滲透物理學史 發展質疑創新

張雯婷 林秀敏 陳志華

摘 ? 要：質疑創新是科學思維的重要組成部分，是學生應具備的關鍵能力之一。文章基于質疑創新的5個層次水平，嘗試著在教學中將合適的物理學史滲透進相應的教學內容，逐級培養和發展學生的質疑創新能力，使學生具備良好的物理學科核心素養。

關鍵詞：物理學史；質疑創新；物理教學

引言

質疑創新是科學思維的必備要件之一，《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》認為 “質疑創新是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力和品格”，并把質疑創新依據其質量性質劃分為五個水平（見表1），對質疑創新能力的要求逐級提高。

為了更好地培養學生的質疑創新能力，許多學者紛紛研究其培養途徑和培養策略。沈偉云基于物理教材，提出從辨析前概念、學習物理學史、拓展科學探究和改進物理實驗四個角度來發展學生的質疑創新能力[ 1 ]；居津基于科學思維的五個水平序化物理課堂，在探究實驗中發展質疑創新[ 2 ]；段祝霞提出在物理習題教學中抓住學生錯誤的契機，教授質疑方法，在探究錯誤中培養反思能力，進而提升質疑創新能力[ 3 ]；陶永杰等人以章末練習為例，在探究物理問題中體會數學模型和思想，學會從多個角度思考問題，提升質疑創新能力[ 4 ]。

表 1 ?質疑創新的質量水平[ 5 ]

物理學史為我們呈現科學家們提出物理概念、確定物理規律的歷程，其中蘊含了豐富的科學探究精神、探究方法，從中可以發現許多新概念的提出或新理論的創立都是科學家綜合當下的研究成果對前人結論提出有依據質疑，并運用創新思維才實現的[ 6 ]。因此，若將富含創新思維案例的物理學史滲透到相應的教學內容中，可以讓學生深刻體會質疑創新的意義和方法，使得自身的物理核心素養得到更好地提升。本文基于質疑創新的五個水平，舉例說明如何在課堂教學中借助物理學史逐步提高學生的質疑創新能力。

1 ?滲透物理學史，逐步培養質疑創新能力

1.1 ?搭建古今的橋梁——知道質疑和創新的重要性

托爾斯泰曾說，成功的教學所必需的是激發學生學習的興趣。科學上的新發明或新發現往往更能激發學生對其原理的求知欲。教師要主動利用當前科學上的應用成果，尤其是新發明或新發現，來分析相關的物理知識及其研究過程，讓學生領略質疑創新的重要性。

【教學案例1】以新人教版高中物理必修三“電磁波的發現及應用”為例。

在課堂導入環節，教師就2022年“天宮課堂”天地間在線互動問答的流暢性切入主題，指出這個互動環節的實時效果需要強大且穩定的信息通訊技術。

太空授課的介紹，使學生直觀感受到創新科技的魅力，激發探索科學的熱情，領會國家科技實力的進步。教師構建創新環境后，提出問題：（1）實現天地對話的信息載體是什么？（2）歷史上科學家如何發現電磁波？這樣自然而然地開始介紹與電磁波相關的物理學史。首先是麥克斯韋的天才預言，他深刻洞察了大陸派電動力學的困難和不協調因素，看穿超距作用理論的根本弱點，提出兩個著名的假說，一步一步地建立電磁場理論；其次是赫茲的電磁波實驗，他設計實驗驗證了電磁波的存在，并直接測出了電磁波的傳播速度正是光速[ 7 ]。歷史上的質疑創新為當今無線電技術的發展開拓了道路，推動“順風耳、千里眼”的夢想成為現實。

缺少大膽的質疑創新，一般就難以有知識的進展。因此，教師要關注與教學內容相關的科技前沿，融入教學激起學生學習和探求的興趣，把對現代科技和現代人類生活影響重大的新發明、新創造與教學內容中所蘊含的在物理學史上通過質疑創新提出的概念或理論建立有機聯系，從而使學生更深刻地體會質疑和創新的重要意義。

1.2 ?重復經典實驗，創設質疑環境——具有質疑和創新的意識

孔子說：“疑是思之始，學之端”。質疑，是物理學發展的動力，也是有效學習科學知識的開端。因此，教學中重現物理學家對原認知的反思與批判，創設質疑環境，有助于激發學生質疑意識和創新意識。

【教學案例2】以新人教版高中物理必修三“磁場 磁感線”為例。

在教學導入環節，教師引領學生重復奧斯特實驗，在學生身臨其境、認真觀察的基礎上，進一步設問引導，創設質疑環境，重現奧斯特科學發現的曲折歷程，具體教學設計如表2所示。在質疑環境中促進學生認知重構的同時，激發其質疑意識和創新意識。

“不懷疑不能見真理?！币虼耍處熞朴谠诮浀鋵嶒炛腥诤衔锢韺W家的發現與思考過程，在質疑環境中潛移默化地培養學生的質疑創新意識，逐步打開學生思維的大門。

1.3 ?創設開放、求異環境——能對已有觀點提出質疑，從不同角度思考物理問題

“一千個讀者心中，就有一千個哈姆雷特?！闭驹诓煌嵌扔^察或思索同一事物，就會有不同的判斷和答案。在教學中利用合適的物理學史創設開放、求異的學習環境，積極引導學生從不同角度研究科學知識或問題，有助于發展學生的批判性思維和發散思維，不受思維定勢牽制，為質疑創新能力的培養奠定基礎。

【教學案例3】以新人教版高中物理選擇性必修一“動量守恒定律”為例。

在教材中，編者將牛頓運動定律和動量定理結合，經理論推導得出動量守恒定律。而在科學史上，動量守恒定律是科學家們通過漫長的理論分析和實驗研究碰撞現象后才得到的。因此，學生在理論推導下習得動量守恒定律后，教師可借科學家研究碰撞規律的物理學史創設開放、求異的環境，引導學生體會從不同角度研究碰撞問題的方法。

1644年，笛卡爾首先提出動量守恒的思想，總結了七條碰撞規律，但其論點是模糊的，很快就引起人們的質疑。1668年英國皇家學會發布征文活動后，雷恩、沃利斯和惠更斯分別從不同角度研究碰撞規律，他們各自的研究角度和觀點如表3所示。

表 3 ?碰撞理論研究的相關物理學史[ 7 ] 30

【教學案例4】以新人教版高中物理選擇性必修一“動量定理”為例。

學生學習動量和動量定理后，理解了動量變化是力對時間的累積效果。在此基礎上，教師引入歷史上關于笛卡爾學派和萊布尼茨學派長達半個多世紀的爭論，加深對動量定理的理解。

笛卡爾學派認為“動量是物體運動的唯一量度”，在碰撞實驗被證實后得到科學界的普遍承認。但這個觀點不被萊布尼茨學派接受，后者認為笛卡爾學派的觀點同落體定律相斥。他們分析了“一英鎊物體下落四英尺和四英鎊物體下落一英尺”兩組實驗，認為兩種下落情況所得到的效果是相同的，質量和速度平方的乘積也是相等的，但動量卻不相等，因此度量物體運動的物理量應該是mv2（后來科里奧利提議用動能mv2）；兩派各自強調自己所依據的事實和推理方法[ 7 ]32。1743年，達朗貝爾稱雙方只是從不同角度量度運動，二者是“對立統一”的關系；恩格斯亦認為兩派的觀點并不矛盾，他指出mv和mv2互不相同，前者以機械運動來量度，后者以機械運動轉化為其他形式的運動能力來量度 [ 7 ]33。至此，兩學派間的爭論終于謝幕。

學生了解這段歷史后，意識到這場爭論促進了對動量概念和運動量度的研究，并非是一場無意義的爭論。正是不同學派的人從不同角度，并基于事實去研究物體運動的量度，提出各自的觀點，才促進人們對運動量度概念的認識由片面走向全面。

英國的巴克爾曾說“首先懷疑，然后探求，最后發現。”因此，教師要借助物理學史上的爭論創設開放、求異的環境，在批判質疑中鼓勵學生多角度思考和獨特性思考，在探索過程中完善知識結構，增強合作交流與思辨意識，激發質疑創新思維。

1.4 ?滲透證據意識——能對已有結論提出有依據的質疑，采用不同方式分析解決物理問題

質疑是科學發展的內在需要，提出有依據的質疑是發現物理問題本源的重要步驟。挖掘物理學史，將科學家有理有據的質疑過程融入物理教學，向學生滲透證據意識，發展他們的質疑創新能力。

【教學案例5】以新人教版高中物理必修二“行星的運動”為例。

在課堂導入環節，教師呈現行星運動規律的發現過程，先介紹當時普遍認同的哥白尼的日心說：太陽是宇宙的中心，天體運動是最完美、最和諧的勻速圓周運動。然后再介紹第谷和開普勒的研究歷程。第谷用20年的時間積累大量的行星觀測數據，為開普勒的行星運動三定律的建立作出不朽的貢獻；開普勒起初堅信行星運動是勻速圓周運動，但在對火星軌道的研究中，70余次設計方案的計算結果都遭到失敗，其中最符合觀測數據的理論計算結果仍與第谷觀測數據相差8分[ 8 ]。

在實際觀測數據的支撐下，開普勒大膽提出新觀點——假設火星運行軌道是橢圓軌道，基于該假設所得的理論結果與觀測數據相符，后續研究發現其他行星的軌跡也同樣是橢圓。開普勒結合觀察法和數學演算法，在多年反復計算和假設后得到聞名的“開普勒定律”，完善和簡化了哥白尼的日心說。

通過這段史實，帶領學生身臨其境，感受開普勒基于證據對“完美”的神運動（勻速圓周運動）的大膽質疑，以及在科學思想上無與倫比的創造精神。教師借物理學史將證據意識滲透到教學中，引導學生不盲目質疑，而是基于證據提出合理質疑并解決問題，鼓勵學生勇于創新，培養質疑創新能力。

1.5 ?引用科學論證——能從多個視角審視檢驗結論，解決物理問題具有一定的新穎性

科學假說需要假說提出者的證明，也需要時間和他人的研究來驗證和旁證[ 9 ]，他人的檢驗過程即科學論證過程，推動假說發展成為理論。教學中滲透物理學史的科學論證活動，開展質疑創新的進階過程，啟迪學生從多個視角審視檢驗結論，對提升質疑創新能力大有裨益。

【教學案例6】以新人教版高中物理選擇性必修三“光電效應”為例。

人類對光的波粒二象性的認識是不斷質疑、探索的過程。本節是經典物理學與量子物理學的重要銜接，其知識目標在于認識光既有波動性，又有粒子性。因此，教師在本節講解“光的波粒二象性”時可基于物理學史，從多個視角審視檢驗“光具有粒子性”假設。

十九世紀末，光的波動性已經被大量實驗所證實。在麥克斯韋理論被赫茲用實驗證實后，光的波動理論體系趨于完善，但光的波動說無法解釋黑體輻射規律。1900年，普朗克提出“能量子”假設，從理論上解釋了黑體輻射規律，自此宣告“量子論”的誕生。但該假設提出之初并沒有引起人們足夠的重視，甚至不少科學家對其提出質疑。1905年，年輕的愛因斯坦發展了普朗克的能量子假說，首次提出“光量子”概念，基于此得到著名的愛因斯坦光電方程，從而完美解釋了光電效應實驗規律；而后，密立根用了整整十年的時間進行精密實驗測定，最終基于實驗結果公開宣布愛因斯坦光量子理論的正確性；康普頓于1923年研究X射線照射輕靶時，發現了康普頓效應，該效應只有利用愛因斯坦的光量子假設才能很好地作出理論解釋[ 8 ]306-311。

人們對光的波粒二象性認識經歷多個視角審視檢驗結論的過程才逐步建立起來。實際上，普朗克的能量子假設、愛因斯坦的光量子假設都屬于光量子論，利用光量子論可以很好地解釋黑體輻射、光電效應、康普頓效應這些經典物理無法解釋的實驗結果，反過來也可以說這些實驗從各自的角度驗證了光量子論的正確性（如圖3所示）。光量子論打破了經典物理的連續性概念，體現了解決問題的新穎性。

達爾文曾說“一種假說僅是因為它能夠解釋大量的事實才發展成一個學說?！币虼?，能解釋前理論所不能解釋的現象，預示著該假說的正確性。教師在課堂中引用前人對假說的求實歷程，引導學生從多個視角審視檢驗結論，對培養質疑創新能力有著重要作用。

2 ?結語

合適的物理學史片段在教學中的合理滲透，有益于發展學生的質疑創新能力。結合科學界的新發明引入物理學史，讓學生感悟質疑創新的意義和重要性；重復經典物理實驗，創設質疑環境，激發質疑意識與創新意識；融合前人爭論，創設開放求異環境，發展批判性思維和發散性思維；基于證據提出合理問題并解決，提升證據意識；引用多種科學論證，引導學生從多個視角檢驗科學假說，循序漸進發展學生的高水平質疑創新能力。本文結合教學案例，具體闡述如何通過在教學中滲透相關物理學史，逐步發展學生的質疑創新能力，希望其為一線教師在教學中完成新課標對學生質疑創新能力的培養目標起拋磚引玉作用。

參考文獻：

［1］ 沈偉云. 基于質疑創新思維培養的初中物理教學[J]. 物理教師， 2021， 42（4）： 37-39.

［2］ 居津. 基于科學思維水平劃分，構建遞進物理課堂、培養質疑創新能力——以“探究加速度和力、質量的關系”為例[J]. 物理教師， 2018， 39（12）： 30-31，34.

［3］ 段祝霞. 物理習題教學中利用學生錯誤培養質疑創新能力[J]. 物理教學， 2019， 41（9）： 7-9.

［4］ 陶永杰， 程小健， 馬家軍， 等. 淺議學生質疑創新能力的培養——以“拋體運動”問題為例[J]. 中學物理教學參考， 2021， 50（25）： 1-4.

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［8］ 馬文蔚. 物理學發展史上的里程碑[M]. 南京： 江蘇科學技術出版社， 1992：51-52.

［9］ 喬梁. 島嶼上的動物為何不怕人？[J]. 百科知識， 2014（6）： 41-42.