何晶晶 吳維寧

(湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430062)

HPS理念下物理學(xué)史的內(nèi)容構(gòu)建及教學(xué)策略初探

何晶晶 吳維寧

(湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430062)

目前HPS教育開始成為國際科學(xué)教育界的一個(gè)研究熱點(diǎn).越來越多的學(xué)者認(rèn)為這種教育理念能夠有效提高所有公民的科學(xué)素養(yǎng).本文從介紹HPS的理念出發(fā),對物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史的內(nèi)容選擇及教學(xué)策略作出初步探討.

HPS;物理學(xué)史;內(nèi)容選擇;教學(xué)策略

1 HPS興起的背景及其教育理念

1.1 HPS的教育理念

目前,HPS有兩種定義,部分學(xué)者認(rèn)為HPS是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)(History and philosophy of science)的縮寫,另有學(xué)者則認(rèn)為HPS是指將科學(xué)史(History of science)、科學(xué)哲學(xué)(Philosophy of science)和科學(xué)社會(huì)學(xué)(Sociology of science)的有關(guān)內(nèi)容融入到中小學(xué)的科學(xué)課程中.筆者認(rèn)為后者說法更為妥帖.HPS的核心是對于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識,其回答了“科學(xué)是什么”和“科學(xué)的本質(zhì)是什么”這兩個(gè)問題,主要內(nèi)容是對公眾進(jìn)行科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)方面的教育,讓公眾在歷史、哲學(xué)和社會(huì)學(xué)語境中重新理解科學(xué),形成對科學(xué)本質(zhì)的多維透視,以此促進(jìn)科學(xué)教育、推動(dòng)科學(xué)知識的傳播、提高公眾的科學(xué)素養(yǎng).

1.2 HPS興起的背景

HPS教育興起于20世紀(jì)80年代的英國和美國,其興起的背景可以歸納為三個(gè)方面:第一,傳統(tǒng)科學(xué)知識的局限性.傳統(tǒng)的科學(xué)教育側(cè)重于科學(xué)實(shí)證知識的傳播,幾乎略去了科學(xué)知識產(chǎn)生的歷史,科學(xué)知識被作為純粹的經(jīng)驗(yàn)歸納和邏輯推理的結(jié)果傳授給學(xué)生.這種教育模式嚴(yán)重抹殺了學(xué)生的創(chuàng)新能力以及對科學(xué)的興趣與探索能力.第二,科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的發(fā)展以及科學(xué)家和教育家對這三個(gè)“科學(xué)元勘”學(xué)科的重視.對科學(xué)史的重視,早在1895年,著名科學(xué)家和科學(xué)史學(xué)家馬赫(E.Mach)在其題為“論古典學(xué)和科學(xué)的教育”的向中學(xué)教師的演講中,提倡在中學(xué)的科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用哲學(xué)和歷史的方法.美國科學(xué)史學(xué)科的奠基人薩頓(G.Sarton)從1920年起在哈佛大學(xué)系統(tǒng)地面向各專業(yè)學(xué)生開設(shè)科學(xué)史課程.哈佛大學(xué)校長柯南特(James B.Conant)發(fā)展出一套科學(xué)史教材,其中《理解科學(xué):以歷史的方法》以及《哈佛實(shí)驗(yàn)科學(xué)中的案例研究》都成為科學(xué)史教育領(lǐng)域里極具影響力的經(jīng)典文獻(xiàn).1952年,美國哈佛大學(xué)的科學(xué)史教授霍爾頓(G.Holton)編寫了一部面向文科學(xué)生的物理學(xué)教材——《物理科學(xué)的概念和理論導(dǎo)論》,隨后又參與了HPP(Harvard Project Physics Course,“哈佛物理教學(xué)改革計(jì)劃”的簡稱)計(jì)劃,其中融入了大量科學(xué)史內(nèi)容,HPP計(jì)劃的目的在于促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.自1983年起,歐洲物理學(xué)會(huì)就每兩年組織一次關(guān)于物理學(xué)史與物理學(xué)教學(xué)的會(huì)議.1987年,英國科學(xué)史學(xué)會(huì)在牛津召開了“科學(xué)史與科學(xué)教育”的學(xué)術(shù)會(huì)議.由此可見,科學(xué)史對于科學(xué)本質(zhì)的教育價(jià)值已經(jīng)日益引起人們的重視.第三,目前世界各國都面臨著基礎(chǔ)科學(xué)教育的改革從“應(yīng)試教育”向“素質(zhì)教育”的轉(zhuǎn)變.20世紀(jì)80年代以來,國際科學(xué)教育研究對科學(xué)史及與之相關(guān)的科學(xué)哲學(xué)的關(guān)注也反映在當(dāng)代各個(gè)發(fā)達(dá)國家科學(xué)課程與教學(xué)改革中.比如最具影響力的美國的“2061計(jì)劃”(1989)和《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(1996),英國的“國家科學(xué)課程”(1988),荷蘭的“PLON課程”(1988),挪威的“核心課程”(1994),丹麥的“科學(xué)技術(shù)課程”(1990)等,都對科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)的課程與教學(xué)有著明確的要求.2001年我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域新一輪的課程改革,明確地將科學(xué)教育定位于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識.

1.3 HPS教育理念中科學(xué)史教育的意義

通過以上論述我們可以明確發(fā)現(xiàn),科學(xué)史對于科學(xué)教育的貢獻(xiàn)是深為科學(xué)界所肯定的.馬修斯曾在總結(jié)各家研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,將科學(xué)史融入科學(xué)教育的教育價(jià)值歸納如下:

(1)科學(xué)史可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),吸引學(xué)生投入科學(xué)的探究.

(2)科學(xué)史可使教材更具人性化.

(3)借助探索科學(xué)概念的發(fā)展與精致化的過程,可促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念的理解.

(4)在理解重要的科學(xué)史案例的過程中,可使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì),例如科學(xué)革命、達(dá)爾文主義等.

(5)科學(xué)史可以使學(xué)生了解科學(xué)知識的不定性、可變性,因而目前人們對科學(xué)的理解也具有可轉(zhuǎn)換的特性.

(6)科學(xué)史可使學(xué)生認(rèn)識科學(xué)家之間會(huì)發(fā)生意識形態(tài)的爭論.

(7)科學(xué)史能展現(xiàn)出科學(xué)方法的改變歷程,使學(xué)生對科學(xué)方法的本質(zhì)有更深刻的認(rèn)識.

筆者認(rèn)為,科學(xué)史不僅有上述價(jià)值,還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的愛國情操以及學(xué)生的科學(xué)思維方法和態(tài)度,發(fā)掘了學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新的精神,培育了學(xué)生的整體素質(zhì),對于培養(yǎng)學(xué)生正確人生觀和價(jià)值觀更是有著不可忽視的作用.

2 基于物理學(xué)史的物理課程內(nèi)容的構(gòu)建

2.1 將科學(xué)史及其相關(guān)學(xué)科融入到科學(xué)教育中的兩種教育模式

為了提高教師和學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識,很多學(xué)者在科學(xué)本質(zhì)教學(xué)策略和方法上進(jìn)行了大量研究,主要包括:科學(xué)探究的策略、科學(xué)史的策略、科學(xué)方法的教學(xué)等.本文將著重介紹科學(xué)史策略.迄今為止,主要的科學(xué)史策略有兩種:馬修斯的適度模式、孟克和奧斯本的融合模式.

(1)馬修斯的適度模式

1994年,澳大利亞科學(xué)哲學(xué)教授邁克爾·馬修斯(Michacl R.Matthews)提出適度模式的科學(xué)史教學(xué),他認(rèn)為理科教師應(yīng)該多懂一點(diǎn)科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會(huì)學(xué)和科學(xué)史,倡導(dǎo)把科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容納入科學(xué)課程與教學(xué)中.但同時(shí)他也認(rèn)為希望所有理科教師和理科師范生都成為有能力的科學(xué)哲學(xué)家、科學(xué)史學(xué)家或者科學(xué)社會(huì)學(xué)家是不現(xiàn)實(shí)的,因此,他認(rèn)為應(yīng)當(dāng)把目標(biāo)限制在讓師范生或教師了解課堂上出現(xiàn)的有關(guān)認(rèn)識論和科學(xué)本質(zhì)的問題范圍內(nèi).馬修斯認(rèn)為,課堂上,哲學(xué)問題無處不在,教師和學(xué)生都應(yīng)該問一問哲學(xué)家們經(jīng)常問的問題:你所說的……是什么意思?你是如何知道……的?這種初步的哲學(xué)分析會(huì)使學(xué)生更好地理解它們所蘊(yùn)含的獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)和概念問題.同時(shí),這種方法也在一般意義上促進(jìn)了批判性思維和反省思維.

(2)孟克和奧斯本的融合模式

1997年,英國倫敦大學(xué)皇家學(xué)院的科學(xué)教育者孟克(M.Monk)和奧斯本(J.Osborne)在總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前關(guān)于科學(xué)課程改革的新觀點(diǎn)(如建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀),提出了將HPS融入科學(xué)課程與教學(xué)中的模式.這一模式假設(shè),學(xué)習(xí)的課題是科學(xué)史上某一個(gè)科學(xué)家曾經(jīng)研究過的自然現(xiàn)象,如落體的變化、植物從哪里獲得食物或燃燒現(xiàn)象等.教學(xué)共有演示、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)的觀念與經(jīng)濟(jì)性檢驗(yàn)、評論和評估6個(gè)階段.

2.2 物理課程中物理學(xué)史內(nèi)容的構(gòu)建

對于科學(xué)課程中科學(xué)史內(nèi)容的構(gòu)建研究很多,但多數(shù)處于理論層面,北京師范大學(xué)物理系田春鳳在其博士論文《中學(xué)物理課程中科學(xué)本質(zhì)教育的研究》中,針對物理學(xué)這一具體學(xué)科進(jìn)行了詳細(xì)深入的物理課程中如何進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教育內(nèi)容的構(gòu)建的研究,這對于中學(xué)教師及學(xué)生在進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)教學(xué)時(shí)有著指導(dǎo)性的作用.本文將從物理學(xué)史的角度出發(fā),選取一教學(xué)實(shí)例介紹具體學(xué)科——物理學(xué)史融入到物理課程中的教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建.

案例:牛頓第一定律(人教版九年級物理)

在初中階段,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過牛頓第一定律,但初中課程標(biāo)準(zhǔn)中對此知識點(diǎn)學(xué)習(xí)要求較低,物理學(xué)史內(nèi)容的體現(xiàn)較少且表面.高中教材非常重視物理學(xué)史內(nèi)容,在高中物理必修1的教材目標(biāo)中明確要求學(xué)生能夠大致敘述發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律的歷史過程,并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行初步評析.

教材分析:教材中簡單介紹了牛頓第一定律的建立過程,但是很明顯重點(diǎn)仍然在伽俐略的理想實(shí)驗(yàn)上.教材中物理學(xué)史內(nèi)容的選擇相對于初中而言增加許多,但是對于HPS的核心——科學(xué)本質(zhì),物理學(xué)史內(nèi)容的構(gòu)建依然存在些許缺陷.主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)沒有體現(xiàn)科學(xué)的社會(huì)性.在緒論中,教材直接開篇就將亞里士多德的理論作為反面結(jié)論呈現(xiàn)給學(xué)生,這樣容易造成學(xué)生的誤解,以為亞里士多德就是一個(gè)延誤世界科學(xué)發(fā)展2000多年的愚昧的科學(xué)家.教材忽視了科學(xué)的發(fā)展與時(shí)代的發(fā)展以及當(dāng)時(shí)所處社會(huì)的文化背景有著密切的關(guān)系,我們應(yīng)當(dāng)聯(lián)系一定社會(huì)下的文化背景正確評價(jià)在這一特定背景下的科學(xué)發(fā)展.

(2)沒有體現(xiàn)科學(xué)的連續(xù)性.教材在這一知識點(diǎn)的構(gòu)建上分為“緒論”、“理想實(shí)驗(yàn)的魅力”、“牛頓物理學(xué)的基石——慣性定律”、“慣性與質(zhì)量”4個(gè)部分,主要介紹了伽利略的理想實(shí)驗(yàn),對于在牛頓第一定律的發(fā)展過程中做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家只提及了笛卡爾,其他科學(xué)家只字未提,并且主要功勞放在伽利略的研究上,這會(huì)讓學(xué)生誤以為科學(xué)成果和科學(xué)發(fā)展只需要少數(shù)甚至一個(gè)或兩個(gè)科學(xué)家的努力,教材忽視了整個(gè)發(fā)展過程的連續(xù)性,任何一個(gè)科學(xué)理論都是在歷史的進(jìn)程中慢慢發(fā)展成熟起來的,每一個(gè)階段都有為某一個(gè)科學(xué)理論做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家.

(3)沒有體現(xiàn)科學(xué)方法的多樣性.教材中只介紹了伽利略“理想實(shí)驗(yàn)”中所體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)——?dú)w納——演繹的研究方法,卻忽視了亞里士多德、笛卡爾等為這一理論的形成和發(fā)展做出貢獻(xiàn)的其他科學(xué)家在研究過程中所運(yùn)用的科學(xué)方法,這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生以為科學(xué)方法只有伽利略所開創(chuàng)的這一種,不能讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)方法的多樣性,在一定程度上也磨滅了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

針對以上3點(diǎn)不足之處,本文將具體采取重演歷史的方法完善其物理學(xué)史內(nèi)容的構(gòu)建.

內(nèi)容構(gòu)建:牛頓第一定律每一次的進(jìn)展都是科學(xué)家們在批判的繼承前人的基礎(chǔ)上通過科學(xué)的方法獲得的.教師在教課時(shí)應(yīng)當(dāng)加入物理學(xué)史的內(nèi)容,使學(xué)生加深對牛頓第一定律的理解,提高對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識.

(1)亞里士多德的研究

在亞里士多德之前,古希臘已經(jīng)有一些學(xué)者對運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象提出了初步的看法.亞里士多德對于運(yùn)動(dòng)的理論主要研究在于“運(yùn)動(dòng)的分類”以及“運(yùn)動(dòng)的原因”.

亞里士多德將運(yùn)動(dòng)劃分為兩類:自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng).他認(rèn)為,所有地面上任何物體的直線上升和向下的運(yùn)動(dòng)就是自然運(yùn)動(dòng),凡是自然運(yùn)動(dòng)都是加速運(yùn)動(dòng).除了這些自然運(yùn)動(dòng)以外的運(yùn)動(dòng)都是強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng).他認(rèn)為,一切強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的物體都必須是有推動(dòng)者在推動(dòng)著它運(yùn)動(dòng).當(dāng)推動(dòng)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的力不再推它時(shí),物體就會(huì)趨于靜止.由此得出了“力是物體運(yùn)動(dòng)的原因”的結(jié)論.依據(jù)這一結(jié)論,亞里士多德還推論出“第一推動(dòng)者”,即任何運(yùn)動(dòng)的事物應(yīng)該都是在被一個(gè)推動(dòng)者推動(dòng)著運(yùn)動(dòng),而這個(gè)推動(dòng)者又是被另一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體推動(dòng)著運(yùn)動(dòng),后一個(gè)推動(dòng)者又是被另一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的事物推動(dòng)著運(yùn)動(dòng)的,如此等等,……無限地追溯上去,那么必然有第一推動(dòng)者.他還認(rèn)為,“第一推動(dòng)者”是永恒的,自身不動(dòng)的,不受別的物體推動(dòng),而能推動(dòng)別的物體運(yùn)動(dòng).亞里士多德運(yùn)用上述運(yùn)動(dòng)理論,對拋體運(yùn)動(dòng)的原因做出了解釋.他認(rèn)為,一個(gè)物體被拋射出去后,會(huì)在空中運(yùn)動(dòng)一段距離,是因?yàn)榭諝鈱ξ矬w的推動(dòng)作用,他還反對古希臘原子論者的“自然界存在虛空”這一觀點(diǎn).他的解釋是,因?yàn)樘摽绽锊淮嬖谌魏谓橘|(zhì),沒有外力的作用,如果存在虛空,那么一切物體在虛空里或靜止不動(dòng),或以相同的速度無限運(yùn)動(dòng)下去.我們可以發(fā)現(xiàn),亞里士多德在反對虛空存在的論述中其實(shí)已經(jīng)含有慣性運(yùn)動(dòng)思想的萌芽.

雖然他的運(yùn)動(dòng)理論以及拋體運(yùn)動(dòng)的解釋都是錯(cuò)誤的,但是正是把力看做物體運(yùn)動(dòng)原因的思想,為后人的研究奠定了基礎(chǔ),指明了方向,人們只有通過對力的作用進(jìn)行深入研究,才可能解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律.他的反對虛空存在的論述對后世的物理學(xué)認(rèn)識活動(dòng)也產(chǎn)生了一定積極的影響.

(2)中世紀(jì)的研究

中世紀(jì),有不少科學(xué)家都探討拋體運(yùn)動(dòng)的問題,一種新的理論逐漸流行起來——“沖力理論”.

這種理論的代表人物英國牛津大學(xué)的威廉(William of Ockham),他認(rèn)為運(yùn)動(dòng)并不需要外力來推,一旦運(yùn)動(dòng)起來就要永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.他寫道:“運(yùn)動(dòng)并不能完全與永恒的物體區(qū)分開,因?yàn)楫?dāng)可以用較少的實(shí)體時(shí),就無需用更多的實(shí)體.......沒有這一額外的東西,就可以對各種運(yùn)動(dòng)給予澄清.”對于拋射運(yùn)動(dòng),他給出解釋:“當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體離開投擲者后,是物體靠自己運(yùn)動(dòng),而不是被任何在它里面或與之有關(guān)的動(dòng)力所推動(dòng),因?yàn)闊o法區(qū)分運(yùn)動(dòng)者和被推動(dòng)者.”他舉磁針吸鐵為例,說明要使鐵運(yùn)動(dòng)并不一定直接接觸,并且還進(jìn)一步設(shè)想,這種情況在真空中也能實(shí)現(xiàn).

另外一位批判亞里士多德運(yùn)動(dòng)學(xué)說的先行者是巴黎大學(xué)校長布里丹(F.Buridan).他反對空氣是拋射體運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)者,他提出了“沖力理論”,即推動(dòng)者在推動(dòng)一切物體運(yùn)動(dòng)時(shí),便對它施加某種沖力或某種動(dòng)力.

布里丹的學(xué)生,阿爾伯特(A lbert)和奧里斯姆(Nicholas Oresme)發(fā)展了沖力理論,阿爾伯特運(yùn)動(dòng)沖力來說明落體的加速運(yùn)動(dòng),認(rèn)為速度越大,沖力也越大,他寫道:“根據(jù)這個(gè)(理論)可以這樣說,如果把地球鉆通,一重物落入洞里,直趨地心,當(dāng)落體的中心正處于地心時(shí),物體將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)(越過地心),因?yàn)闆_力并未耗盡.而當(dāng)沖力耗盡后,物體將回落.于是將圍繞地心振蕩,直到?jīng)_力不再存在,才重又靜止下來.”

上述理論中,雖然威廉的說法并不等于慣性原理,但是卻是走向慣性原理的重要步驟.因?yàn)?如果運(yùn)動(dòng)不需要原因,一旦發(fā)生就要永遠(yuǎn)持續(xù),亞里士多德的推動(dòng)說就要從根本上動(dòng)搖.阿爾伯特的這個(gè)例子伽利略在其《兩大世界體系》中也有討論,可見布里丹、阿爾伯特、奧里斯姆的早期工作為伽利略和牛頓開辟了道路.

不論是伽利略還是牛頓,都在自己的著作中留下了沖力理論的烙印.

(3)文藝復(fù)興時(shí)期的研究

伽利略是文藝復(fù)興時(shí)期誕生的偉大科學(xué)家,教材中已經(jīng)詳細(xì)介紹了伽利略對于運(yùn)動(dòng)理論的研究和主要貢獻(xiàn),在此本文不再贅述.本文重點(diǎn)從文藝復(fù)興時(shí)期來分析伽利略研究的時(shí)代背景,以此闡明科學(xué)的社會(huì)性.

14、15世紀(jì)的歐洲,資本主義逐漸興起,資本主義生產(chǎn)的發(fā)展,不僅提出了發(fā)展科學(xué)的需要和課題,也提供了科學(xué)發(fā)展所需要的大量可供觀察的材料和制造實(shí)驗(yàn)儀器的物質(zhì)技術(shù)條件.以恢復(fù)古代文化的面目出現(xiàn)的“文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)”首先出現(xiàn)在最先受到摧殘、現(xiàn)在又逐漸恢復(fù)元?dú)?、資本主義最早得到發(fā)展的意大利,并且很快擴(kuò)大到整個(gè)歐洲.他們宣揚(yáng)“人文主義”,提倡人權(quán),反對神權(quán),提倡思想自由,要求把人的思想、感情和智慧從教會(huì)神學(xué)的束縛中解放出來,人文主義重視人與自然的統(tǒng)一,積極倡導(dǎo)對自然的研究.伽利略在這種思想極度開放的社會(huì)背景下,以確鑿的實(shí)驗(yàn)事實(shí),嚴(yán)密的邏輯推理和清晰的觀點(diǎn),批駁了亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)說,闡明了他的運(yùn)動(dòng)理論.

(4)笛卡爾的研究

1644年,笛卡爾(Rene Descartes)在《哲學(xué)原理》一書中彌補(bǔ)了伽利略的不足.他明確指出,除非物體受到外因的作用,物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并且還特地聲明,慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng),而只保持在直線上運(yùn)動(dòng),他表述成兩條定律:

①每一單獨(dú)的物質(zhì)微粒將繼續(xù)保持統(tǒng)一狀態(tài),直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止.

②所有的運(yùn)動(dòng),其本身都是沿直線的.

笛卡爾認(rèn)識到了慣性定律是解決力學(xué)問題的關(guān)鍵所在,他是最早將慣性定律作為原理加以確立,并將其視為整個(gè)自然觀的基礎(chǔ)的科學(xué)家,這對牛頓后來的綜合工作有著深遠(yuǎn)的影響.教材中對于這段歷史只是一筆帶過,但實(shí)際上,笛卡爾運(yùn)用思辨和數(shù)學(xué)演繹的科學(xué)方法使得慣性定律的發(fā)展有了一個(gè)質(zhì)的飛躍.

(5)牛頓的綜合

牛頓在大學(xué)學(xué)習(xí)期間,接觸到了亞里士多德的局部運(yùn)動(dòng)理論,后來又接觸到伽利略和笛卡爾的著作,受到他們的影響,牛頓開始動(dòng)力學(xué)的研究.1664年上半年,牛頓擺脫了亞里士多德的影響,轉(zhuǎn)而接受伽利略重視實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)的觀念.笛卡爾關(guān)于尋求“自然的第一原因”的思想,也大大激勵(lì)了牛頓.牛頓對于慣性定律的研究始于對萬有引力問題的研究,他大約從1665年開始研究慣性運(yùn)動(dòng),到了1668年才開始將注意力從慣性運(yùn)動(dòng)的闡述轉(zhuǎn)向慣性運(yùn)動(dòng)的本質(zhì),提出慣性是由物體內(nèi)在的屬性——質(zhì)量決定的.質(zhì)量概念的建立,才使人們深刻理解和認(rèn)識慣性的含義,找出它與其他運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)在聯(lián)系,作為運(yùn)動(dòng)第一定律提出來.

在牛頓的手稿中,是他在1665-1666寫在筆記本上未發(fā)表的論文.這些手稿提到了幾乎全部力學(xué)的基礎(chǔ)概念和定律,對速度給出了定義,對力的概念作了明確的說明.牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了一系列的定義,以公理的形式提出了三大運(yùn)動(dòng)定律(慣性定律、運(yùn)動(dòng)定律和作用反作用定律),緊接著又提出了6個(gè)推論.牛頓將前人的各部相關(guān)的獨(dú)立成果系統(tǒng)化,綜合在一起形成了有邏輯聯(lián)系的整體.

從教材中,我們發(fā)現(xiàn)只提及牛頓總結(jié)前人的結(jié)果,通過歸納得出了牛頓第一定律——慣性定律.實(shí)際上,牛頓對于第一定律的認(rèn)識過程和總結(jié)過程也是相當(dāng)曲折的,也曾經(jīng)受到舊觀念的束縛,在這一艱辛過程中,建立了質(zhì)量、力、慣性等一系列的概念之后,才最終建立牛頓第一定律,成為了力學(xué)的重要基石之一.教材中的簡略交代會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生以為科學(xué)是靠運(yùn)氣的,成為科學(xué)家也是命中注定的,不用付出努力就可以憑借運(yùn)氣簡單地總結(jié)前人的結(jié)果便能得到科學(xué)成果,成為為科學(xué)事業(yè)做出貢獻(xiàn)的卓越的科學(xué)家.

科學(xué)本質(zhì):牛頓第一定律的發(fā)展歷程中包含了豐富的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容,將這一段物理學(xué)史融入到教學(xué)中,可以有效提高學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀.

(1)科學(xué)的社會(huì)性.科學(xué)思想及其發(fā)展史受到社會(huì)和歷史背景影響的,在評價(jià)科學(xué)發(fā)展時(shí),應(yīng)該考慮到其所處的社會(huì)文化背景.如亞里士多德,他的運(yùn)動(dòng)理論雖然是錯(cuò)誤的,但是他開啟了人們以及后來科學(xué)家對于運(yùn)動(dòng)研究的大門,他的思想和理論都是受到了當(dāng)時(shí)社會(huì)文化的束縛和影響,我們應(yīng)該正確的評判他對于科學(xué)發(fā)展所作出的貢獻(xiàn),而不是教材中那樣全盤否定.再如伽利略的研究,他之所以取得巨大的成就,使得科學(xué)發(fā)展向正確的方向發(fā)展并且邁了一大步,也有當(dāng)時(shí)文藝復(fù)興那個(gè)歷史背景的影響.

(2)科學(xué)的連續(xù)性.科學(xué)知識具有相對穩(wěn)定性,它是不斷發(fā)展和進(jìn)步的,不是一成不變的.牛頓第一定律經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)期多位科學(xué)家的研究和探討,最終才得以建立.

(3)科學(xué)方法的多樣性.同一個(gè)問題可以用不同的方法來解決,最終可以得到相同的結(jié)果.牛頓第一定律的發(fā)展歷程中凝結(jié)了許多科學(xué)方法,比如亞里士多德的“思辨的邏輯”方法,伽利略的“實(shí)驗(yàn)-歸納-演繹”方法,笛卡爾的“思辨和數(shù)學(xué)演繹”方法,牛頓的“分析-綜合”方法.

HPS教育理念已經(jīng)滲透到了世界各國科學(xué)教育領(lǐng)域,它的作用與價(jià)值不容忽視,物理學(xué)作為最基礎(chǔ)的一門科學(xué)更是需要貫徹實(shí)施這一理念,尤其是要充分利用物理學(xué)史.筆者認(rèn)為,借史料學(xué)習(xí)知識、從原著學(xué)習(xí)方法、向大師學(xué)習(xí)精神.物理學(xué)史教學(xué)既是進(jìn)行物理本質(zhì)教育的有效方法,又是培養(yǎng)學(xué)生物理興趣和自學(xué)能力的有效途徑.

1 丁邦平.科學(xué)元勘與科學(xué)教學(xué)改革的兩種模式.全球教育展望, 2001(11):49-53

2 郭奕玲,沈慧君.物理學(xué)史.北京:清華大學(xué)出版社,2003.21-46

3 胡化凱.物理學(xué)史二十講.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2009.192-196

4 李艷平,申先甲.物理學(xué)史教程.北京:科學(xué)出版社,2003.83

5 劉兵,江洋.科學(xué)史與教育.上海:上海交通大學(xué)出版社,2008. 39

6 田春鳳.中學(xué)物理課程中科學(xué)本質(zhì)教育的研究.北京師范大學(xué)博士論文,2009.99-103

7 吳致遠(yuǎn).在大學(xué)教學(xué)中引入HPS教育的設(shè)想.自然辯證法研究, 2009(5):104

8 袁維新.國外科學(xué)史融入科學(xué)課程的研究綜述.比較教育研究, 2005(10):62-63

9 朱钅宏雄.物理學(xué)方法概論.北京:清華大學(xué)出版社,2008.25,49, 82

2010-05-18)

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