張 健 王 華 李春密

（1.北京師范大學第二附屬中學，北京 100088；2.北京師范大學物理學系，北京 100875）

1 問題的提出

科學史學家薩頓指出，科學史是自然科學與人文科學之間的橋梁，它能夠幫助學生獲得自然科學的整體形象、人性的形象，從而全面地理解科學、理解科學與人文的關系.物理學史是科學史的重要組成部分.它不僅系統(tǒng)地闡述了物理學的發(fā)展的歷程，還向人們展示了物理學家發(fā)現(xiàn)科學規(guī)律過程中所進行的思維活動、所運用的科學方法以及他們所具有的科學精神、所表現(xiàn)的科學道德.因此，將物理學史融入物理教學中可以幫助學生掌握和理解物理學知識，使學生認識到物理學知識的動態(tài)性、相對性和暫定性，了解物理學基本觀念的變革.物理學史融入教學也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的有效途徑.它可以發(fā)展學生的獨立思考能力和質疑精神；可以培養(yǎng)學生的想象力和判斷力；可以發(fā)展學生科學思維能力，進行科學方法的訓練；可以發(fā)展學生對科學美的鑒賞能力.［1］物理學史以其特有的精神價值，在學生的思想品德教育中，也可以發(fā)揮重要的作用，使學生形成科學態(tài)度、科學世界觀和正確的價值觀，為做有社會責任感的公民奠定基礎.

隨著基礎教育課程與教學改革的深入，物理教育界更加重視對物理學史教育功能與價值的研究，物理學史正在從教育的邊緣走向中心.《普通高中物理課程標準》中很多內容要求條目均與物理學史相關，如“結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用”、“通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程.”等.［2］但反觀現(xiàn)實的物理教學，有些教師沒有意識到物理學史對于培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的重要作用；有些教師在積極探索物理學史與教學的融合之道，但在教學實踐中缺乏行之有效的教學策略.因此對必修教科書的物理學史素材進行整理、挖掘這些素材的教育教學價值，構建基于學史的教學策略，促進物理核心素養(yǎng)的落實與發(fā)展是十分有必要的.

2 必修教科書中的物理學史素材及功能

2.1 物理學史素材

縱觀人教版高中物理教科書，其中包含著豐富的物理學史素材，若能充分挖掘其教育價值并融入物理課堂教學中，對于促進學生物理素養(yǎng)的發(fā)展大有裨益.筆者將高中物理必修教科書中的物理學史內容進行了統(tǒng)計和分析，詳見表1.

表1 新課程標準框架下物理必修教科書中物理學史素材

續(xù)表

2.2 物理學史素材的功能

2.2.1 突出物理知識的形成與發(fā)展

事實表明，物理學的歷史不僅是一部一連串的實驗、觀測和數(shù)學描述的歷史，而且也是一部基本概念的演化史.每當物理學開辟一個新的研究領域時，總會出現(xiàn)一個新的科學概念的體系，可見物理學知識體系的發(fā)展與演化反映了人類對自然界的探索愈加深入.

“物體運動的原因是什么？”是一個古老的話題，探尋其中道理的過程是動力學的發(fā)展過程，也是運動與相互作用觀念不斷革新的過程.最早回答這個問題的是公元前4世紀的亞里士多德，他從直覺出發(fā)認為物體的運動需要力來維持，這一觀點延續(xù)了2000多年.直到伽利略基于觀察后提出“是摩擦使水平面上運動的小球停了下來，如果沒有摩擦，球將永遠運動下去”；并通過“對接斜面”這一理想實驗說明了力不是維持物體運動的原因.伽利略對亞里士多德觀點的批判就是運動與相互作用觀念的革新，法國笛卡爾又對伽利略的觀點進行完善和補充，他指出“如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將保持勻速直線運動”.直到牛頓將物體間復雜多樣的相互作用抽象為“力”，才用科學的概念澄清了力與運動的關系，提出了動力學的一條基本規(guī)律——牛頓第一定律.

把物理觀念與規(guī)律放入歷史發(fā)展的長河中去看待，可以使學生感悟到知識的發(fā)展歷程，認識到科學知識的發(fā)展性與暫定性，深化對科學本質的理解.

2.2.2 突出科學思維與科學方法

物理學不僅以其概念、規(guī)律揭示了自然界基本運動的諸多真理，它還在建立這種知識體系的過程中發(fā)展了科學思維和研究方法，推動了科學的進步.從古代不充分地觀察和簡單的直覺推理，到近代邏輯推理與物理實驗互相促進的研究范式，物理學的發(fā)展進程也是方法論進步的過程.從宏觀現(xiàn)象到微觀機理、從低速運動到到高速運動，涉及的研究對象越來越遠離人們的感性經(jīng)驗，所以創(chuàng)造性思維的作用也越來越突出，科學想象、理想實驗、抽象思維、大膽創(chuàng)造等對近代物理學的發(fā)展功不可沒.

新教材特別注重科學思維和方法的滲透，開設了“科學方法”專欄介紹物理學中常用的、重要的科學思想和方法.在“自由落體運動”一節(jié)首先提出了伽利略對亞里士多德落體理論的質疑，并在“科學漫步”中詳細地介紹了伽利略研究自由落體運動的方法.教材在介紹自由落體運動規(guī)律的同時，適當?shù)亍⒂羞x擇地介紹這個重要研究的歷史過程，說明背景、怎樣提出問題、遇到什么困難、如何獲得突破、曾經(jīng)有過什么曲折和爭論等，使學生能夠領悟到前輩大師的科學精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒.

物理學家勞厄（M.vonLaue）曾說：“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力.教育無非是一切已學過的東西都遺忘掉的時候，所剩下來的東西.”因此在物理學習中，不僅要幫助學生掌握具體的知識，而且要引導學生學習和體會物理思想和方法，并努力運用它們解決各種實際問題.

2.2.3 彰顯科學精神與科學態(tài)度

物理學的發(fā)展和成就與它所蘊含的科學精神密不可分.首先是學以致知的探索精神.有的科學研究成果在當時無法直接轉化為技術，服務于實際，被視為“無用之學”，如牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律、法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應定律等，但這狹隘的認識沒有阻礙科學家們以求知為目的的探索，使人們獲得了對自然規(guī)律完整深入的認識.其次是實事求是的客觀精神.物理學的目的是求真，客觀事實是判斷對錯的標準，對就是對，錯就是錯.猜想和論斷必須能經(jīng)受得住實驗的檢驗和邏輯的推敲.再有就是理性分析的精神.物理學強調數(shù)學計算和邏輯分析，環(huán)環(huán)相扣，因果關系合理，詭辯之術在科學面前無立足之地.［3］

科學家在科學研究中所體現(xiàn)出的科學態(tài)度是學生形成正確的科學態(tài)度與責任的重要來源.例如，新教材中“從伽利略的一生看科學與社會”、“法拉第與電氣化時代”介紹了伽利略、法拉第等在科學研究中所體現(xiàn)出的科學精神與態(tài)度.在談到萬有引力定律各科學家的貢獻時特意說明：“哥白尼、第谷、開普勒這些科學家不畏艱辛、幾十年如一日刻苦鉆研的精神是成功的基石，值得我們學習.”在電磁感應相應內容處加旁批：“法拉第對科學的熱愛以及對科學研究持之以恒、堅韌不拔的態(tài)度是他獲得巨大成就的重要原因之一.”這樣深入挖掘物理學史的教育價值并將其外顯化是實現(xiàn)物理教育學科育人的重要途徑.

科學精神不僅對科學研究很重要，而且在社會生產(chǎn)、日常生活的各個方面都是有價值的.我們在工作和生活中要做到實事求是、嚴謹認真并且講求邏輯，敬畏和尊重客觀規(guī)律，才能提高效率、減少失誤；秉持這種精神，在我們遇到困難的時候，也能面對現(xiàn)實認真分析、理性研判并做出選擇，不盲從、不走極端.

2.2.4 展現(xiàn)物理學的應用價值

物理學的發(fā)展推動了工業(yè)、農業(yè)和信息技術產(chǎn)業(yè)等方面的進步，引發(fā)了一次次的產(chǎn)業(yè)革命，改變了人類的生產(chǎn)和生活方式.這是物理學對人類做出的突出貢獻，凸顯出物理學的應用價值和社會價值.

創(chuàng)建于17世紀的牛頓力學被廣泛地應用于工程技術領域，促進生產(chǎn)力的發(fā)展；18-19世紀對蒸汽機的改進又迫使人們對熱的問題深入研究，引發(fā)了熱力學的巨大進步.19-20世紀初，電磁學的發(fā)展直接導致了發(fā)電機和無線電通訊的產(chǎn)生，電能被廣泛利用，人類由此進入了電氣化時代.進入20世紀后，物理學的研究領域更加廣闊，研究方向趨于精細化.核能的利用、半導體工作的興起、原子鐘和光纖通信技術的誕生等無不改變著我們整個世界.可以說，今天世界面貌與物理學的巨大進步密不可分，科學、技術、社會發(fā)展是相互聯(lián)系、互相促進的.

需要指出：既要使學生了解到科學、技術對社會的積極作用，還要使學生了解到若不能很好地利用科學、技術，將會對社會產(chǎn)生不利影響.這有利于培養(yǎng)學生用聯(lián)系、發(fā)展、辯證的觀點看待問題，增強社會責任感.

2.2.5 增強文化自信與民族自豪感

我國科技的發(fā)展，無論是過去還是現(xiàn)在都對人類文明作出了自己的貢獻.我國古人在運動的相對性、力學、熱學、光學、電磁現(xiàn)象的認識和應用中，有很多領先世界的發(fā)現(xiàn)和記載.直到明、清以前，我國的科學技術在各個領域都居于世界的領先地位.盡管中國古代還沒有產(chǎn)生建立在嚴密的科學實驗和嚴格的數(shù)學方法基礎上的系統(tǒng)的物理學.［4］但確實積累了相當豐富的物理學知識，做出過相當精彩的物理實驗，提出過揭示世界本原和解釋物理現(xiàn)象的種種學說.從人類科學認識的整體發(fā)展來看，中國古代這些杰出的成就，同樣應該看作是近現(xiàn)代物理學的先導與淵源.我們應該為中國的古代文明感到自豪.

20世紀以來，我國科學家?guī)缀踉诮锢戆l(fā)展的各個階段都留下了自己的足跡.新版教科書有意識地反映了我國科技成果和我國科學家的事跡.在“科學漫步——全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”中增加了我國的“北斗”導航衛(wèi)星系統(tǒng)的相關內容；在必修第3冊介紹了我國射電望遠鏡“天眼”的相關內容，同時專門介紹了科學家南仁東勇于克服困難、獻身科學事業(yè)的事跡；增加了我國科學家在相關領域所做研究的介紹，并增配了科學家的照片，如在序言中，介紹了楊振寧、李政道、丁肇中3位華裔科學家，在其他部分介紹了錢學森、趙忠賢、吳健雄等科學家.

通過這樣的史料介紹，可以使學生真切地感受到科技的發(fā)展就在身邊，同時也會增強民族自豪感，有利于學生樹立獻身我國科學事業(yè)的情懷.

3 基于物理學史進行教學設計的策略

3.1 運用物理學史創(chuàng)設情境，引入新課

創(chuàng)設問題情境的功能不僅是引發(fā)學生的好奇心，還應該有助于學生從情境中提出問題，并就此展開思維.因此，為引入新課而創(chuàng)設的情境要簡潔明了，學生能根據(jù)情境提出可探究的問題或者情境能成為思維的起點；盡可能是憑借物理學的內容激發(fā)著學生進一步展開探索的興趣，而不是依靠有震撼力的視聽效果引起短暫的好奇心.

案例1：“宇宙航行”.

情境設置.在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中，牛頓設想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星（圖1）.你知道這個速度究竟有多大嗎？

圖1

問題引導.

問題1：按牛頓設想，在忽略阻力的情況下，以越來越大的水平速度拋出物體，物體還做平拋運動嗎？

問題2：物體如果不落地，它將怎樣運動？

問題3：物體繞地球做圓周運動的向心力由什么力提供？是否需要考慮太陽對它的引力？

問題4：你能否計算出物體繞行的速度？

問題5：地球表面有大氣層，為什么月球表面沒有大氣層呢？［5］

案例分析.以多大的速度才能發(fā)射人造地球衛(wèi)星？這個話題最早是牛頓的設想.在教學中以牛頓的高山大炮設想為問題情境，一方面非常符合學生的生活經(jīng)驗，能夠引發(fā)學生的共鳴，使其積極思考；另一方面引導學生建立模型，進行推理得出結論.

3.2 還原實驗設計為載體，開展探究教學

回顧科學史，科學發(fā)展中的難題正是學生個體學習的難點；學生“頭腦風暴”碰撞出的想法、探究過程中運用的思維和方法正是科學史上關鍵性的突破和物理學大師們的思想精華.將歷史上的重要物理實驗重演，啟發(fā)學生思考，可以促進學生科學探究能力的提升.

案例2：“電磁感應現(xiàn)象及應用”教學片斷.［6］

師：在1831年8月29日，法拉第終于觀察到了感應電流（實驗如圖2所示）.

圖2

生：在通電和斷電的瞬間，指針發(fā)生偏轉，電流穩(wěn)定時指針不動…

師：就剛才的實驗現(xiàn)象，你想提出什么樣的問題？

生：是不是鐵芯起了作用？將鐵芯換成其他材料會不會有電流產(chǎn)生？

師：有道理，鼓勵！總結：問題1：鐵芯是必需的嗎？

還有其他不同的看法嗎？

生：為什么現(xiàn)象會發(fā)生在瞬間，而不是穩(wěn)定后？

師：很好！問題2：為什么現(xiàn)象發(fā)生在瞬間？

生：不能排除由電生電的可能性，即不一定是磁生電.

師：很棒！問題3：是否一定與磁有關？3個問題我們逐一討論.

案例分析.先演示法拉第的電磁感應實驗，讓學生觀察現(xiàn)象，然后提出問題，并進行實驗研究.設計優(yōu)點是針對真實問題展開教學，給學生觀察、思考、提問的機會，生成了3個學生感到疑惑的問題.在學生的探究中，將法拉第的思考與結論穿插進來，啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生思維的縝密性.

3.3 整合物理學史形成脈絡，開展教學

在教學中，教師可以先梳理物理知識形成與發(fā)展的脈絡再將相應的物理學史素材呈現(xiàn)給學生，通過問題引領啟發(fā)學生思考，使學生經(jīng)歷問題的提出、模型的建構、證據(jù)的獲得、思維的創(chuàng)新，進而建構物理知識體系.

20世紀90年代，英國科學教育家孟克（MartinMonk）與奧斯本（JonathanOsborne）提出了將HPS教育融入科學課程的“孟克——奧斯本教學模式”.該模式將教學過程分為6個階段，即演示→引出觀念→學習歷史→設計實驗→科學觀念與驗證性檢驗→評論和評估.基于HPS教育模式整合物理學史素材，讓學生了解概念的形成過程、規(guī)律的建立過程，以提升學生對科學本質的理解，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力.［7］

案例3：“牛頓第一定律”教學設計流程（圖3）.［7］

圖3

案例分析.歷史的回顧找到思想的起源，猜想變理想實驗感悟其中的研究方法，舉例說明、設計實驗、理解定律內容等教學目標的完成，很有水到渠成、瓜熟蒂落之感.學生在學習過程中，自始至終處于思考、研究的狀態(tài)，追尋物理學家的足跡感受科學研究的魅力，領悟科學思想方法的精髓.

3.4 開展以物理學史為核心的活動，拓展學習時空

心理學家布魯諾說：“知識的獲得是一個主動的過程，學習者不應該是信息的被動接受者，而應該是知識獲得過程的參與者”.學生是學習的主體，只有積極參與教學、主動思考才能促進有意義的學習.比如可以組織對物理學史某一內容感興趣的學生去查閱相關文獻，收集、整理、分析、歸納相關材料，最后以小組匯報或者板報的形式向同學們介紹.比如在《行星的運動》教學前，可以布置任務：請同學們搜集和整理關于天體運動的不同觀點和代表任務，在課堂上與大家分享.

以物理學經(jīng)典著作為劇本，讓學生進行角色扮演參與課堂教學，學生積極性高，課堂氛圍熱烈而活躍.如在講解相對性原理時，可以請學生扮演伽利略的《關于兩大世界體系的對話》中的薩爾維阿蒂，請他精彩地描述在一個勻速直線運動的船艙中發(fā)生的力學現(xiàn)象；在講解伽利略反駁亞里士多德關于落體的學說時，可以使學生復現(xiàn)《兩門新科學的對話》中3位學者的對話，體會思想實驗的魅力.

教師也可以將物理學史素材整理成文本資料作為選學內容提供給學生閱讀，介紹物理學史的重要史實或概念、規(guī)律的發(fā)展過程，引發(fā)學生自己主動學習，開闊視野，提升閱讀理解能力與信息獲取能力.如《物理學上關于兩種“運動量”量度的爭論》、《牛頓是如何提出萬有引力定律的？》、《我國古代力學研究的成就》、《“質量”概念的前世今生》、《庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程》等等.［8］

4 結語

人教版高中物理必修教科書提供了豐富的物理學史素材.教師在教學中可以充分挖掘這些素材蘊含的教育價值，根據(jù)其教學功能的不同選擇多樣化的教學策略，將物理學史有機地融入物理課堂教學，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展.