從物理學史的教學中培養學生的科學素養

蔣靜芳

(合肥市第三十二中學 安徽合肥 230001)

物理學史是物理學發展的歷史。在中學物理教學中，物理學史占有很重要的地位，學習物理知識的過程也是了解物理學史的過程。

合肥市2019年高二物理統考中有一題就考查了學生對于物理學史的認識：

有關物理學史，以下說法正確的是( )。

A.伽利略首創了將實驗和邏輯推理相結合的物理學研究方法；

B.卡文迪許通過庫侖扭秤實驗總結出點電荷間相互作用的規律；

C.法拉第不僅發現電磁感應現象，而且還總結出電磁感應規律；

D.開普勒在天文觀測數據的基礎上，總結出行星運動的規律并發現了萬有引力定律。

在參加考試的12163人中只有6625人選擇了正確答案A，有1633人選B，3497人選C，392人選D。這說明學生在學習物理知識的過程中對基本物理學史的認識是模糊的。新修訂的高中物理課程標準的基本理念之一，就是物理教學要體現物理學科本質，培養現代公民必備的核心素養，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面提煉學科育人價值，充分體現物理學科對提高學生核心素養的獨特作用，為學生終身發展、應對現代和未來社會發展的挑戰打下基礎。我從事了幾十年的中學物理教學工作，認真反思一下，認為學習物理知識對我們更重要的是，要建立科學思想、科學方法、科學探究的態度和責任感。我認為在高中物理教學中，介紹物理學史，能夠體現物理學科的本質，對培養學生的物理核心素養有獨特作用。

一、學習物理學史是建立物理觀念，培養科學思維的過程

物理學不僅以其物理概念、物理規律揭示了自然界基本運動的諸多真理，還在建立物理知識體系的過程中發展了科學思想方法和研究方法，推動了科學的進步。物理學的建立和發展，是伴隨物理觀念建立的過程，也是科學思維發展的過程。物理知識、物理觀念、科學思維對人類活動產生了深遠影響，是人類文化的重要組成部分。一代又一代的科學家為物理學的建立和發展做出了不懈的努力，物理學大廈的建立也是物理學家從事艱苦科學探究的成果。物理學的每一次重大成就，都改變了人們的自然觀和世界觀，成為人類思想和觀念進步的階梯。高中物理教材中提到了許多對物理學有突出貢獻的物理學家，著名的有牛頓、法拉第、伽利略、胡克、焦耳、安培、歐姆、庫侖、愛因斯坦、普朗克、湯姆孫、盧瑟福、麥克斯韋、赫茲等。如果說學習、理解、應用物理知識的過程就是建立物理觀念、培養科學思維的重要過程，那么重現物理學家對物理問題的研究歷史，就是建立物理觀念,吸收、滲透科學思維的過程。我們要知道物理學家對應的物理事件，知道他們在處理重大物理事件過程中是怎樣思考、探索問題的，了解他們的思想、處理問題的方式方法，這些是解大量習題不能替代的。例如，高中開始學習的力學知識，與人們的生活聯系密切。日常生活中的一些經驗會對正確的力學概念的建立產生嚴重的干擾，造成了力學難學的假象。如果我們花一點時間介紹力學的發展史，讓學生了解到，人們研究力與運動的關系經歷了兩千多年，經過復雜的提煉、簡化、復現、抽象等實驗和理論研究，最終從生產和生活現象中抽象出力學概念和規律。古希臘的亞里士多德對力與運動的直觀認識和闡述統治了人類認知世界兩千多年，直到伽利略開始定量研究落體運動、斜面實驗，人們才對力與運動有了科學的認識。伽利略在研究過程中創造性地把實驗和邏輯推理結合在一起，通過對現象的一般觀察，先提出假設，再運用數學和邏輯進行推理，然后進行實驗驗證，最后形成理論，這樣就構成了一整套的科學研究方法。伽利略開創了物理學科學研究方法。從伽利略推證落體定律再到牛頓運動定律建立的物理學發展過程中，這些科學先驅的最大功績，就是把科學觀念、科學思維和科學研究緊密地結合到一起，為力學的發展找到了一條正確的道路。

必修一第二章第六節介紹了伽利略對自由落體運動的研究，展現了他研究的過程和方法。必修二第六章萬有引力展現了萬有引力發現的科學過程，體現了哥白尼、第谷、開普勒、牛頓等科學家在發現萬有引力過程中的作用，表明了他們的科學觀念、科學思維、科學探究、科學精神。教材的編寫要求我們一線教師要認真學習并傳授物理學史，培養學生的科學素養。

二、學習物理學史是體驗物理探究，樹立科學態度與責任感的過程

科學探究過程是艱苦的，開普勒行星運動定律的建立過程，行星運動模型的建立、修正與發展的歷史正體現了這一點。丹麥天文學家第谷從1576年開始進行了長達20余年對天體運動的觀測和記錄。1600年2月3日，29歲的德國青年開普勒受邀來到第谷身邊擔任助手，直到1601年10月24日第谷去世，開普勒遵照第谷的遺囑對他多年積累的天文觀測資料繼續潛心研究十幾年。他非常珍惜第谷經過辛勤觀測獲得的寶貴資料，雖然當時的宇宙模型不能解釋第谷實際觀測的結果，但他堅信第谷的測量工作是嚴謹的。他利用了第谷的可靠數據首先證明了日心說的正確性，接著應用第谷觀測的火星數據，集中精力研究火星的運動軌道，他作了七十余次的計算，發現如果火星圍繞太陽運行的軌道是圓形的即勻速圓周運動，計算的結果與第谷的觀測數據有至少8′的角度偏差。他堅信，第一，天體的運動是有規律的，而且這些規律必定具有普遍性；第二，第谷的觀測數據是精確的、可信的。但為什么會出現8′的角度偏差呢？他第一次大膽地對人們長期以來視為真理的觀念——“天體在做完美的勻速圓周運動”表示懷疑，他放棄了圓形軌道，嘗試其他軌道，最終證明了火星是沿圍繞著太陽的橢圓軌道運行，太陽位于橢圓的一個焦點上。這就是開普勒第一定律。他把幾千個枯燥單調煩瑣的數據歸納成簡潔的幾句話，于1609年在《新天文學》一書中公布了開普勒第一定律、第二定律。開普勒繼續利用第谷觀測的數據對行星運動的規律進行深入的研究，本著宇宙應該是和諧的整體這一信念，利用各種方法探索各行星的公轉周期與它們的離太陽的平均距離的關系，又經歷九年的潛心研究，1618年發表了開普勒第三定律。

400年前的開普勒敢于擔當，有責任心，敢于探索的科學精神，正是當今學生學習的典范。學習開普勒的研究史，能夠培養學生實事求是、尊重客觀事實，不迷信權威、敢于堅持真理和勇于探究科學態度和科學精神。

出生于1791年的英國科學家法拉第是物理學史上杰出的物理學家，他對電磁學的貢獻是發現了電磁感應現象、光磁效應、電解定律和物質的抗磁性，在大量的實驗基礎上創建了力線的思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎。法拉第僅僅研究電磁感應現象就花費了十年的時間，從1820年丹麥物理學家奧斯特發現電流的磁效應開始，受電生磁的啟發，他就堅信磁一定能生電。在長達約十年的潛心實驗研究中，開展了大量的實驗，再三思考、總結和改進，終于在1831年8月29日在實驗中看到了磁生電現象，有了突破性的發現。他繼續做各種實驗，找磁生電的共性，在1831年11月24日向英國皇家學會報告可以產生感應電流的五類情況，以文字形式定性地表述了電磁感應現象。1845年德國物理學家紐曼從理論上導出電磁感應定律的定量表達式。

理論總是建立在大量實驗的基礎上，電磁感應現象發現、電磁感應定律建立的過程是物理學史重要的一部分。學生在學習的過程中，要通過體驗物理探究的過程，從電磁互轉中領悟科學思維，了解科學探索的艱難，樹立科學態度與責任心。

三、學習物理學史是引導學生積極思考，培養創新能力，實踐能力的過程

近代物理伴隨著大量的物理實驗以及新發現，例如湯姆孫對陰極射線的研究方法，就是利用學生學習過的電磁學知識解決問題的典范。從1890年開始，湯姆孫就帶領自己的學生研究陰極射線，他們根據放電管中陰極射線在電磁場和磁場作用下的運動軌跡確定陰極射線中粒子帶負電，并測出其荷質比。湯姆孫于1897年4月30日報告了電子的發現，證明電子是普遍存在的，進而提出了原子的棗糕式模型。湯姆孫的學生盧瑟福通過α粒子散射實驗發現原子棗糕式模型有缺陷，提出了原子核式結構模型。玻爾為了解釋氫原子光譜，又提出了原子的量子結構模型。

物理學發展史展現的過程，就是物理學家遇到問題積極思考、創新思維，通過科學的方法設計實驗、解決問題、科學探究的過程。學生通過學習物理學史，可以培養建構理想模型的意識和能力，從物理學的視角認識自然、理解自然，建構關于自然界的物理圖景；學會科學研究方法，養成科學思維習慣，增強創新意識和實踐能力，對學生有潛移默化的作用。

四、怎樣學習物理學史

物理學史的學習，雖然不是物理知識的學習，但應該是學生物理學習的一部分。過去我們認為物理學史的學習可以激發學生的學生興趣，可以加深對物理知識的理解。現在我們認為物理學史的學習，沿著物理學家的足跡重走科學探究歷程，可以引領學生體驗科學探究的過程，進一步促進學生物理核心素養的發展。科學上沒有平坦大道，科學經歷是非常艱難的，也是非常曲折的，學習物理學史可以掌握科學探究和科學思維的方法，形成尊重事實、敢于質疑、善于反思、勇于創新的科學態度，理解科學的本質，遵守科學倫理和道德規范，以德樹人。但是現在提供給中學生閱讀的物理學史的書籍很少，這就需要物理教師要廣泛地閱讀，積極地收集資料，教師要儲備豐富的物理學知識。物理學史的知識更應該進入中學物理學習的評價中。