物理學史教育的現狀、價值及實踐路徑

孫龍周

(浦口區第三中學，江蘇 南京 211800)

1 引言

《義務教育物理課程標準(2011年版)》明確指出,義務教育物理課程應綜合反映人類在探索物質、相互作用和運動規律等過程中的成果．物理學不僅含有人類探索大自然的知識成果,而且含有探索者的科學思想、科學方法、科學態度和科學精神等．義務教育物理課程作為科學教育的組成部分,是以提高全體學生科學素養為目標的自然科學基礎課程．此階段的物理課程不僅要注重科學知識的傳授和技能的訓練,而且應注重對學生學習興趣、探究能力、創新意識以及科學態度、科學精神等方面的培養．由此可見,初中物理課堂教學不僅要關注知識與技能的落實,更要關注在知識形成過程中伴隨的科學方法、科學精神．教師可以通過物理學史進行有效滲透,從而激發學生對物理學科的持久興趣和探索世界的欲望．

1.1 物理學史教育的現狀分析

伴隨著新課程的實施,初中物理教師的教學理念得到了顯著提升,對物理學科的育人價值有了一定認識,但在實際教學時,對學科中可利用的物理學史知識缺乏系統把握,與教學的有效融合缺乏行之有效的操作策略．在對200位初中物理教師的問卷調查中發現,42%的教師認為在物理課堂教學中“非常有必要”滲透物理學史教育,58%的教師認為“有必要”,沒有教師認為“無所謂”或“沒有必要”,可見所有物理教師都覺得有必要在教學中滲透物理學史教育．在回答“你認為物理學史知識對學生學習物理知識有著怎樣的幫助”時,他們普遍認為這樣做可以激發學生的學習興趣,讓學生感受物理學的奇妙、領略物理學家的魅力,從而對物理學科產生感情,養成嚴謹創新的科學精神,還能讓學生形成正確的世界觀和價值觀．但是在他們日常的教學行為中,只有“18%”的教師“經常”會滲透物理學史的內容,大部分教師只是“偶爾”或“幾乎沒有”在課堂教學中滲透物理學史教育．在與勾選“經常”選項的教師深入交流后發現,他們所謂的經常滲透就是簡單介紹物理學家的生平,并沒有科學研究歷程的還原和科學精神、科學方法等方面的講解．調查數據還顯示,只有不到6%的教師表示自己會關注物理學史教育方面的研究,絕大部分教師不開展這方面的學習,更別談系統研究了．因為升學壓力大,對成績的過度關注與追求,導致了部分初中物理教師在課堂教學中更關注書本知識的落實與鞏固,而忽視了知識的來源及在社會生活、生產中的應用．另外,由于教師更愿意花大量時間去研究命題思路與解題方法、技巧,而忽視其他方面的學習,導致教師自身物理學史知識欠缺,再加上缺乏有效融合的策略,所以出現了教師對于物理課堂教學中是否應融入物理學史的教育存在知行分離的現象．

1.2 物理學史教育的價值分析

奧斯特瓦爾德在《精密科學的經典作家》一書中提到,雖然用現在的教授方法很成功地講授了在現今發展狀態中的科學知識,但是當前科學教育中的一個缺點,就是缺乏歷史感和缺少關于作為科學大廈基礎的一些重大研究的知識．物理學知識只有放在歷史長河中加以展開才會帶給學生震撼與觸動,才能讓知識的習得過程豐滿而生動．在初中物理課堂教學中有效融合物理學史的教育,可以體現以下幾個方面的價值:

(1) 有助于加深對基本概念、規律的理解與掌握.

物理概念和物理規律的形成過程不是一帆風順的,大都經歷過曲折的發展過程,而這些曲折或反復往往是這些概念、規律的重點或難點部分,在教學中進行必要的知識形成過程的介紹,有助于學生真正理解概念或規律．

例如,在“牛頓第一定律”的教學中,教師如果將亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓研究歷程完整地呈現給學生,他們就可以明白每一位科學家所處歷史時代的研究水平及知識的局限性,從而了解為什么先有“物體的運動需要力來維持”這樣的結論,而后又如何最終得出“力是改變物體運動狀態的原因”,進而真正理解“牛頓第一定律”的內涵．

再比如,在“電磁感應”的教學中,教師可以將瑞士物理學家科拉頓在1825年做的實驗補充介紹給學生,讓學生明白科拉頓當時已經接近“磁生電”這一重大發現的邊緣,但實驗的安排有問題,失去了觀察瞬時變化的良機．即使是法拉第,也是在經過了將近10年的不懈努力,多次實驗之后才最終發現了電磁感應現象．以上史料的補充介紹,不僅可以讓學生領會物理概念和物理規律的形成過程不是一帆風順的,大都經歷過曲折的發展過程,而且有助于學生真正理解電磁感應現象的產生條件．

(2) 有助于養成正確的科學態度和嚴謹的科學精神.

物理學的發展過程離不開一批又一批為了科學而不懈奮斗的物理學家,在課堂教學中若能結合對物理學家生平的介紹,可以讓學生在深切體會科學探索道路的艱辛之余,又能產生對物理學家的由衷敬佩和對知識的敬畏之情,從而養成正確的科學態度和嚴謹的科學精神．

例如,在“牛頓第一定律”的教學中,雖然亞里士多德的觀點最終被伽利略所推翻,但是作為教師應該引導學生去正視亞里士多德的研究背景:雖然他的觀點不正確,但是他卻是第一個嘗試研究物理學并提出“物理學”這一名稱的人,是古希臘文明集大成者,被恩格斯譽為最博學的人;他也是第一個認真思考力和運動之間關系的人,對后來者有很多啟迪;事實上整個經典力學的建立就是從對亞里士多德的理論的檢驗和批判開始的．從而讓學生學會用合理、公正、辯證的態度去評價物理學家．

此外,教師在“宇宙探秘”(蘇科版初中物理8年級下冊第7章第4節)一節內容教學時,可以補充介紹第谷和開普勒的貢獻．第谷(1546—1601)經過20多年的觀測,他測量各個行星角位置的誤差僅為2′,但是第谷不相信哥白尼的學說,認為地動思想是不能接受的．開普勒(1571—1630)作為第谷的助手,利用第谷的可靠數據證明了日心說的正確性,而開普勒第一和第二定律的發現,正是源自于開普勒對精確測量數據的追求．開普勒后來說:“8弧分也不能忽視,正是這一點,導致了天文學上的一場徹底革命”．開普勒三定律系統地總結了行星運行規律,使日心說與觀測結果更加符合,這是第谷和開普勒合作的成果,是精確、嚴謹的科學觀測與嚴密的數學推算相結合的典范.這些定律的發現對推動天文學和力學的發展起了非常關鍵的作用．這部分史料的補充介紹,可以幫助學生認識物理研究需要嚴謹的科學精神．

(3) 有助于培養學生發現問題的能力和質疑的能力.

在物理學發展的進程中,有許多史實表明,不局限于傳統理論和觀念,不迷信權威和書本,是科學創造的思想前提,物理學家的批判精神是促使物理學向前發展的動力．

例如,亞里士多德從日常經驗出發得出了一個結論:力是維持物體運動的原因．因為符合當時人們的認知水平以及被他所具有的權威身份所震懾,此后相當長的一段時間里這一結論被認為是真理．而大約2000年后,伽利略采用理想斜面實驗推翻了亞里士多德的觀點,提出:物體在水平面上做勻速直線運動時并不需要外力來維持．笛卡爾又在伽利略的基礎上進行了補充．最后,牛頓綜合前人的研究成果,最終形成了牛頓第一定律．然而,到了19世紀末,奧地利物理學家馬赫(1838—1936)在他的《力學史評》中深刻分析了牛頓力學的基本概念以及其反映的機械自然觀,作出了尖銳的批判,批駁了流行二三百年的機械自然觀,揭示了牛頓力學的局限性．愛因斯坦高度評價馬赫的批判精神,把他稱為“相對論的先驅．”

再比如,在“宇宙探秘”一節內容教學時,課本僅僅介紹哥白尼(1473—1543)質疑托勒密提出的統治人類思想1400多年的“地心說”,經過幾十年的研究,建立了一個嶄新的宇宙體系——“日心說”．在此基礎上,教師可以進一步補充介紹另一位意大利思想家布魯諾(約1548—1600),布魯諾是一位信奉和宣揚哥白尼體系而英勇獻身的科學殉道士．他堅持通過經驗和理性來獲得科學真理,提出“懷疑原則”來反對教會權威和神學教條．但他并不一味盲從哥白尼的學說,他最終拋棄了太陽是宇宙中心的觀點,認為宇宙是無限的,在太陽系之外還有無數的世界．通過上述史料的補充介紹,可以很好地鼓勵學生不能一味迷信權威和書本,要向哥白尼、布魯諾等人的批判精神學習．

(4) 有助于激發學生學習物理知識的興趣.

義務教育物理課程應當注重生產、生活實際與時代發展的聯系,應關注學生的認知特點,加強課程內容與學生生活以及現代社會和科技發展的聯系,關注技術應用帶來的社會進步和問題,培養學生的社會責任感和正確的世界觀．物理學家愛因斯坦也認為“興趣是最好的老師”,因此激發學生學習物理的興趣,并能使之長期保持,應是每一位物理教師課堂教學的追求．只有在學生真切感受到課堂中所學的物理知識有趣且有用時,學習興趣才能被激發并保持．在教學中,通過融合物理學史教育,讓學生了解物理知識的形成過程,進而關注這些知識在自己生活中的現實應用,乃至對整個社會進步所起的重要作用,讓學生深切感受到物理學知識的價值,最終激發學生學習物理知識的興趣．

例如,18世紀初在歐洲產業革命的推動下,出現了蒸汽機．而在蒸汽機的使用過程中人們迫切需要研究熱和功的關系,所以熱和機械功的相互關系就有了非常廣泛的研究,最終促成了熱力學理論的建立和發展．

再比如,正是由于“電磁感應”現象的發現和發電機的發明,人類逐步邁入了文明的電氣化時代．

(5) 有助于學生掌握物理學研究的基本方法.

在物理學發展過程中物理學史可以提供很多豐富的史料,將物理概念、規律的歷史發展過程展現給學生,有助于學生熟悉科學家發現規律的思維過程和研究方法,并從科學家嚴謹的科學態度和所獲得的成功中得到啟示．從長遠意義上講,學生掌握這些基本方法比學習物理知識、技能更為重要．由此可見,物理學史的有效融合可以對學生進行科學方法的教育．

例如,伽利略對“擺”的研究過程,不僅可以讓學生體會到擁有一雙善于觀察的眼睛的重要性,而且幫助他們養成善于觀察的習慣,成為機會所青睞的有準備的人,還可以讓學生學會“控制變量法”的思路及應用．又如在“牛頓第一定律”的教學中,在學生面前完整陳述相關的物理學史,可以讓他們更清晰地認識“理想實驗”這一在可靠實驗的基礎上融入科學推理的研究方法．

(6) 可以深化、拓展、提升物理教師的學科素養.

在對初中物理教師進行的問卷調查中發現,大部分教師沒有系統學習過物理學史知識,他們普遍反映自己在學習過程中沒有接觸過類似課程,自身物理學史知識的匱乏導致他們在日常教學中忽視對物理學史的融合教育．因此有必要讓教師對教學中融合物理學史的作用有明確的認知,從而促進他們積極、主動地學習物理學史知識,全面提升自身的學科素養,拓寬知識面．只有當教師真正為物理學知識的形成過程所震撼、為物理學家的人格魅力所折服時,他們的課堂教學才會不再只是單純的傳授知識,而是會在課堂中展現有血有肉的知識形成過程,讓學生真正領略到物理教師的美、物理課堂的美、物理學科的美．

1.3 物理學史教育的實踐路徑探討

(1) 通過物理學史的講解,幫助學生掌握科學方法.

在“光的色散現象”的學習中,學生要學習一種重要的研究方法——歸納法．教師可以在教學過程中,真實地再現牛頓對色散現象的思考研究過程,學生才會真正理解、掌握“歸納法”這一重要的物理研究方法．教師可以先向學生講解牛頓最初進行的“單棱鏡實驗”,再介紹接下來開展的“三個棱鏡實驗”(即判決性實驗),以及后來為了回應胡克等人的質疑所做的“扁長三棱鏡實驗”．教師通過上述史實的介紹,讓學生明白一個道理:牛頓所進行的光學研究是從實驗和觀察出發,進行歸納綜合,總結出一套完整的科學的理論．歸納法是科學研究的重要方法之一(當然不是唯一的方法),牛頓對色散的研究為后人樹立了光輝的樣板．

牛頓很善于總結科學研究方法,為了更好地幫助學生認識科學研究方法的重要性,教師可以引述牛頓本人論述自己方法時寫的一段話:“在自然科學里,應該像在數學里一樣,在研究困難的事物時,總是應當先用分析的方法,然后才用綜合的方法．這種分析方法包括做實驗和觀察,用歸納法去從中作出普遍結論,并且不使這些結論遭到異議,除非這些異議來自實驗或者其他可靠的真理方面．因為在實驗哲學中是不應該考慮什么假說的．雖然用歸納法從實驗和觀察中進行論證不能算是普遍的結論,但它是事物的本性所許可的最好的論證方法,并且隨著歸納的越為普遍,這種論證看來也越為有力．如果在許多現象中沒有出現例外,那么可以說,結論就是普遍的．但是如果以后在任何時候從實驗中發現了例外,那時就可以說明有這樣或那樣的例外存在．用這樣的分析方法,我們就可以從復合物論證到它們的成分,從運動到產生運動的力．一般地說,從結果到原因,從特殊原因到普遍原理,一直論證到最普遍的原因為止,這就是分析的方法;而綜合的方法則假定原因已經找到,并且已把它們立為原理,再用這些原理去解釋由它們發生的現象,并證明這些解釋的正確性．”

此外,在開展“牛頓第一定律”教學時,學生要學習另一種重要的物理研究方法——“理想實驗法”．教師也可以在教學過程中通過講解的方式,真實地還原“牛頓第一定律”的形成過程,學生才能更好地理解和掌握這種科學實驗加可靠推理的研究方法．

(2) 通過物理學史的講解,幫助學生養成正確的科學態度.

知識的發展、形成過程往往凝聚著幾代物理學家的心血,從不正確到完善到最終得出科學的結論,前后可能要經歷幾千年．有的物理學家由于身處時代的局限性等原因,可能得出了錯誤的結論,但是教師要通過有效地融合物理學史的講解方式,教會學生辯證地看待人或事物．

案例:牛頓第一定律(教學片段1).

教師:亞里士多德到底錯在哪里?使物體歸于靜止的真的是自然嗎?使物體往下落的真的是自然嗎?是重力!亞里士多德知不知道有摩擦力、有重力呢?他真的不知道．亞里士多德畢竟是2000多年前的人,當時人在自然面前太渺小了．由于自己的直觀經驗限制以及對自然的敬畏,他把人力和自然之力區分開來是非常正常的事情．他從來沒有想過人的推力和拉力跟自然的重力和摩擦力是同樣一種作用．所以完整地描述亞里士多德的觀點應該是這樣的:維持物體做非自然運動需要什么力?人力．其實并沒有什么錯誤．他是古希臘文明集大成者,被恩格斯譽為最博學的人;他也是第一個認真思考力和運動之間關系的人,對后來者有很多啟迪,事實上整個經典力學的建立就是從對亞里士多德的理論的檢驗和批判開始的．我們對待古人,應該用合理、公正、辯證的態度來評價他,而不是站在今天的角度,沿襲著2000多年來的知識積累去嘲笑古人,這是不公平的．但是我們也要知道,亞里士多德正是因為受到歷史的局限,過多地依賴自己的直觀經驗,所以他從過于明顯的線索中得出了錯誤的判斷,最終只是解釋了現象,卻沒有抓住規律．伽利略為什么能夠抓住規律?伽利略除了注重經驗事實,還注重了邏輯推理,只有把事實和推理相結合,才能像伽利略那樣抓住自然規律．

(3) 通過物理學史的講解,讓學生感受物理之美.

案例:牛頓第一定律(教學片段2).

教師:亞里士多德說:物體的運動需要力維持．伽利略說:物體運動不需要力來維持．笛卡爾說:力改變運動．所有這些研究在牛頓身上得到總結．1642年,伽利略在意大利逝世,同一年,一個嬰兒在英國的鄉村呱呱墜地,他就是智慧之光閃耀宇宙的牛頓!我們盡可以用一種浪漫主義的情懷來臆想這一奇妙的巧合．

雖然只是不經意的一句話,但是不得不說“我們盡可以用一種浪漫主義的情懷來臆想這一奇妙的巧合”.這句話從一位物理教師的口中這么自然地表達出來的確會讓學生為之心動．“浪漫”這一詞語似乎與物理教師無緣、與物理學科無關,曾經有人評價物理是一門冷冰冰的學科,但是如果我們都能用這樣的語言給學生講解物理學史,學生會感受到物理教師之美、物理課堂之美、物理學科之美,學生也肯定會不由自主地喜歡物理教師、喜愛物理課堂,進而熱愛物理學科．

(4) 通過對物理學史的介紹,實現物理學科的德育價值.

通過物理學史的介紹,讓學生了解物理學家的生平,可以培養學生熱愛科學、獻身科學的精神．物理學發展史上,有許多令人心酸、催人淚下的故事,讓學生對此有所了解,可以讓學生真正尊重知識、尊敬物理學家,在學科教學中實現德育功能．

例如,伽利略推翻了亞里士多德物理學方面的許多臆斷,奠定了經典力學的基礎,反駁了托勒密的地心體系,有力地支持了哥白尼的日心學說．他以系統的實驗和觀察推翻了純屬思辨傳統的自然觀,開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學．但是,他的觀點觸犯了教會的利益,1633年以“反對教皇、宣揚邪學”被羅馬宗教裁判所判處終生監禁,雙目逐漸失明,晚景凄涼．布魯諾也因為宣揚哥白尼的“日心說”沖擊了教會的教義,因而成了反動勢力的眼中釘,被處火刑,活活燒死．居里夫人,由于長期與放射性物質打交道,最后患白血病而逝世．利赫曼為了研究雷電,最后因雷電而捐軀．法拉第為了研究物理,最后舍棄富貴的生活而成為“平民法拉第”．物理學家這些可歌可泣的感人故事,能夠給學生帶來強烈的心理震撼,幫助他們樹立為科學奉獻的責任感和使命感．

再比如,1903年湯姆遜提出了棗糕式原子模型,1911年盧瑟福提出了核式結構原子模型,1912年玻爾建立了玻爾原子模型．在“探索更小的微粒” (蘇科版初中物理8年級下冊第7章第3節)的教學中,教師可以補充強調的史實是：盧瑟福是湯姆遜的學生,玻爾則是盧瑟福的學生,他們在物理學的研究過程中沒有一味的盲從自己老師的觀點,而是根據事實不斷提出自己的疑問、不斷自我學習、不斷自我反思、不斷實踐研究,最終解決問題,得出科學的論斷．通過這部分物理學史的學習,學生就能養成敢于質疑、敢于批判的科學態度,從而不斷提升自己獨立思考與判斷的能力．這樣融合物理學史教育的物理教學才會培養出適應社會發展需要的創新人才,從而實現物理學科的育人功能．

(5) 通過對物理學史的自主學習,提升學生終身學習的素養.

在物理課堂教學過程中教師可以通過講解物理學史相關內容,讓學生重溫艱辛但又充滿著喜悅與收獲的物理學發展歷程,讓學生們身臨其境般的置身于物理學史發展的原景中,被震撼、被感動．但是課堂教學時間是有限的,有的物理學史內容可以設計為讓學生自主學習的方式進行．學生通過查閱資料或利用網絡自主學習,課堂上主要進行學習成果的分享與交流.這種方式既可以培養學生主動獲取信息的能力,又可以養成分享、交流的合作意識,使他們學會學習．

例如,在學習“能量守恒定律”相關內容時,教師可以讓學生課前搜集歷史上各種“永動機”的設計方案,并用自己擅長的方式在課堂上予以呈現、分享．通過這種方式,不僅讓學生了解人類在利用能源的歷史進程中所經歷的一段曲折過程,同時加深對“能量守恒律”的理解和認同,也在此過程中提升了學生自主學習的能力．

2 結束語

初中物理教師是青少年成長過程中嚴格意義上的物理科學教育的啟蒙者,我們有責任、有義務通過物理學史的介紹,向學生講清楚,物理學的發展沒有平坦的大道,物理學發展的歷程所經歷的是一條非常曲折、非常艱難的道路．如果我們的教師在對學生進行教育的時候,長期堅持應用經過幾次消化了的材料來講授,或者經過抽象的理論分析加以表述,把已有的知識系統歸納,形成簡明扼要的理論體系,這當然有其必要性,但是這樣的教學方法,往往會使學生對物理概念的產生和發展、物理規律的形成過程產生誤解,以為什么結論都可以用數學推導出來,長此以往,漸漸失去了對觀察和實驗的興趣,進而失去了對物理這門學科的興趣．作為一名初中物理教師,我們不能讓孩子們在物理學習的啟蒙階段,就對物理學科失去了興趣,更不能等到學生進入高中階段不愿選修物理時,再和高中物理教師一起抱怨物理教師及物理學科地位的下降，而是應該積極地思考,如何進一步轉變自身的教育理念、改進我們的物理教育方式,在幫助學生提升物理思維品質的同時,更好的豐富學生的科學精神世界,讓學生喜歡物理、愛上物理.

中國著名物理學家錢三強同志曾經說過:“物理學發展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地．這塊寶地很值得我們去開墾,這些精神財富很值得我們去發掘．如果我們都能重視這塊寶地,把寶貴的精神財富發掘出來,從中吸取營養,獲得教益,我相信對我國的教育事業和人才培養都會是大有益處的．”如果說物理學的理論知識是骨架的話,那么物理學史就是附著在骨架上的血與肉．因此,在中學物理教學中,物理學史不應該是起點綴作用的裝飾品,而應該是物理教學過程中不可或缺的重要組成部分．希望更多的物理教育工作者能夠加入到物理學史這一寶貴的教育資源的開發與應用研究中來,為物理教學的改進助力、為孩子的終身發展奠基.