滲透物理學史教育 體現科學探究本質

陸良榮

(江蘇省吳江中等專業學校,江蘇 蘇州 215200)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》把“科學探究”列為物理學科核心素養的4個方面之一．物理學史是一部科學探究的歷史,其中包含了大量生動又形象的成功或失敗的探究案例.這使它可以成為開展探究教學培養學生核心素養的良好“抓手”．教師若能結合物理學史開展探究教學,不僅會使課堂更加生動更有內涵,而且能幫助學生更好地厘清探究本質,還可以更有針對性地培養學生的物理學科核心素養．對此,筆者結合自己的教學經驗,從知識建構、方法學習、思想滲透3個維度談一點管中之見,希冀拋磚引玉,得到同仁專家的批評指導．

1 滲透物理學史教育,夯實科學探究的根基——知識的建構

科學探究的過程同時也是學生知識建構的過程．物理知識是學生開展科學探究的根基,如果沒有知識的承載、鋪墊和支撐,只是為了“探究”而探究,那只能是假探究．

物理學史是一部知識史,它展示了包含概念、規律、定理、定律等物理知識的發生和發展的過程．滲透物理學史教育,既可以在教學中關注到學生的知識背景,也能促進學生的知識獲得．這樣的做法有助于學生運用所掌握的知識去探究未知事物,并在探究中逐漸獲得對知識的理解,最終獲得知識的增長．

1.1 滲透物理學史教育,為知識學習創設情景性

后現代知識觀認為任何知識都是某種情景下的局部知識,它由其所在的整個意義系統來表達．知識的學習離不開特定的境域．教學中滲透物理學史內容,創設與歷史上相似的情境,形成真切的探索氛圍,不僅可以引導學生認識科學發現與當時社會的重要事件的聯系,而且可以讓學生了解當時人類掌握科學知識的水平,還可以讓學生理解當時科學家們的知識狀況和見解．

教學案例: “電磁感應”的教學導入,教師呈現電磁學發展的階段性史實.

師：(展示伏打與伏打電堆的照片)意大利科學家伏打利用化學原理在1800年制造出伏打電堆,但是造價高、電流微弱．人們想:有沒有其他產生電流的方法呢?

師：(演示重現奧斯特實驗)丹麥物理學家奧斯特在1820年發現了“電流的磁效應”,打破了長期以來人們認為電與磁之間沒有聯系的觀念;不久,法國科學家安培提出右手螺旋定則,即電流周圍磁場的分布規律,使得對電磁聯系的研究更進一步．于是人們想:既然電能生磁,那么磁能生電嗎?

點評與思考: 教學導入時如果僅憑簡單的所謂逆向思維,直接由“電能生磁”提出“磁能生電嗎”的問題,并不符合認知規律．假如沒有相應的歷史背景作為支撐,學生也就不會清楚所學知識的“前因后果”,只會“照本宣科”而不是“融會貫通”這些知識,學習也會變得乏味．

物理學史提供了學習知識最本真的情境,幫助學生從注重科學知識本身的習得轉向歷史地、多維地審視科學的進程,按照科學發生、發展的本來面貌邏輯地展開科學課程的教學,有效促進學生對知識的理解．

1.2 滲透物理學史教育,為知識構建展顯過程性

教育重演論認為現代學生的學習是在認知意義上對人類文化發展過程的一種重演,即現代人的認知發展是對其前輩認知水平長期演化過程的濃縮．學習離不開認知的過程,不存在只有結果沒有過程的學習．學生不可能僅憑結果就構建起自己的知識網絡．借助物理學史,在較短時間內重演有關知識的形成過程．學生在這個過程中的“切身體會”可以有效地促進學生對相關知識的構建．

教學案例: 在“光的本性是什么”的教學中,可以將光的微粒說和波動說的發展歷程進行梳理并予以呈現:

(1) 古希臘“觸須”說——牛頓支持微粒說——光電效應實驗——愛因斯坦提出光子說.

(2) 惠更斯提出波動說——光的干涉、衍射實驗——菲涅耳建立波動理論(泊松亮斑)——麥克斯韋提出電磁說.

(3) 波動性與粒子性從對立走向統一——德布羅意提出物質波假說.

點評與思考:直接給出結論“光具有波粒二象性”的做法并沒有多少教育價值;反之,讓學生“經歷”人類對光本質認識的歷史過程,不僅有利于學生理解光的本質,還有助于學生認識真理的相對性．

教學中物理學史的滲透教育,可以幫助學生了解所學知識的形成或發展過程,客觀地認識相關理論．這個過程也是學生真正理解所學知識,建構自己知識網絡的過程．

1.3 滲透物理學史教育,為知識理解呈現發展性

后現代主義認為知識是人們對客觀世界的一種解釋、假設,它隨著人們認識程度的深入而不斷地改變,不斷地出現新的解釋和假設．利用物理學史,向學生展現知識的更新演化,會幫助學生認識到科學理論的相對真理性．在教學中對相關知識作必要的歷史回顧,可以引導學生思考課程內容,提出疑義或問題,從而開展批判性思維．

教學案例: 在“原子結構”的教學中,幫助學生梳理各種原子模型的成功之處與問題所在.見表1．

表1 原子結構的模型發展

點評與思考:湯姆孫、盧瑟福、玻爾等科學家研究原子結構的歷程,生動地告訴我們科學是“繼承—突破—再繼承—再突破”的曲折發展的歷程．

物理學理論既有大量未知因素等著去探索,也有許多對與錯和真與假的雙重因素需要去辯證．科學之所以發展總是因為后人突破了前人的功績,當然也不能因為后人取得了更高的成就而否定前人的功勞．

2 滲透物理學史教育,萃取科學探究的精華——方法的學習

科學方法是人們在探索未知世界的實踐中形成的思維方法和行為方式．物理學的發展歷程也是科學方法積淀并突破的過程．但是,一些教師還從探究的操作層面去理解科學方法,把探究的程序“問題、證據、解釋、交流”當成了科學方法.這樣做顯然不利于培養學生的學科核心素養．

滲透物理學史教學,把歷史上科學家開展探究時所用的科學方法展示給學生,有助于學生從中體會科學的精華,從而有利于學生掌握科學方法．

2.1 滲透物理學史教育,認識實驗在科學發展中的基礎作用

物理學的發展以實驗為基礎,物理學理論的產生或突破,都建立在實驗技術進步與思想發展的基礎上．歷史上科學家做過的實驗往往是教學中實驗的“原型”．這些“原型”除了包含豐富的物理知識之外還具備純粹的產生物理知識的方法,是對學生進行“科學方法”教育的重要素材．

教學案例： 在“劃時代的發現”的教學中,向學生介紹代表法拉第“突破”“領悟”“擴展”“運用”的4個遞進式實驗.

實驗1(突破): 介紹1831年8月29日法拉第在合上右邊開關的瞬間首次觀察到電磁感應現象．

實驗2(領悟):介紹讓法拉第通過實驗領悟到“磁生電”是一個在變化、運動的過程中才能出現的效應．

實驗3(擴展):介紹線圈與電流計構成的閉合回路,在條形磁鐵插入或拔出時觀察電流的變化情況．

實驗4(運用):介紹1831年10月28日法拉第展示的圓盤發電機．

點評與思考:教師可以選取歷史上的典型實驗向學生說明設計實驗的思想與方法,讓學生在知道這些實驗的重大歷史貢獻的同時感受物理實驗的科學魅力．

圖1 突破

圖2 領悟

圖3 擴展

圖4 運用

課堂上展示物理學家別具匠心的設計、精湛無比的技術、精巧奇妙的方法可以讓學生認識到實驗在理論的產生、發展和驗證過程中的決定性作用,從而讓學生深刻領會實驗在物理學中的地位和作用．

2.2 滲透物理學史教育,領悟方法在科學發展中的促進作用

科學方法在物理學發展過程中起著重要作用．物理規律的發現與突破,離不開科學的研究方法．教學中借鑒歷史上科學家成熟的研究方法來指導訓練學生,對其進行科學方法的教育,是幫助學生把握科學內涵、提升學科素養的重要途徑．

教學案例： 在“庫侖定律”的教學中,向學生介紹庫侖二分法.

兩個完全相同的金屬小球都不帶電,現將其中一個小球帶上電荷q,讓它與另一個不帶電的小球充分接觸后,兩個小球各帶上q/2的電荷．用相同的的方法可以得到q/2,q/4,q/8,…

點評與思考:庫侖二分法巧妙地用電荷量間的倍數關系替代了電荷量的定量測定．這種方法在教學中多次體現,比如在“電容器的電容”教學中,用類似方法來解決電量測量的問題．

科學方法往往蘊含在知識的背后．只有方法教育與學科內容相結合,才能讓學生理解其內涵．脫離了知識學習,純粹進行方法教育是空洞的,正如“皮之不存,毛將焉附”,學生也不能將方法應用于實際去解決問題．

2.3 滲透物理學史教育,學習思辨在科學發展中的批判作用

思辨能力是基于客觀事實和科學推理,對已有觀點和結論提出不同意見,通過檢驗和修正提出新的見解的能力．教師向學生講授科學的發展時,有必要把當時科學家的思想背景及受到的觀念束縛向學生介紹清楚.這樣能更好地展現科學家們質疑時無比的勇氣和釋疑時無比的智慧,從而取得重大發現的思辨歷程．

教學案例： 在“玻爾的原子模型”的教學中,教師在講解玻爾理論是如何成功地解釋氫原子光譜的同時也有必要向學生說明它的問題所在.

盧瑟福一開始就提出質疑:從一個能態跳到另一能態,電子怎么會事先就知道要往那里跳?

而薛定諤也稱之為“糟透的躍遷”:當電子發生軌道躍遷時,總是需要一段時間．但在這段時間里,電子已離開E1態而又未到達E2態,那時電子處在什么狀態呢?

點評與思考:如果沒有呈現這段歷史,學生會更關注理論的成功之處,而不會去思考它的局限性．這些歷程的展示會使學生思辨的靈性和智慧在懷疑和批判中得到提升．

顯然,展示科學問題的演化背景,可以示范性地教導學生思辨的一些方法．這樣做有利于培養學生不盲信盲從,敢于質疑敢于突破的品質．

3 滲透物理學史教育,觸及科學探究的靈魂——思想的升華

科學思想的發展伴隨著科學本身的發展．科學思想既是對知識的概括也是在方法上的提升,所以極具教育教學價值．科學思想應時時滲透在物理教學中,而不能看作是教學之外的附加品．

當前,探究教學中還存在著忽視培養學生科學思想的種種現象,這使得一些學生成為“缺乏思想”的人．教師如果能夠借助物理學史在教學中向學生滲透科學思想的教育,這必將發揮出更大的教學效益,從而提升學生核心素養．

3.1 滲透物理學史教育,變革學生物理觀念

物理學史是一部人類認識自然的基本觀念的演化史．物理學理論的每一次變革, 都以基本觀念的演變為先導．滲透物理學史,可以使學生在探究教學中習得新知識新理論的同時,更順當地轉變自己的思想觀念和思維方法,跨過理論變革的“門坎”．

教學案例： 在“能量量子化”的教學中,普朗克提出能量子假說并得出黑體輻射公式．

黑體輻射公式與實驗符合得很完美,卻讓普朗克感到非常的惶惑．因為他自己也覺得這個發現“要么是荒誕無稽的,要么也許是牛頓以來物理學最偉大的發現之一．”

后來,在愛因斯坦等科學家的推動下,量子力學得到快速發展,普朗克提出量子假說成為物理學的一個新紀元．

點評與思考:如果脫離了知識的歷史背景,那么學生是難以理解為什么量子假說在新物理學思想中具有那么高的地位．只有讓學生事先知道“能量連續變化的”這個傳統觀念,學生才能明白普朗克打破了傳統是多么“瘋狂”．

將一些歷史實例引入到教學中,這樣的做法有利于學生去理解物理學的理論變革與觀念轉變的一致性;也有利于學生去理解觀念上的突破是物理學向前發展的先導與基礎．學生只有變革觀念,才能認識新的物理世界．

3.2 滲透物理學史教育,培養學生科學情懷

物理學史上許多科學家的故事生動感人,特別是他們為追求真理百折不回的精神,對學生很具有教育意義．但在課堂上,教師卻往往會忽視對學生科學情懷的培養．倘若教師讓學生從歷史的節點出發,站在科學家的的角度,去對科學發展進行研究,會使學生對人生價值的追求產生深刻的影響．

教學案例： 在“電磁感應現象”的教學中,教師可以給學生補充這段歷史:

奧斯特發現“電生磁”后,法拉第等人受到啟示,并且堅信:磁也能生電．

法拉第經過長達10年的艱若探索,經歷了失敗困苦,終于揭示了“磁生電”的奧秘在于非穩定的“暫態效應”．

(教師展示第一臺發電機圖片)在法拉第發明圓盤發電機并作第一次演示時,一位貴婦人問道:“先生,這東西有什么用呢?”法拉第回答道:“夫人,一個新生的嬰兒又有什么用呢?”

后來,正是這“新生的嬰兒”成長為改變人類生活面貌的“巨人”,人類社會從此進入電氣化時代．

點評與思考:在教學中融入物理學史的有關內容,使學生體會伴隨科學家輝煌成就的是充滿矛盾與斗爭的艱辛歷程,并逐步培養學生的科學情懷.

物理學史中有很多素材展現了科學家們的科學理想、獻身精神以及高尚情操．利用這些素材能較好地培養學生堅持不懈、勇于創新的科學素養,達到既提高教學效率,又凝聚學生意志的效果．

3.3 滲透物理學史教育,凝聚學生人文精神

物理學中的人文精神具有獨特的魅力,它跨越國界,穿越時空,突破環境限制,直接引領我們觀念的轉變．教師通過物理學史的滲透教學,可以使學生直接感受科學大師的世界觀和人文精神,讓學生在接受科學教育的同時受到人文的熏陶．這樣做有利于加深學生對科學的本質、功能等的認識,也利于學生健全人格的培養．

教學案例： 在“核裂變”的教學中,教師可以向學生滲透STS教育.

1938年底,德國物理學家哈恩和斯特拉斯曼首次實現了鈾核裂變．一些科學家從這發現中預感到了原子彈的巨大威力．由于擔心納粹德國會利用這一發現來制造原子彈并危害世界,很多科學家焦慮萬分．愛因斯坦在1939年8月2日簽署了給美國總統羅斯福的著名信件,敦促美國要趕在德國之前造出原了彈．而二戰后,他又出于良知和社會責任感堅決反對使用原子彈,成為反核戰爭的積極分子．

點評與思考:以愛因斯坦為代表的科學家潛心科學研究的同時,竭力追求社會的和諧發展,他們是科學精神與人文精神相融合的楷模．

物理學史蘊含著獨特的精神價值．學生以物理學家為楷模,受其精神熏陶,并在學習中潛移默化,會逐步形成基本的科學道德,從而形成正確的人生觀和世界觀．

從物理學史中汲取科學探究的智慧,就是要從中梳理出符合學生認知規律的探究因素,而不是照搬歷史．科學家曾經的科學研究活動能夠為當下的探究教學提供幫助,讓學生在歷史情境中像科學家一樣經歷探究過程,并在學生探究困難之處提示科學家是如何克服這一困難的,引導學生反思科學探究本身．總之,物理學史既可以給人以知識,又可以給人以智慧．正如法國科學家朗之萬指出的:“在科學教育中,加入歷史的觀點是有百利而無一弊的．”