洪澤俊
【摘要】筆者認(rèn)為高中物理教師應(yīng)重視物理學(xué)史的教育功能,充分挖掘物理學(xué)史中的科學(xué)思維要素,通過(guò)物理學(xué)史展示人類(lèi)探索自然規(guī)律的過(guò)程,加深學(xué)生對(duì)科學(xué)思維的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)具體的物理學(xué)史教學(xué)素材,如原子模型的建立過(guò)程、牛頓第一定律的建立過(guò)程、α粒子散射實(shí)驗(yàn)等,通過(guò)經(jīng)歷科學(xué)家理論的提出過(guò)程,促使高中生形成模型構(gòu)建的意識(shí),通過(guò)人們對(duì)自然規(guī)律的探索,使高中生掌握科學(xué)推理的技巧,由物理科學(xué)史上經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)培養(yǎng)高中生科學(xué)論證的能力。
【關(guān)鍵詞】物理學(xué)史;科學(xué)思維;高中生;模型構(gòu)建;科學(xué)推理
《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中明確指出:物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。其中,“科學(xué)思維”是從物理學(xué)角度對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而形成創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格?!翱茖W(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。
物理學(xué)史是在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中形成的,描述物理學(xué)自身發(fā)展歷程的學(xué)科,是關(guān)于物理學(xué)本身發(fā)展規(guī)律的學(xué)科。物理學(xué)史主要研究物理學(xué)概念、理論和思想的產(chǎn)生、演化過(guò)程及其發(fā)展規(guī)律,考察物理學(xué)家的生平、成就及思維方式和研究方法上的特點(diǎn),探究物理學(xué)家科研成敗的原因,研究歷史上物理學(xué)發(fā)展中不同觀點(diǎn)和理論之間的紛爭(zhēng)與融合,考察物理學(xué)發(fā)展的內(nèi)部邏輯、外部動(dòng)力和相互關(guān)系。
一、重歷科學(xué)家理論提出過(guò)程,形成模型建構(gòu)意識(shí)
模型構(gòu)建是學(xué)生根據(jù)研究問(wèn)題和情境,在對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過(guò)程、理想實(shí)驗(yàn)和物理概念的過(guò)程。
在物理學(xué)發(fā)展史上,原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展可謂是模型構(gòu)建的典型。從古至今,人們對(duì)構(gòu)成物質(zhì)基本粒子的探索從未停止。古希臘哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為宇宙間存在一種或多種微小的實(shí)體,稱(chēng)為“原子”,意為“不可分割的物品”。19世紀(jì)末,英國(guó)科學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子,并證明了電子是所有物質(zhì)共有的組成部分,“不可分割”的原子論不攻自破。之后,不少科學(xué)家紛紛提出了有關(guān)原子的模型。比如,1903年,勒納德發(fā)現(xiàn)高速電子能穿透幾千個(gè)原子厚度,這表明原子內(nèi)部大部分空間是空蕩蕩的,因此他設(shè)想由正負(fù)粒子組成的極小的“剛性配偶體”漂浮于原子太空中;1904年,湯姆孫提出了著名的“葡萄干面包模型”,即原子中帶正電的部分就像均勻分布的面包,而帶負(fù)電的電子就像葡萄干一樣均勻鑲嵌到面包中,并在各自位置附近振動(dòng),從而產(chǎn)生原子光譜。
雖然上述模型都非準(zhǔn)確的原子模型,但這些模型的提出都代表著科學(xué)家們的思考,如勒納德提出的原子內(nèi)部非??諘缇团c事實(shí)十分吻合,也不斷推動(dòng)著后人對(duì)原子模型的研究。之后,盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)事實(shí)與“葡萄干面包模型”之間存在矛盾,經(jīng)過(guò)深入研究后,他提出了原子的核式模型:帶正電的原子核居于原子中央,體積極小,帶負(fù)電的電子圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)。盧瑟福的模型完美地解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)并成功估算了原子核的直徑,但也存在巨大的缺陷,電子繞核的圓周運(yùn)動(dòng)必將產(chǎn)生光輻射,從而引起能量耗散,電子半徑將縮短,其軌跡是一條連續(xù)的螺旋線,其原子光譜應(yīng)該是連續(xù)譜,電子將很快跌落到原子核上,導(dǎo)致原子非常不穩(wěn)定,而實(shí)際上原子光譜是線狀譜,原子非常穩(wěn)定。在盧瑟福研究的基礎(chǔ)上,波爾通過(guò)兩個(gè)著名的假說(shuō)“定態(tài)假設(shè)”和“頻率假設(shè)”,將普朗克的量子論引入氫原子模型中,克服了原子的穩(wěn)定性問(wèn)題,成功解釋了氫原子和類(lèi)氫原子的光譜。
原子模型的建立過(guò)程令人眼花繚亂,教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入19世紀(jì)末的物理學(xué)世界,通過(guò)介紹讓學(xué)生了解各種模型提出的歷史背景與知識(shí)背景,體會(huì)科學(xué)家構(gòu)建模型的基本思路,并意識(shí)到正確模型的構(gòu)建并非一朝一夕之功,而是漫長(zhǎng)曲折的過(guò)程。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察物理現(xiàn)象,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確建立模型,找出紛繁復(fù)雜現(xiàn)象背后共有的規(guī)律。
二、模仿物理規(guī)律探索途徑,訓(xùn)練科學(xué)推理技巧
科學(xué)推理既有邏輯上的歸納、演繹、類(lèi)比推理,又有比較與分類(lèi)、分析與綜合等思維方式。高中生應(yīng)能夠利用多種思維方式,從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度進(jìn)行推理,找到規(guī)律,形成結(jié)論,解釋自然現(xiàn)象并解決實(shí)際問(wèn)題。
牛頓第一定律的建立過(guò)程就充分展現(xiàn)了科學(xué)推理的歸納、演繹、推理等思維方式。牛頓第一定律的建立經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,歸功于亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓這幾位科學(xué)家的集體智慧。亞里士多德采用觀察法,提出了“有力才有運(yùn)動(dòng),沒(méi)有力物體停止運(yùn)動(dòng)”的觀點(diǎn),這一觀點(diǎn)延續(xù)了2000多年;伽利略通過(guò)邏輯推理及理想實(shí)驗(yàn),告訴人們“維持物體的運(yùn)動(dòng)不需要力”;笛卡爾通過(guò)數(shù)學(xué)論證指出“物體不受力時(shí),不會(huì)沿直線運(yùn)動(dòng),保持直線運(yùn)動(dòng)”;牛頓通過(guò)歸納總結(jié),形成了牛頓第一定律“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”。
從時(shí)間上看,牛頓第一定律的建立經(jīng)歷了數(shù)代科學(xué)家前赴后繼的努力,對(duì)力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索過(guò)程由錯(cuò)誤到正確,由模糊到清晰,值得后人借鑒。教師將牛頓第一定律的建立過(guò)程呈現(xiàn)給學(xué)生,讓學(xué)生重走規(guī)律發(fā)現(xiàn)之路,可以讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)結(jié)論得出的艱難,使學(xué)生領(lǐng)略到科學(xué)推理在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律過(guò)程中的巨大力量,并能自主構(gòu)建物理知識(shí),深刻認(rèn)識(shí)牛頓第一定律。
三、剖析物理學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)科學(xué)論證能力
科學(xué)論證是以科學(xué)知識(shí)為中介,積極面對(duì)問(wèn)題,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋說(shuō)明,提出觀點(diǎn),比較與他人觀點(diǎn)的不同,反思自己觀點(diǎn)的不足,并能對(duì)他人的反駁和質(zhì)疑進(jìn)行回應(yīng)的能力。
在原子模型的建立過(guò)程中,有一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)——α粒子散射實(shí)驗(yàn)。盧瑟福是湯姆孫的學(xué)生,為了驗(yàn)證老師理論的正確性,1909年,盧瑟福完成了α粒子散射實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
按照湯姆孫的模型,原子質(zhì)量是均勻分布的,就像松軟的面包一樣,那么高速運(yùn)動(dòng)(0.1c)的α粒子流將不費(fèi)吹灰之力地穿過(guò)已經(jīng)延展得非常薄的金箔,最多只有微小的偏轉(zhuǎn)。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人吃驚:個(gè)別α粒子居然被反向彈回。盧瑟福當(dāng)時(shí)這樣描述他的感受:“這就像你用15英寸的炮彈向一張紙轟擊,結(jié)果炮彈卻被反彈回來(lái),反而擊中了你自己一樣?!?/p>
湯姆孫的模型明顯無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果,一邊是自己尊敬的老師,另一邊則可能是物理學(xué)上的真理,站在十字路口的盧瑟福該何去何從呢?亞里士多德曾說(shuō):“吾愛(ài)吾師,吾更愛(ài)真理?!碧剿髡胬硎敲恳晃晃锢韺W(xué)家畢生的追求,盧瑟福也是如此。教師可以帶領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)了解盧瑟福根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推理論證過(guò)程。
①電子質(zhì)量約為α粒子質(zhì)量的1/7300,無(wú)法造成α粒子的大角度偏轉(zhuǎn);
②大角度偏轉(zhuǎn)并非多次小角度偏轉(zhuǎn)的累積,否則α粒子的大角度應(yīng)該按照預(yù)期的概率規(guī)律分布,實(shí)際觀測(cè)到的并無(wú)此規(guī)律;
③大角度偏轉(zhuǎn)的機(jī)會(huì)極小,應(yīng)該是因?yàn)榻鹪觾?nèi)部存在著質(zhì)量遠(yuǎn)大于α粒子的堅(jiān)硬核心,當(dāng)α粒子撞擊到這個(gè)核心時(shí),就像一個(gè)彈性小球撞擊到墻壁一般被反彈了回來(lái);
④大角度偏轉(zhuǎn)的概率很小,反向彈回的概率更小,說(shuō)明這個(gè)堅(jiān)硬的核心所占的空間極小。
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)并充分推理的基礎(chǔ)上,盧瑟福提出了原子的核式模型,完美地解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)。
通過(guò)對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的介紹、延展、挖掘,經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的魅力得以呈現(xiàn)在學(xué)生面前,學(xué)生了解到如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)已有理論進(jìn)行驗(yàn)證,當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有理論出現(xiàn)沖突時(shí),又該何去何從,從而逐漸形成科學(xué)驗(yàn)證的意識(shí)。
著名哲學(xué)家培根曾說(shuō):“讀史使人明智。”在物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史,有助于學(xué)生逐漸形成經(jīng)典物理學(xué)中的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀等,從而訓(xùn)練學(xué)生分析與綜合、抽象與概括、比較與分類(lèi)及邏輯推力等科學(xué)思維。深入挖掘物理學(xué)史的教育功能,促進(jìn)高中生物理學(xué)科核心的提升,是每位中學(xué)物理教師的必修課。
【參考文獻(xiàn)】
1.中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.
2.胡化凱.物理學(xué)史二十講[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009.
3.李勇,程力.課程標(biāo)準(zhǔn)高考物理學(xué)史考查的理念和方法研究[J].中國(guó)考試,2015(03):15-21.
4.廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)解讀[M].北京:高等教育出版社,2018.
5.青峰.簡(jiǎn)明物理學(xué)史[M].南京:南京大學(xué)出版社,2007.
6.陳文鑫.物理學(xué)史在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用——以初中《牛頓第一定律》為例[J].物理教學(xué)探討,2015,33(06):25-27.