學的設計和分析（本課例參加全區錄像課比賽獲一等獎）。

對于萬有引力定律教學，由于學生不易猜想到物體之間的引力與距離成平方反比關系，更無法用實驗驗證猜想，如果根據常用的實驗探究模式進行，教學將無法進行。我們不妨帶領學生回到牛頓時代，了解時代背景知識，進行理論探究，讓學生自己推導出萬有引力定律。

問題一：時光倒流到公元1670年，最近牛頓很煩，蘋果受地球引力作用而下落，月球也應該受地球的引力作用，但為什么不會掉下呢？為了研究這些問題，牛頓查找了相關的資料。

資料一：德國天文學家開普勒對弟谷的天文觀察資料進行研究，在1609年和1619年分別總結出行星運動的三大定律——軌道定律、面積定律和周期定律，即：所有行星分別是在大小不同的橢圓軌道上運行；在同樣的時間里行星向徑在軌道平面上所掃過的面積相等；行星公轉周期的平方與它同太陽距離的立方成正比。

資料二：意大利科學家伽利略在1638年出版的《關于兩門新科學的對話》中，根據斜面實驗得出結論：“一個運動的物體，假如有了某種速度以后，只要沒有增加或減小速度的外部原因，便會始終保持這種速度。”

資料三：荷蘭科學家惠更斯在1658年出版的《擺鐘論》提出，一個做圓周運動的物體具有飛離中心的傾向，它向中心施加的向心力與速度的平方成正比，與運動半徑成反比。

資料四：牛頓自己已經利用數學知識證明天體中橢圓運動周期與其半長軸為半徑的圓的周期相同，并提出了牛頓第三定律。

設計意圖：通過前期對運動知識的介紹，讓學生如親臨奇境一樣，感受人類對運動研究有多么的困難，深刻體驗牛頓的至理名言——如果說我看得比別人更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。這一教學過程實現了“情感態度和價值觀”的目標，也為后階段的科學探究作好知識儲備，激發學生的探究欲望。讓學生體驗科學研究過程中查找資料的重要性，實現“過程與方法”的教學目標。

在誤差范圍內這兩種方法求得的向心加速度相同。

設計意圖：當學生通過兩種不同的方法得出相同的月球繞地球做圓周運動的向心加速度時，興奮不已，體驗到了邏輯思維的魅力，學生親身經歷了科學探究的提出問題、理論探究、實驗驗證等環節，在學到知識的同時，掌握了獲取知識的方法，實現了“知識與技能，過程與方法”的教學目標。

綜上所述，物理學的發展規律與人的認知規律具有一致性，人類的科學發現過程也是學生在課堂上的學習過程，物理學史上最糾纏不清的問題往往就是學生難以理解的困惑之處，物理學史可以為教師把握好學生的認知規律提供很好的借鑒作用。著名物理學家錢三強指出：物理學史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，這塊寶地值得我們去開墾，這些精神財富值得我們去發掘。應用理論探究模式把物理學史融入探究性課堂上，是實現新課程三維目標的有效方法，對提高學生的科學素養和綜合素質有積極作用。

（責任編輯易志毅）