物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史,它揭示了物理学发展的规律及其内在逻辑性,集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的历程。学生的认识过程与人类认识的历史发展过程有着许多相似之处,因此,在物理教学中正确而恰当地运用物理学史,介绍物理史实,不仅使学生从历史的素材中,透视物理知识发现和发展的来龙去脉,认识物理学家的科学方法和科学思维特点,加深对物理知识的理解,而且可以从中得到教益,受到启示,提高自身的科学素养。在物理教学中贯穿物理学史的教育,对培养创造性人才有着重要作用。
一、向学生介绍物理学史知识的必要性
学习一门学科首先要弄清楚这是一门怎样的学科。物理学的本质特征是什么?当今物理学究竟发展到了哪个阶段?在科学中的地位如何?与其他学科有什么联系?这些问题大都不被学生了解。在教学中,物理学史的渗入可以使学生初步了解物理学产生与发展的过程,体会物理学对人类文明发展的作用,从而对物理有一个较为全面的认识:它既是一门科学,更是一种文化。物理学是研究物质运动的一般规律和物质基本结构的科学。它研究的运动普遍存在于其它高级的复杂的物质运动形态之中,因而物理学是其他自然科学的重要基础,对整个科学系统产生着深刻地影响。
介绍必要的物理学史知识可以使学生在平时的学习中对所学问题的背景产生更加深入的理解,认识到物理绝不是孤立的,它与其他很多学科都关系密切,物理学的知识及研究方法渗透到各个科学领域,许多领域内的学生都发现自己正在学习物理学,这是因为它在所有的现象中起着基本的作用。比如:物理学与数学关系密切,源远流长,历史上有许多着名科学家如牛顿,莱布尼茨,帕斯卡,高斯等对这两门学科都作出重要的贡献。牛顿为解决运动问题,创立了和物理概念直接联系的数学理论微积分,顺利地处理了一些具体问题,如切线问题、求积问题、瞬时速度问题以及函数的极大和极小值问题等。物理学与化学本来就是唇齿相依、息息相关的,有人说,化学是分子、原子水平上的物理学;生物学是大分子集团的物理学,物理在生命科学中也具有广阔的应用前景。在物理学研究中形成的基本概念和理论,基本实验方法和精密测试技术,已经越来越广泛地应用于其他学科,进而极大地丰富了人类对物质世界的认识,极大地推动了科学技术的创新和革命,极大地促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。
课程标准对物理教学需要讲授的物理学史内容给出了明确的要求,新教材的编排为落实这一理念也做出了相当努力,在物理学家生平、物理学研究方法、物理学实验等方面都有相应的介绍,相应的图片资料,文字信息和阅读链接都做得很到位。当然课程标准新理念的具体落实,以及教材的实际操作,关键在于一线教师。如何引导学生去查阅资料,利用丰富的图文资料展开学习,教师的组织和引导不可或缺。
从物理教学的角度上看,物理学史和物理教学方法不是物理课堂教学中可有可无的附属物和装饰品,而是物理教学中必不可少的部分。人们常说,在物理教学中讲物理理论,给学生以知识;讲物理学史,给学生以精神和智慧,二者不可偏废。
二、如何在物理课堂教学中渗透物理学史知识
兴趣是最好的老师,要想学生学好物理,首先要让他们对物理学感兴趣。物理学史中有许多有趣、有用的史料可以使学生充分认识到物理学是一门充满生机的学科,可以激发学生学习物理的兴趣,并逐步引导学生由兴趣转化为志趣,从而形成学生的物理学科情感。
例如在讲解“实验:用打点计时器测速度”时,很多学生并不理解打点计时器的作用,不能理解交流电源的频率50赫兹与打点计时器计时周期间的联系,教师如果能结合人类计时技术的发展史,让学生认识到打点计时器是一种精密计时仪器,就能帮助学生进一步理解本实验的原理及其意义。
我在授课时,先给学生介绍了人类使用技术工具的历史和当前计时工具的发展状况,其中很多内容都是学生以前所不知的,因而引起学生极大兴趣。
例如:公元前20000年,史前人以在木棍和骨头上刻标记的方式来计时;公元400年,中国发展了机械漏刻;公元1350年,德国钟表匠发明第一个机械闹钟;公元1700年,时钟上除时针外又加上了分针;公元1800年,计时精确度到1/100秒;公元1949年,发明第一台原子钟;公元1970年,计时精确到微微秒;公元1998年,建立超冷铯原子钟,比微微秒又要精确10万倍。
学生听了我的介绍后,对人类计时的历史有了一定的了解,知道了各类计时工具及其精确度,提高了学习打点计时器的兴趣,为下一步的教学工作带来极大的便利。
在讲授“伽利略对自由落体运动的研究”时,我先让学生查阅资料,全面了解亚里士多德和伽利略的生平以及对科学发展的贡献。亚里士多德是古希腊最伟大的、百科全书式的科学家,亚里士多德对世界的贡献无人可比。不幸的是亚里士多德的物理理论有严重的局限性,他认为数学对描述地面现象没有什么价值,另外,他强调直接的,定性的观察是形成理论的根据。简单的定性观察使亚里士多德在生物研究中取得了很大的成就。但是,事实表明,只是认识到数学推导和精细测量的价值之后,物理学才真正得到发展。伽利略的成功之处在于他对物理规律的论证非常严格,他创立了对物理理象进行实验研究并把实验的方法与数学方法、逻辑论证相结合的科学研究方法。此外,伽利略还创立了理想实验法,他设计的实验虽是想象中的,但却是建立在可靠的事实的基础上。把研究的事物理想化,就可以更加突出事物的主要特征,化繁为简,容易于认识其规律。伽利略的这一自然科学新方法,有力地促进物理学的发展,他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。
我让学生查阅资料,了解伽利略是如何用实验验证自己的猜想,在实验中遇到了哪些困难,又是如何解决的。学生接到任务后,都很感兴趣,分别行动,查阅了资料,并创造性地排演了一部科学小品,让同学们在娱乐中学到了物理学史知识,领会了物理学发展的艰难和伽利略的过人之处,提升了自身的科学素养。
物理学史能告诉我们物理学思想的逻辑行程和历史行程,它的渗入不仅有助于学生了解各概念、定理、定律的来龙去脉,而且有助于学生逐步掌握正确的科学思维方法,造就一个强大的头脑。例如,在教学“牛顿第一定律”时,从古希腊的亚里士多德,到伽利略、牛顿,循着伟人的研究历程学习,从而加深学生对力和运动关系的理解;在教学“电磁感应”的时候,以奥斯特发现电流的磁效应为线索,向学生介绍人类对磁以及电和磁关系的认识过程。通过讲解安培、法拉弟、愣次和麦克斯韦等人在揭示电磁关系工作中的艰辛努力和所取得的成果,使学生在有了对电磁发展总体认识的基础上,加深对教材的理解和对左、右手定则、法拉弟电磁感应定律、愣次定律等关键点的把握。物理学史知识的渗入可以引导学生不单纯地接受教师传授的知识,而是形成一种探索与研究的习惯,对任何知识细节自觉地追根朔源,凡事都问个为什么,去发现和认识在一个问题从产生到解决的过程中,真正创造了些什么,应用了那些科学方法,从而可以在这种不断学习,不断探索,不断研究的过程中学会物理科学思维方法。
科学精神作为科学教育的重要方面,愈来愈受到人们的重视,这不仅是因为它与科学知识、方法、技能与能力有着密切的关系,具有独特的教育价值。如在原子物理教学中,介绍一些着名科学家的故事:居里夫妇在极其简陋的条件下,从几吨矿渣中找到了几克镭;在α散射实验中,卢瑟福和他的学生共记下了十万次以上的闪光,终于发现了个别被金原子核弹回的α粒子,并以严密的论证提出了原子的核式结构学说等。这些优秀事例,都体现了科学研究的艰辛和科学之美。
现在许多中学生生活条件优越,几乎没有受过什么挫折,不懂得美好生活和科技成果的来之不易。面对这样的学生,教师在物理学史中可以找到很多正面素材加以教育。如焦耳为了探索“热”与“功”之间的数量关系,在1840年到1879年间,做了几百次实验,才测出了精确的热功当量值。法拉第为了找到“磁生电”的方法,整整花了十年时间。教师要通过教育使学生充分认识到:人对自然规律的认识是一个迂回曲折的过程,是一代又一代的科学家经过精心观察、实验和复杂、艰巨的创造性劳动,付出了巨大的代价才取得的,一项科学成就的取得不是一蹴而就的。
物理教学中一定要重视培养运用科学方法解决物理问题的能力。着名科学家巴甫洛夫曾说过:“有了良好的方法,即使是没有多大才干的人也能作出许多成就。如果方法不好,即使是有天才的人也将一事无成。”
总之,在物理教学过程中要充分挖掘物理学史的教学功能,以物理史实为背景,创设适当的教学情境,让学生了解历史,进入历史,这样既能使教学内容丰富多彩,富有感染力,又能启迪学生的智慧,提高学生的科学素质,培养学生的创新能力。