李勇 程力

2004年國家實施普通高中課程標準，提出了“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”三維培養(yǎng)目標，更加注重思想與方法、態(tài)度與價值觀等方面的培養(yǎng)。物理學史由于它所具有的豐富內(nèi)容和獨特視角，為提升學生的科學素養(yǎng)、促進三維課程目標的達成提供了重要的素材。為了更好地體現(xiàn)新課程理念，高考物理學科進一步加強了物理學史相關(guān)內(nèi)容的考查，充分挖掘物理學史的內(nèi)在價值，促進學生人文精神和科學素養(yǎng)的養(yǎng)成，引導中學物理教學加強物理學史的教育，以實現(xiàn)物理教學的科學和人文價值。

1 物理學史教育的意義

物理學史是在物理學發(fā)展過程中形成的，描述物理學發(fā)展歷程的學科，是關(guān)于物理學本身發(fā)展規(guī)律的學問[1]。物理學史主要研究物理學概念、理論和思想的產(chǎn)生、演化過程及其發(fā)展規(guī)律，考察物理學家的生平、成就以及思維方式和研究方法上的特點，探究物理學家科研成敗的原因，研究歷史上物理學發(fā)展中不同觀點和理論之間的紛爭與融合，考察物理學發(fā)展的內(nèi)部邏輯、外部動力和相互關(guān)系。

關(guān)于物理學史在物理教育或科學教育中作用的研究很多。從20世紀初的全德自然和科學技術(shù)會議上提出物理教育要重視物理學史，到20世紀50年代美國進行“新物理運動”的課程改革[2]，再到我國1990年召開首屆物理學史與物理教育學術(shù)研討會，時至今日，國內(nèi)外學者關(guān)于物理學史的教育意義獲得了豐富的研究成果。我國著名的科學家、物理學家錢三強先生強調(diào)“物理學史里面有大量智慧的結(jié)晶，這不但是知識的寶庫，而且是智慧的寶庫，有著很多豐富的養(yǎng)分，很值得我們?nèi)ラ_發(fā)和利用”[3]。物理學給人知識，而物理學史則給人以智慧，對物理學的發(fā)展有著重要的作用[4]。法國著名的物理學家郎之萬在談到科學史的教育價值時說，那種認為只須掌握已獲得的確定的定理的想法是絕對錯誤的，它“會使科學喪失掉它的全部教育價值”，而在科學教育中加入歷史的觀點是百利而無一弊的[5]。

自20世紀末以來，科學教育界就提倡把科學史納入科學課程中，這說明科學教育界已經(jīng)認識到科學的歷史在科學教育中對實現(xiàn)教育目標具有重要的作用。具體到物理學史對于學生知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的作用，研究者認為主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，能夠幫助學生更好地理解物理概念和規(guī)律。當學生學習基本概念、規(guī)律或理論時，只有了解了它們產(chǎn)生發(fā)展的時代背景和過程、問題的提出和解決方法等內(nèi)容，才能更好地理清知識的來龍去脈，更加深刻地理解和掌握這些概念和規(guī)律的物理意義。第二，能夠幫助學生學習、掌握物理思想和方法，培養(yǎng)學生的科學思維能力。物理學家在研究物理的過程中，提出并形成了許多研究思想和方法，諸如理想模型、觀察和實驗、類比和聯(lián)想、猜測和探究、分析和綜合、佯謬和反證、科學假設等。通過大量的物理史實來學習物理學家如何運用這些方法取得重要成果，可以對學生進行科學方法教育[6]，提高學生研究問題和解決問題的能力。第三，激發(fā)學生學習物理和科學的興趣和好奇心，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。有研究者認為，學生普遍對物理學感到枯燥和深奧，把物理學家看成高不可攀的天才，多少都與教材、教學過程以及教師的素養(yǎng)中缺乏歷史觀點這一因素有關(guān)[7]。物理學史的學習，能夠讓學生了解物理學家的生平、科學探索精神、解決問題的思想和方法，體驗科學發(fā)現(xiàn)的過程，讓學生充分認識到物理學是一門生動多彩、充滿生機、有廣闊發(fā)展前景的學科，從而增強學生學習物理的興趣，激發(fā)學生的求知欲；物理學史中包含大量的創(chuàng)造性思維的形成和發(fā)展的案例，蘊含著科學創(chuàng)新的價值和意義，能夠間接地推動物理學新成果的不斷發(fā)現(xiàn)和發(fā)明[8][9]。第四，有利于培養(yǎng)學生的人文精神和科學素養(yǎng)，形成正確的人生觀和科學觀[10][11][12][13]。通過學生了解物理學家探索物理理論的過程，知道科學概念和規(guī)律產(chǎn)生和發(fā)展的矛盾、原因和結(jié)果，培養(yǎng)學生立足于當時歷史條件認識事物的正確科學觀；通過物理學史的學習，使學生受到多方面的人文教育，提升學生的人文和科學素養(yǎng)。

2 高中教學關(guān)于物理學史的要求

實施課程改革以后，高中物理教學進一步加強了對物理學史的要求，明確了物理學史的教學目標和內(nèi)容標準。《普通高中物理課程標準（實驗）》在課程目標中做了詳細描述，如“初步了解物理學的發(fā)展歷程，關(guān)注科學技術(shù)的重要成就和發(fā)展趨勢以及物理學對經(jīng)濟、社會發(fā)展的影響”；“經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律”；“能領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅”[14]，等等。在具體的內(nèi)容標準中，課程標準也提出了明確的要求，如“通過史實，初步了解近代實驗科學產(chǎn)生的背景，認識實驗對物理學發(fā)展的推動作用”、“通過有關(guān)事實了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程。體會科學定律對人類探索未知世界的作用”、“了解奧斯特、安培等科學家的實驗研究對人們認識電磁現(xiàn)象所起的重要作用”、“了解我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果及其對人類文明的影響”，等等。與以前的教學大綱相比，這些內(nèi)容更加具體、明確，對教學具有更強的指導意義?？傮w而言這些內(nèi)容標準大體可以分為以下三類：第一，了解物理學家在物理發(fā)展過程中的貢獻，理解與物理學家相關(guān)的重要物理概念、規(guī)律和理論；第二，了解物理學家發(fā)現(xiàn)或探究物理規(guī)律的過程，領會物理學家探究過程中的物理思想或方法，體會科學探索中的成功或挫折對科學發(fā)現(xiàn)的意義，了解物理學的發(fā)展對社會、經(jīng)濟和科技的影響；第三，了解我國古代在物理學方面的成就。

課程標準后的教材也增加了物理學史的相關(guān)內(nèi)容，以人民教育出版社出版的高中物理必修1和必修2（2004年初審通過，2010年第3版）為例，涉及的物理學史的內(nèi)容如表1所示。

通過對必修系列和選修3系列各個模塊中物理學史內(nèi)容的統(tǒng)計，共有46個物理學史的內(nèi)容，其中在教材正文中呈現(xiàn)的有26個，以“科學足跡”材料呈現(xiàn)14個，以“科學漫步”材料呈現(xiàn)9個，以“STS”材料呈現(xiàn)2個，以“課題研究”和“習題”呈現(xiàn)的分別1個。

由此可見，課程改革后非常重視物理學史的教學，結(jié)合學科的特點，適時、適度、適量地運用某些物理學史料，將物理學史與物理學知識、能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)密切地聯(lián)系在一起，不僅能夠傳授科學知識、培養(yǎng)學生能力，教育學生如何思維和探究，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，而且有利于培養(yǎng)學生正確的人生觀和價值觀，提高學生的人文和科學素養(yǎng)，提高學生的思想道德水平[15]。

3 高考關(guān)于物理學史的考查

高考物理一直注意對物理學史內(nèi)容的考查，特別是課程改革以后，高考物理改變了以往單純考查物理學史知識的方法，注重聯(lián)系物理學史內(nèi)容，考查學生的能力和素養(yǎng)。通過考查學生對物理概念和規(guī)律的產(chǎn)生和發(fā)展過程、物理學家探索發(fā)現(xiàn)物理概念和規(guī)律的過程和研究方法等內(nèi)容的了解，鑒別考生掌握物理概念和規(guī)律的程度，反映考生的科學素養(yǎng)，引導中學重視物理學史的教學。

通過梳理、分析2007年以來全國卷中關(guān)于物理學史的試題，主要可以分為以下幾類：

3.1 通過呈現(xiàn)物理學家的貢獻，考查考生的基本科學素養(yǎng)

物理學的發(fā)展過程，實質(zhì)上是物理學家不斷探索、發(fā)現(xiàn)重要概念和規(guī)律的過程，正是由于這些投身于物理研究的科學家的貢獻，經(jīng)過4個世紀的發(fā)展，物理學才成為一門有著眾多分支、令人尊敬和熱愛的基礎科學。對于物理學家貢獻的理解有利于厘清物理學發(fā)展的歷程，構(gòu)建清晰的物理學知識體系，提升學生的人文精神和科學素養(yǎng)。新課程后高考物理中許多物理學史試題都是直接考查物理學家的重大發(fā)現(xiàn)或發(fā)明，要求考生在理解的基礎上掌握物理學家發(fā)現(xiàn)物理概念或規(guī)律的內(nèi)容，從而促進學生對概念和規(guī)律的理解和掌握。

例1：（2010年課標卷）在電磁學發(fā)展過程中，許多科學家做出了貢獻。下列說法正確的是

A.奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應；法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象

表1

B.麥克斯韋預言了電磁波；楞次用實驗證實了電磁波的存在

C.庫侖發(fā)現(xiàn)了點電荷的相互作用規(guī)律；密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數(shù)值

D.安培發(fā)現(xiàn)了磁場對運動電荷的作用規(guī)律；洛侖茲發(fā)現(xiàn)了磁場對電流的作用規(guī)律

例2：（2014年課標甲卷）在人類對微觀世界進行探索的過程中，科學實驗起到了非常重要的作用。下列說法符合歷史事實的是

A.密立根通過油滴實驗測出了基本電荷的數(shù)值

B.貝克勒爾通過對天然放射現(xiàn)象的研究，發(fā)現(xiàn)了原子中存在原子核

C.居里夫婦從瀝青鈾礦中分離出了釙（Po）和鐳（Ra）兩種新元素

D.盧瑟福通過α粒子散射實驗證實了在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子

E.湯姆遜通過陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的實驗，發(fā)現(xiàn)了陰極射線是由帶負電的粒子組成的，并測出了該粒子的比荷

在電磁學和原子物理學的發(fā)展過程中，許多物理學家都做出了重大發(fā)現(xiàn)，為電磁學和原子物理學概念和規(guī)律、理論框架的建立做出了突出的貢獻。高中物理教材中在講述這些概念和規(guī)律時，都闡述了這些物理學家的貢獻。上面兩個例題通過考查考生對這些物理學家貢獻的了解情況，鑒別考生是否了解相關(guān)概念和規(guī)律，知識脈絡是否清晰，有利于幫助學生形成合理的學科框架，養(yǎng)成崇尚科學、尊重科學的良好習慣。

3.2 通過物理學家探究問題的思想和方法，考查物理過程與方法

物理學家探究物理概念或規(guī)律的思想和方法，體現(xiàn)了物理學家解決問題的智慧。通過再現(xiàn)物理學家研究問題的史實，讓考生重復物理學家研究和發(fā)現(xiàn)物理問題的實驗或方法，從而鑒別考生對相關(guān)物理過程和方法的理解和掌握程度。

例3：（2014年課標乙卷）在法拉第時代，下列驗證“由磁產(chǎn)生電”設想的實驗中，能觀察到感應電流的是

A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合回路，然后觀察電流表的變化

B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈，然后觀察電流表的變化

C.將一房間內(nèi)的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接。往線圈中插入條形磁鐵后，再到相鄰房間去觀察電流表的變化

D.繞在同一鐵環(huán)上的兩個線圈，分別接電源和電流表，在給線圈通電或斷電的瞬間，觀察電流表的變化

例4：（2013年課標乙卷）圖1是伽利略1604年做斜面實驗時的一頁手稿照片，照片左上角的三列數(shù)據(jù)如下表。表中第二列是時間，第三列是物體沿斜面運動的距離，第一列是伽利略在分析實驗數(shù)據(jù)時添加的。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，伽利略可以得出的結(jié)論是

圖1

A.物體具有慣性

B.斜面傾角一定時，加速度與質(zhì)量無關(guān)

C.物體運動的距離與時間的平方成正比

D.物體運動的加速度與重力加速度成正比

例3以法拉第時代驗證“由磁產(chǎn)生電”設想的實驗中的失敗和成功的生動史實為背景，考查學生對于電磁感應定律的掌握程度；例4通過給出伽利略斜面實驗的數(shù)據(jù)，要求考生根據(jù)數(shù)據(jù)歸納出相關(guān)結(jié)論。這兩道試題通過呈現(xiàn)物理學家研究發(fā)現(xiàn)物理問題的實際情境，要求學生通過嘗試和重復物理學家探究物理概念和規(guī)律的方法，對物理問題進行分析和判斷，并得出結(jié)論，展現(xiàn)了在科學研究中實際出現(xiàn)的“失敗、失敗、直至成功”的經(jīng)歷，讓考生體會物理學家科學探究的努力、艱辛和曲折。

3.3 利用物理學家的發(fā)現(xiàn)或理論，考查分析和評價物理問題的能力

物理學家的發(fā)現(xiàn)或相關(guān)理論的提出，都是基于一定的歷史條件或前提假設。學生應該能夠在一定的歷史條件或假設的前提下，來理解和應用這些發(fā)現(xiàn)或理論。高考物理通過呈現(xiàn)物理學家的研究結(jié)論，要求考生運用這些結(jié)論來分析具體的物理問題，檢驗考生對物理史實的了解和相關(guān)理論的理解情況。

例5：（2011年課標卷）為了解釋地球的磁性，19世紀安培假設：地球的磁場是由繞過地心的軸的環(huán)形電流I引起的。在下列四個圖中，正確表示安培假設中環(huán)形電流方向的是

例6：（2007年海南卷）16世紀末，伽利略用實驗和推理，推翻了已在歐洲流行了近兩千年的亞里士多德關(guān)于力和運動的理論，開啟了物理學發(fā)展的新紀元。在以下說法中，與亞里士多德觀點相反的是

A.四匹馬拉的車比兩匹馬拉的車跑得快；這說明，物體受的力越大，速度就越大

B.一個運動的物體，如果不再受力了，它總會逐漸停下來；這說明，靜止狀態(tài)才是物體長時間不受力時的“自然狀態(tài)”

C.兩物體從同一高度自由下落，較重的物體下落較快

D.一個物體維持勻速直線運動，不需要受力

例5要求考生根據(jù)安培假設對地球的磁性進行判斷，例6通過幾個物理事實考查考生對亞里士多德的基于直覺經(jīng)驗得出的、與現(xiàn)代經(jīng)典物理規(guī)律相違背的理論的了解和認識，從而了解物理概念的發(fā)展過程。這兩道例題要求學生在正確理解的基礎上對當時歷史條件下的物理問題進行分析和判斷，從而得到正確答案。

通過對近些年來高考中物理學史考查試題的分析和總結(jié)，當前高考關(guān)于物理學史考查的理念和方法主要如下：

（1）知識內(nèi)容：主要考查在物理學發(fā)展過程中物理學家的重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，包括物理概念、規(guī)律和理論；物理學家探究物理問題的過程、思想和方法，學生能否應用這些研究過程、思想和方法去對當時的物理問題或新的物理問題進行分析、判斷和評價，了解學生對這些物理思想、方法和過程的理解程度；物理學家研究物理問題的重要實驗的原理、方法和結(jié)論。

（2）能力目標：主要考查考生的理解和推理能力。通過物理學史的知識內(nèi)容，加深對物理概念和規(guī)律的理解，或者能夠運用物理學史的相關(guān)知識去推理和分析當時歷史條件下的物理問題或新的具體物理問題。

（3）題型：主要通過選擇題進行考查，一般為四選多或五選多的選擇題，從而能夠?qū)δ巢糠謨?nèi)容中的物理學史知識進行比較全面的考查，有利于引導學生在學習的過程中，利用物理學史知識的學習，梳理物理學觀念和規(guī)律的發(fā)展脈絡，建立清晰的物理知識體系。

（4）難度控制：根據(jù)物理學史試題的考查目標，其難度一般控制在中等難度或偏易，從而保證發(fā)揮其良好引導中學教學的目的。從課程標準后高考全國卷考查的15道物理學史試題的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，其中11道試題難度分布在0.45到0.6之間，有2道試題難度分別為0.22和0.35，2道試題難度分別為0.67和0.79?？傮w而言，難度控制得當，對考生有良好的區(qū)分。

4 今后高考物理考查物理學史的思考

強調(diào)科學的人文功能和教育功能是當今科學教育的重要內(nèi)容之一，通過高考中物理學史的考查，引導中學物理教學重視物理學史的教育，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和人文精神，能夠更加突出高考“兩個有利”的功能。對于物理學史在高考中的要求，今后可以進一步研究和探討：

1.明確高考關(guān)于物理學史內(nèi)容考查的要求。高中物理課程標準中明確描述了有關(guān)物理學史教學的內(nèi)容標準，有利于教師清楚地把握物理學史的教學內(nèi)容和要求，而在高考《考試大綱》和《考試說明》中除了命題原則中有相關(guān)描述外，并沒有關(guān)于物理學史內(nèi)容的具體要求。而有的國外考試十分重視物理學史的考查，明確了物理學史的考查目標和考試內(nèi)容[16]。實施課程標準高考以后，物理學史成為每年高考的必考內(nèi)容，因此有必要將部分主要的物理學史內(nèi)容的要求呈現(xiàn)在《考試大綱》或《考試說明》中，明確物理學史的考查要求。同時，要細化物理學史的考核目標。關(guān)于科學教育的目標，申先甲先生認為分為三個層次[17]，第一層次是直接傳授知識和培養(yǎng)學生的能力；第二層次是教會學生如何思維，激發(fā)學生的創(chuàng)造思維；第三層次是教學生如何做人，培養(yǎng)正確的價值觀和人生觀，提高學生思想道德水平和文化素養(yǎng)。當前物理學史的考查方式主要體現(xiàn)在第一層次上，在第二層次方面略有體現(xiàn)，而對于第三層次的目標沒有明顯體現(xiàn)。因此，應該進一步研究能夠考查學生的思維過程，反映學生價值觀的試題設計方法，通過分析、評價等手段，對物理學史相關(guān)內(nèi)容進行價值分析和判斷，挖掘物理學史中的物理思想和方法，讓學生更好地體驗科學對社會經(jīng)濟生活的重大影響。

2.創(chuàng)新物理學史試題設計的方式方法。與傳統(tǒng)的物理學史考查方法相比，當前的物理學史試題設計已經(jīng)發(fā)生了較大變化，避免了“死記硬背”的“再現(xiàn)”式方法，而是考查考生通過物理學史內(nèi)容理解和推理的能力。今后應進一步挖掘物理學史的內(nèi)容，通過拓展物理學史的內(nèi)容素材，豐富物理學史情境的呈現(xiàn)方式，變化試題的設問角度等多種方法提高物理學史內(nèi)容的考查信度和效度。

3.題型多樣化，完善題型考查功能。當前高考物理考查物理學史的題型只有選擇題，題型單一，考查功能有所缺失。應該研究其他題型的設計方式，包括簡述題、評析題等，通過呈現(xiàn)考生對物理史實及其地位和作用的分析、評價和判斷的過程，鑒別考生對物理概念和規(guī)律的理解，對物理思想和方法的價值判斷，以及科學和技術(shù)對科學思維和當今時代的各種影響，體現(xiàn)對考生的情感態(tài)度與價值觀的正確導向。

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