陸良榮

(江蘇省吳江中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 蘇州 215200)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》把“科學(xué)探究”列為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個方面之一．物理學(xué)史是一部科學(xué)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(xué)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的良好“抓手”．教師若能結(jié)合物理學(xué)史開展探究教學(xué),不僅會使課堂更加生動更有內(nèi)涵,而且能幫助學(xué)生更好地厘清探究本質(zhì),還可以更有針對性地培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．對此,筆者結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗,從知識建構(gòu)、方法學(xué)習(xí)、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(dǎo)．

1 滲透物理學(xué)史教育,夯實科學(xué)探究的根基——知識的建構(gòu)

科學(xué)探究的過程同時也是學(xué)生知識建構(gòu)的過程．物理知識是學(xué)生開展科學(xué)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(xué)史是一部知識史,它展示了包含概念、規(guī)律、定理、定律等物理知識的發(fā)生和發(fā)展的過程．滲透物理學(xué)史教育,既可以在教學(xué)中關(guān)注到學(xué)生的知識背景,也能促進學(xué)生的知識獲得．這樣的做法有助于學(xué)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(xué)史教育,為知識學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)情景性

后現(xiàn)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(tǒng)來表達．知識的學(xué)習(xí)離不開特定的境域．教學(xué)中滲透物理學(xué)史內(nèi)容,創(chuàng)設(shè)與歷史上相似的情境,形成真切的探索氛圍,不僅可以引導(dǎo)學(xué)生認識科學(xué)發(fā)現(xiàn)與當時社會的重要事件的聯(lián)系,而且可以讓學(xué)生了解當時人類掌握科學(xué)知識的水平,還可以讓學(xué)生理解當時科學(xué)家們的知識狀況和見解．

教學(xué)案例: “電磁感應(yīng)”的教學(xué)導(dǎo)入,教師呈現(xiàn)電磁學(xué)發(fā)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(xué)家伏打利用化學(xué)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(chǎn)生電流的方法呢?

師：(演示重現(xiàn)奧斯特實驗)丹麥物理學(xué)家奧斯特在1820年發(fā)現(xiàn)了“電流的磁效應(yīng)”,打破了長期以來人們認為電與磁之間沒有聯(lián)系的觀念;不久,法國科學(xué)家安培提出右手螺旋定則,即電流周圍磁場的分布規(guī)律,使得對電磁聯(lián)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(xué)導(dǎo)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(guī)律．假如沒有相應(yīng)的歷史背景作為支撐,學(xué)生也就不會清楚所學(xué)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(xué)習(xí)也會變得乏味．

物理學(xué)史提供了學(xué)習(xí)知識最本真的情境,幫助學(xué)生從注重科學(xué)知識本身的習(xí)得轉(zhuǎn)向歷史地、多維地審視科學(xué)的進程,按照科學(xué)發(fā)生、發(fā)展的本來面貌邏輯地展開科學(xué)課程的教學(xué),有效促進學(xué)生對知識的理解．

1.2 滲透物理學(xué)史教育,為知識構(gòu)建展顯過程性

教育重演論認為現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)是在認知意義上對人類文化發(fā)展過程的一種重演,即現(xiàn)代人的認知發(fā)展是對其前輩認知水平長期演化過程的濃縮．學(xué)習(xí)離不開認知的過程,不存在只有結(jié)果沒有過程的學(xué)習(xí)．學(xué)生不可能僅憑結(jié)果就構(gòu)建起自己的知識網(wǎng)絡(luò)．借助物理學(xué)史,在較短時間內(nèi)重演有關(guān)知識的形成過程．學(xué)生在這個過程中的“切身體會”可以有效地促進學(xué)生對相關(guān)知識的構(gòu)建．

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

(1) 古希臘“觸須”說——牛頓支持微粒說——光電效應(yīng)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(tǒng)一——德布羅意提出物質(zhì)波假說.

點評與思考:直接給出結(jié)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(xué)生“經(jīng)歷”人類對光本質(zhì)認識的歷史過程,不僅有利于學(xué)生理解光的本質(zhì),還有助于學(xué)生認識真理的相對性．

教學(xué)中物理學(xué)史的滲透教育,可以幫助學(xué)生了解所學(xué)知識的形成或發(fā)展過程,客觀地認識相關(guān)理論．這個過程也是學(xué)生真正理解所學(xué)知識,建構(gòu)自己知識網(wǎng)絡(luò)的過程．

1.3 滲透物理學(xué)史教育,為知識理解呈現(xiàn)發(fā)展性

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

教學(xué)案例: 在“原子結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中,幫助學(xué)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(jié)構(gòu)的模型發(fā)展

點評與思考:湯姆孫、盧瑟福、玻爾等科學(xué)家研究原子結(jié)構(gòu)的歷程,生動地告訴我們科學(xué)是“繼承—突破—再繼承—再突破”的曲折發(fā)展的歷程．

物理學(xué)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(xué)之所以發(fā)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(xué)史教育,萃取科學(xué)探究的精華——方法的學(xué)習(xí)

科學(xué)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(xué)的發(fā)展歷程也是科學(xué)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(xué)方法,把探究的程序“問題、證據(jù)、解釋、交流”當成了科學(xué)方法.這樣做顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)．

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

2.1 滲透物理學(xué)史教育,認識實驗在科學(xué)發(fā)展中的基礎(chǔ)作用

物理學(xué)的發(fā)展以實驗為基礎(chǔ),物理學(xué)理論的產(chǎn)生或突破,都建立在實驗技術(shù)進步與思想發(fā)展的基礎(chǔ)上．歷史上科學(xué)家做過的實驗往往是教學(xué)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(chǎn)生物理知識的方法,是對學(xué)生進行“科學(xué)方法”教育的重要素材．

教學(xué)案例： 在“劃時代的發(fā)現(xiàn)”的教學(xué)中,向?qū)W生介紹代表法拉第“突破”“領(lǐng)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(guān)的瞬間首次觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象．

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

實驗3(擴展):介紹線圈與電流計構(gòu)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(fā)電機．

點評與思考:教師可以選取歷史上的典型實驗向?qū)W生說明設(shè)計實驗的思想與方法,讓學(xué)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(xué)魅力．

圖1 突破

圖2 領(lǐng)悟

圖3 擴展

圖4 運用

課堂上展示物理學(xué)家別具匠心的設(shè)計、精湛無比的技術(shù)、精巧奇妙的方法可以讓學(xué)生認識到實驗在理論的產(chǎn)生、發(fā)展和驗證過程中的決定性作用,從而讓學(xué)生深刻領(lǐng)會實驗在物理學(xué)中的地位和作用．

2.2 滲透物理學(xué)史教育,領(lǐng)悟方法在科學(xué)發(fā)展中的促進作用

科學(xué)方法在物理學(xué)發(fā)展過程中起著重要作用．物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與突破,離不開科學(xué)的研究方法．教學(xué)中借鑒歷史上科學(xué)家成熟的研究方法來指導(dǎo)訓(xùn)練學(xué)生,對其進行科學(xué)方法的教育,是幫助學(xué)生把握科學(xué)內(nèi)涵、提升學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑．

教學(xué)案例： 在“庫侖定律”的教學(xué)中,向?qū)W生介紹庫侖二分法.

兩個完全相同的金屬小球都不帶電,現(xiàn)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(shù)關(guān)系替代了電荷量的定量測定．這種方法在教學(xué)中多次體現(xiàn),比如在“電容器的電容”教學(xué)中,用類似方法來解決電量測量的問題．

科學(xué)方法往往蘊含在知識的背后．只有方法教育與學(xué)科內(nèi)容相結(jié)合,才能讓學(xué)生理解其內(nèi)涵．脫離了知識學(xué)習(xí),純粹進行方法教育是空洞的,正如“皮之不存,毛將焉附”,學(xué)生也不能將方法應(yīng)用于實際去解決問題．

2.3 滲透物理學(xué)史教育,學(xué)習(xí)思辨在科學(xué)發(fā)展中的批判作用

思辨能力是基于客觀事實和科學(xué)推理,對已有觀點和結(jié)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?qū)W生講授科學(xué)的發(fā)展時,有必要把當時科學(xué)家的思想背景及受到的觀念束縛向?qū)W生介紹清楚.這樣能更好地展現(xiàn)科學(xué)家們質(zhì)疑時無比的勇氣和釋疑時無比的智慧,從而取得重大發(fā)現(xiàn)的思辨歷程．

教學(xué)案例： 在“玻爾的原子模型”的教學(xué)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?qū)W生說明它的問題所在.

盧瑟福一開始就提出質(zhì)疑:從一個能態(tài)跳到另一能態(tài),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(fā)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(tài)而又未到達E2態(tài),那時電子處在什么狀態(tài)呢?

點評與思考:如果沒有呈現(xiàn)這段歷史,學(xué)生會更關(guān)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(xué)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(xué)問題的演化背景,可以示范性地教導(dǎo)學(xué)生思辨的一些方法．這樣做有利于培養(yǎng)學(xué)生不盲信盲從,敢于質(zhì)疑敢于突破的品質(zhì)．

3 滲透物理學(xué)史教育,觸及科學(xué)探究的靈魂——思想的升華

科學(xué)思想的發(fā)展伴隨著科學(xué)本身的發(fā)展．科學(xué)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(xué)價值．科學(xué)思想應(yīng)時時滲透在物理教學(xué)中,而不能看作是教學(xué)之外的附加品．

當前,探究教學(xué)中還存在著忽視培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思想的種種現(xiàn)象,這使得一些學(xué)生成為“缺乏思想”的人．教師如果能夠借助物理學(xué)史在教學(xué)中向?qū)W生滲透科學(xué)思想的教育,這必將發(fā)揮出更大的教學(xué)效益,從而提升學(xué)生核心素養(yǎng)．

3.1 滲透物理學(xué)史教育,變革學(xué)生物理觀念

物理學(xué)史是一部人類認識自然的基本觀念的演化史．物理學(xué)理論的每一次變革, 都以基本觀念的演變?yōu)橄葘?dǎo)．滲透物理學(xué)史,可以使學(xué)生在探究教學(xué)中習(xí)得新知識新理論的同時,更順當?shù)剞D(zhuǎn)變自己的思想觀念和思維方法,跨過理論變革的“門坎”．

教學(xué)案例： 在“能量量子化”的教學(xué)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(fā)現(xiàn)“要么是荒誕無稽的,要么也許是牛頓以來物理學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一．”

后來,在愛因斯坦等科學(xué)家的推動下,量子力學(xué)得到快速發(fā)展,普朗克提出量子假說成為物理學(xué)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(xué)生是難以理解為什么量子假說在新物理學(xué)思想中具有那么高的地位．只有讓學(xué)生事先知道“能量連續(xù)變化的”這個傳統(tǒng)觀念,學(xué)生才能明白普朗克打破了傳統(tǒng)是多么“瘋狂”．

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

3.2 滲透物理學(xué)史教育,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)情懷

物理學(xué)史上許多科學(xué)家的故事生動感人,特別是他們?yōu)樽非笳胬戆僬鄄换氐木?對學(xué)生很具有教育意義．但在課堂上,教師卻往往會忽視對學(xué)生科學(xué)情懷的培養(yǎng)．倘若教師讓學(xué)生從歷史的節(jié)點出發(fā),站在科學(xué)家的的角度,去對科學(xué)發(fā)展進行研究,會使學(xué)生對人生價值的追求產(chǎn)生深刻的影響．

教學(xué)案例： 在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的教學(xué)中,教師可以給學(xué)生補充這段歷史:

奧斯特發(fā)現(xiàn)“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(jīng)過長達10年的艱若探索,經(jīng)歷了失敗困苦,終于揭示了“磁生電”的奧秘在于非穩(wěn)定的“暫態(tài)效應(yīng)”．

(教師展示第一臺發(fā)電機圖片)在法拉第發(fā)明圓盤發(fā)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?nèi)祟惿蠲婷驳摹熬奕恕?人類社會從此進入電氣化時代．

點評與思考:在教學(xué)中融入物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容,使學(xué)生體會伴隨科學(xué)家輝煌成就的是充滿矛盾與斗爭的艱辛歷程,并逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)情懷.

物理學(xué)史中有很多素材展現(xiàn)了科學(xué)家們的科學(xué)理想、獻身精神以及高尚情操．利用這些素材能較好地培養(yǎng)學(xué)生堅持不懈、勇于創(chuàng)新的科學(xué)素養(yǎng),達到既提高教學(xué)效率,又凝聚學(xué)生意志的效果．

3.3 滲透物理學(xué)史教育,凝聚學(xué)生人文精神

物理學(xué)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(huán)境限制,直接引領(lǐng)我們觀念的轉(zhuǎn)變．教師通過物理學(xué)史的滲透教學(xué),可以使學(xué)生直接感受科學(xué)大師的世界觀和人文精神,讓學(xué)生在接受科學(xué)教育的同時受到人文的熏陶．這樣做有利于加深學(xué)生對科學(xué)的本質(zhì)、功能等的認識,也利于學(xué)生健全人格的培養(yǎng)．

教學(xué)案例： 在“核裂變”的教學(xué)中,教師可以向?qū)W生滲透STS教育.

1938年底,德國物理學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼首次實現(xiàn)了鈾核裂變．一些科學(xué)家從這發(fā)現(xiàn)中預(yù)感到了原子彈的巨大威力．由于擔(dān)心納粹德國會利用這一發(fā)現(xiàn)來制造原子彈并危害世界,很多科學(xué)家焦慮萬分．愛因斯坦在1939年8月2日簽署了給美國總統(tǒng)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(zhàn)后,他又出于良知和社會責(zé)任感堅決反對使用原子彈,成為反核戰(zhàn)爭的積極分子．

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

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

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