巧用物理学史 提升科学素养

王良

我国正在深化高中课程改革，发展学生的科学素养被置于这一改革的基础地位.《普通高中物理课程标准（实验）》明确指出——课程目的：提高全体学生的科学素养；课程性质：高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，与九年义务教育物理或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养.高中物理课程改革的深入进行也将以促进学生的核心素养发展为目标.

在科学素养中，最核心部分是科学精神，即人们对科学的态度与价值观；中间部分是科学知识，即人们在学校中、在社会生活中所学习并掌握的知识、技能、方法与能力；最外围部分是科学意识，即人们在科学素养教育中所形成的、在追求科学的过程中所表现出来的科学热情、激情以及自觉运用科学的行为与习惯.

那么在日常的教学活动中提升学生物理学科的科学素养？笔者认为在高中物理课程教学融入科学史的内容是通过物理课程落实科学素养教育的有效途径.

1 物理学史对提升科学素养的作用

物理学史、我国的科技成就，知识在生活中的运用等在物理学科核心素养的“立德树人”方面具有独特的意义.物理学史对培养学生的核心素养具有极高的价值.人教版高中物理课本中有很多章节是对物理学史的介绍，这些与学科相关的历史对培养学生的情感、态度、价值观，提高学生的科学素养是极好的素材.如伽利略对自由落体运动的研究，牛顿第一定律的建立，万有引力定律的发现，电磁感应现象的发现，卢瑟福原子核式结构的建立等，犹如一部部壮丽的科学史诗，它歌颂了前辈科学家们排除困难、勇于探索的科学精神，展示了科学发展过程中先贤们富有创造而又严谨的的科学思维，也体现了真理来之不易这一朴素思想.其丰富的内容、浩瀚的史料、翔实的素质教育素材决定了它是落实新课程倡导的三维目标的一个良好载体，是高中物理教学中的一项重要内容，是提升物理素养的有效途径.

2 巧用物理学史，提升科学素养——以“行星的运动”为例

2.1 了解探索行星运动的发展史，能培养学生的情感态度和价值观，提升学生的科学素养.

“行星的运动”是必修2第六章“万有引力与航天”的第一节内容，教材围绕日心说的建立和开普勒行星三定律这两个内容来阐述.其中对于“地心说”和“日心说”的争论和历史发展过程，学生们大都知道，但是对于开普勒和第谷的故事学生却普遍不熟悉.针对这种情况，在进行本节课的教学前，笔者就让学生提前预习书本上“科学足迹”栏目，并对全班进行了分工：地心说小组（地心说的发展过程及主要内容）、日心说发展史小组（为日心说发展做出巨大贡献的科学家）、第谷小组（其对天文学的贡献）、开普勒小组（开普勒三大定律的发现过程）.根据各自分配到的任务上网查阅相关资料，整理相关文献.

活动一 （1）地心说小组简要介绍地心说的发展过程及主要内容.

地心说的主要内容是：地球是宇宙的中心，并且静止不动，一切行星围绕地球做简单完美的圆周运动.

（2）日心说小组介绍其创立者和主要内容

日心说的内容：太阳是宇宙中心并且静止不动，地球围绕太阳做圆周运动，并且在自转，其他行星都围绕太阳做圆周运动.

活动二 教师引导学生根据以上学生的展示结合阅读教材第一段，回答以下几个问题

（1）古代人们对天体运动存在哪些看法？

（2）“地心说”的主要内容及代表人物，“日心说”的主要内容及代表人物？

（3）哪种学说占统治地位的时间较长？“日心说”为什么最终能战胜“地心说”试举例说明.

（4）“日心说”的观点是否绝对正确？“地心说”被证明是错误的，那么它在行星运动研究发展史上是否就被我们完全否定？

活动三 第谷小组讲述他对天文学的贡献

第谷连续20年对750颗左右恒星进行观察并有准确记录，他的观察精度达到了肉眼观测的极限.为开普勒革新行星运动理论，发展日心说奠定了基础.

学生们在课堂上所表现的积极性，回答的答案都让我刮目相看.如果没有在课前布置任务让学生查阅相关资料，而只是根据课本上的内容，简单介绍一下“地心说”和“日心说”，学生虽然能掌握两种学说的代表人物和主要内容.但是，他们一定不能经历了解“行星运动”的历史发展过程，不了解先辈们是如何发展和创造知识的，那么他们也就不会有机会思考这段历史发生的价值和意义，失去了培养学生科学的辩证的看待问题的机会.在实际的教学过程中，我们往往因为课时的限制，而忽略了物理学史的教学，但其实在实际物理教学过程中穿插着的物理学发展史，渗透物理文化的教育，能激发学生的学习兴趣，充分展示科学规律的发展过程，让学生体验科学家的思维过程，有利于学生对科学探索的正确情感态度和价值观的形成.而这些正是个人科学素养中最深层次的部分.

2.2 提供充分史实，注重深度挖掘，能凸显相关内容的思想内涵，提升学生的科学素养

在科学史内容的教学中，教师要注意以显性化方式挖掘相关内容深刻的思想内涵，让学生从中对科学的本质，科学与社会的关系，科学的美等有更深刻的认识.

活动四 开普勒小组展示资料，教师补充说明

在科学史上，开普勒在第谷观测数据基础上发现行星运动定律的过程是十分繁琐而艰苦的.他经过四年多的刻苦计算，尝试了十九种设想的路径，但由于或多或少与观测结果不一致而被否决.最后开普勒才发现火星运行的轨道是椭圆，进而发现每个行星运行轨道都是椭圆，有人把它这一工作探索过程比喻为“蚂蚁啃骨头”，这体现了科学工作者的一种坚韧、执着的求真精神.通过“对开普勒是如何利用观测数据来发现行星运动轨道是椭圆的”这一问题的补充，可以让学生体会科学方法的巧妙，同时加深对这一科学发现过程艰巨性的感受.

在实际的教学过程中，有学生提出了这样一个困惑：既然开普勒发现圆轨道是错误的，为什么我们在处理行星运动时，还是要按照圆轨道来处理？在深度挖掘物理学史的过程中，学生有了新的发现，这正是我们课堂所要达到的效果.椭圆轨道是事实，是行星运动的实际轨道，因为行星的轨道与圆十分接近，在处理问题时，我们可以将行星的轨道近似为圆轨道来建立理想模型——匀速圆周运动.当然这样处理只适用于是我们高中阶段的物理知识水平.向学生说明“从圆轨道到椭圆轨道是人们对科学本质认识的修正过程.而近似按照圆轨道处理是物理学简化问题建立模型的方法，两者有本质的区别的.” 通过对物理学史的深度挖掘，启发学生独立地对新问题产生自己的思考，引导学生顺着科学家对这个问题的思考的脉络，了解科学的本质，有利于学生从“机械学习，被动学习、获得知识”向“灵活学习、积极思考、勇于探索”转化，获得真正的“智慧”，提升自身的科学素养.

2.3 结合物理学史，体验探究过程，培养探究能力，提升学生的科学素养

开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上.

虽然学生都知道椭圆是什么样，但是学生在学习万有引力定律时没有系统学习过椭圆知识，对于焦点、半长轴、半短轴等概念不清楚.教材对这部分进行了恰当处理：可以用一条细绳和两只图钉来画椭圆（图1）.在学习了从地心说到日心说整个漫长而惊心动魄的历程后，让学生自己动手画椭圆，体验行星绕着太阳的运动的这么一个环节，会大大提高学生学习的积极性.而且在椭圆画出后，通过观察可以发现，当两枚图钉的距离较近时画出的椭圆近似为一个圆，为今后在处理行星的运动问题时把轨道视为一个圆作铺垫.这部分的教学内容主要以体验为主，使学生领略宇宙中行星运动的特点.

其实探究的过程就是教与学的过程，但是它比单纯的知识讲解更能激发学生学习的兴趣.从教师层面来讲，采用探究学习过程对教师自身的知识、驾驭课堂的能力有更高的要求，上这样一堂课教师在课前要化更多的时间备课.但从学生层讲能让学生在探究过程中发现问题，通过观察和比较自己发现问题、解决问题，从而能留下更深刻的印象.作为教师，应该给学生提供更多这样的机会，在教学过程中提高学生的观察能力、发现问题的敏锐程度，引导他们自己解决问题，以此提升学生的科学素养.

物理学史为一般自然科学提供的素材是多种多样和丰富具体的，巧用物理学史为培养学生的科学素养提供很好的平台和契机.以上教学实例仅是笔者在物理教学阶段融入物理学史的初步实践.面对新形势，我们物理教师自身首先必须培养和提高适应未来生存和发展所必备的科学素养，同时搭建多种系列物理学史、物理实验等平台，完善科学素养培养体系，这对创新型人才的培养必将起到较大的推动作用.