史上十大经典物理实验的教育价值

刘晓莹 张道清

(湛江师范学院物理学院物理系 广东 湛江 524048)

2002年，美国两位学者在全美物理学家中做了一次调查，归纳出了有史以来最美的十大物理实验[1]，这些实验以其最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，而成为了经典.这些实验虽然已过百年，但其所蕴含的物理学知识、科学思想和方法及科学精神对于培养和提高学生的科学素养有着重要的意义.本文欲结合中学物理课程标准的要求，从科学知识、科学思想和方法、人文教育等三个方面谈谈史上十大经典物理实验在中学物理教学中的教育价值.

1 十大经典实验与课程标准

课程标准是国家课程的基本纲领性文件，是一切教学的出发点和归缩.仔细查阅中学物理课程标准，不难发现最美丽的十大经典实验所揭示的物理本质或应用的技术在中学物理课程中均有体现和要求，如表1所示,从中可以看出这十大经典实验有着丰富的教育内涵.

表1 经典实验与中学课程标准

续表

2 十大经典实验的教育价值

2.1 科学知识价值

十大经典实验涉及力学、光学、原子物理学、地理学等知识，实验自身所揭示的物理学的本质为物理学知识体系的建立和完善起到了关键性的作用.如伽利略的“自由落体实验”的研究为引进加速度概念和得出落体定律创造了条件[2]；杨氏双缝干涉实验证实了光的波动性，而将此实验应用于电子干涉实验则证实了微观粒子的具有波粒二象性, 揭示了微观世界的量子本性；牛顿“光的色散实验”促成了光谱学和三原色原理理论的建立；卢瑟福根据α粒子散射实验为原子核物理学领域开辟打下了基础.物理学是一门体系严谨的学科，十大经典实验所揭示的物理学的本质对于学生物理知识体系的构建起着重要的作用.如伽利略的“自由落体实验”，会让学生摒弃生活中的错误经验，形成“物体的质量不是其下落快慢的原因” 认识，从而建立自由落体运动的概念，将自由落体运动纳入到匀加速直线运动知识体系中；牛顿的“棱镜分解太阳光实验”是利用了光的折射原理将不同波速的光进行了分解，进而让学生体验和感知太阳光是复合光，从而拓展了几何光学认识，为解释多彩的世界提供了依据.

2.2 科学方法教育价值

科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动，伽利略在自由落体实验和加速度实验研究中，把定量实验技术和数学的论证分析紧密结合在一起[3]，创立了逻辑推理与科学实验相结合的科学研究方法，开创了科学研究的新纪元.课程标准提出学生不仅应学习物理知识和技能，还应经历一些科学探究过程，学习科学方法，认识科学探究的意义.每一个经典实验都是科学探究的典范，如托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验，就是源于“实物粒子是否有波动性？”的思考，基于德布罗意的假设“我们也应该期望，物理学家们应该可以从微观粒子世界中得到关于物质波的更进一步的证明”， 约恩孙利用托马斯·杨证明光是一种波的方法，设计了单电子杨氏双缝干涉实验，实验的结果证明了德布罗意所假设的实物粒子的波动性确实存在.

探究是从问题开始,通过逻辑的分析和推理提出假设对问题进行解释,为了验证假设的正确与否,需要制定计划,设计实验来进行验证,通过科学的观察和实验收集事实证据,然后再对事实证据进行分析和论证,得出结论,以证实假设的正伪.十大经典实验在中学物理课程教学中的介入对于学生学习和掌握科学研究方法有着重要的意义.

2.3 人文教育价值

爱因斯坦认为第一流人物对于时代和历史进程的意义，在其道德品质方面，也许比单纯的才智成就方面还要大[4]，十大实验作为科学发展史上的经典其本身就蕴含着丰富的人文资源，在教学的过程中把握经典实验背后的著名史料，可以促使学生更好地理解、 评价、欣赏科学事业，激发其探究科学的热情、勇气与欲望，培养其坚韧不拔的意志品质[5].如伽利略本着“自然遵循简单性原则[6]”思想对所研究的问题进行“大胆假设”，进而通过耐心细致的观察和精心设计的实验进行“小心求证”的故事，对科学研究产生了深远的影响，其不畏强权，坚持真理，为理性和科学呐喊的精神依然是我们学习的榜样.卡文迪什是一位极端严谨、一丝不苟的实验物理学家，为了减小误差，他将设备置于密封房间里，在室外以望远镜进行远距离观察和操作，这一历史相信对于学生严谨的科学态度的培养有着积极的意义.卢瑟福从粒子大角散射的科学事实出发，发现了汤姆孙模型的矛盾，批判了克洛瑟的实验曲线，否定了无载体的、空虚的正电球体，并从原子内存在强电场的观点出发，建立了新的原子模型，合理地解释了粒子大角散射的科学事实，卢瑟福的怀疑批判与求真创新精神无疑为科学创新教育提供了例证.

3 十大经典实验教育价值的教学实现

史上十大经典实验是非常重要的教育资源，它们在教科书中以多种方式出现,以人民教育出版社的教材为例， 牛顿棱镜分解太阳光实验、托马斯·杨的光干涉实验、托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验等是以演示实验或学生实验的方式出现；伽利略对自由落体运动的研究和卢瑟福发现原子核实验(原子的核式结构模型)在教材中单列为一节呈现；伽利略的加速度实验、卡文迪什扭秤实验是以新知识的背景材料或扩展材料出现；埃拉托塞尼测量地球周长实验常以习题的方式介入教学.不同的呈现方式有着不同的教育功能，如演示实验和学生实验以培养学生的观察能力、操作能力、思维能力和学习兴趣为主；扩展性阅读材料为扩充学生的知识面、启发学生思维、满足学生的求知欲提供了平台；新知识的背景材料常能激发学生学习动机和学习欲望；习题则常常能锻炼学生的解决问题的能力……教学内容的呈现方式为教师的教学设计提供了参考，但它们的目标都是相同的，那就是提高学生的科学素养.十大经典实验本身所蕴含的教育价值为教学目标的达成提供了支撑，让学生在不同的学习方式中掌握知识和方法、培养能力、提升情感态度与价值观.如在演示实验或学生实验中，除了实验本身所体现的知识与方法价值外，还可以引导学生通过自己的观察实验与历史上的经典实验进行对比，以激发学习物理的自豪感和成就感；在处理扩展性阅读材料时可以设计一篇小论文让学生谈谈历史事件和人物，让学生在扩展自己知识的同时提高自己的表达能力，提升科学发展使命感；在新知识的背景材料中可让学生在了解历史的过程中形成对科学探究的欲望.在教学中设计并落实十大经典物理实验的教育价值，对于三维教学目标的达成有着积极的意义.

参考文献

1 George Johnson著.科学上十个最美的实验.金兴华、江世亮校译. 世界科学,2003(1):2～4

2 吴承埙.伽利略的自由落体定律研究.物理通报，2003(4):36～40

3 王文全，王岩松，苗元华，苏峰.伽利略的加速度实验研究.物理通报，2003(8)：36～37

4 爱因斯坦.爱因斯坦文集(第一卷).北京:商务印书馆，1976.339～340

5 (英)德雷克著.伽利略.唐云江译.北京:中国社会科学出版社,1987.24

6 袁维新.论科学史的教育价值. 自然辩证法通讯,2006(3):72～77