从物理学史的教学中培养学生的科学素养

蒋静芳

(合肥市第三十二中学 安徽合肥 230001)

物理学史是物理学发展的历史。在中学物理教学中，物理学史占有很重要的地位，学习物理知识的过程也是了解物理学史的过程。

合肥市2019年高二物理统考中有一题就考查了学生对于物理学史的认识：

有关物理学史，以下说法正确的是( )。

A.伽利略首创了将实验和逻辑推理相结合的物理学研究方法；

B.卡文迪许通过库仑扭秤实验总结出点电荷间相互作用的规律；

C.法拉第不仅发现电磁感应现象，而且还总结出电磁感应规律；

D.开普勒在天文观测数据的基础上，总结出行星运动的规律并发现了万有引力定律。

在参加考试的12163人中只有6625人选择了正确答案A，有1633人选B，3497人选C，392人选D。这说明学生在学习物理知识的过程中对基本物理学史的认识是模糊的。新修订的高中物理课程标准的基本理念之一，就是物理教学要体现物理学科本质，培养现代公民必备的核心素养，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼学科育人价值，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础。我从事了几十年的中学物理教学工作，认真反思一下，认为学习物理知识对我们更重要的是，要建立科学思想、科学方法、科学探究的态度和责任感。我认为在高中物理教学中，介绍物理学史，能够体现物理学科的本质，对培养学生的物理核心素养有独特作用。

一、学习物理学史是建立物理观念，培养科学思维的过程

物理学不仅以其物理概念、物理规律揭示了自然界基本运动的诸多真理，还在建立物理知识体系的过程中发展了科学思想方法和研究方法，推动了科学的进步。物理学的建立和发展，是伴随物理观念建立的过程，也是科学思维发展的过程。物理知识、物理观念、科学思维对人类活动产生了深远影响，是人类文化的重要组成部分。一代又一代的科学家为物理学的建立和发展做出了不懈的努力，物理学大厦的建立也是物理学家从事艰苦科学探究的成果。物理学的每一次重大成就，都改变了人们的自然观和世界观，成为人类思想和观念进步的阶梯。高中物理教材中提到了许多对物理学有突出贡献的物理学家，著名的有牛顿、法拉第、伽利略、胡克、焦耳、安培、欧姆、库仑、爱因斯坦、普朗克、汤姆孙、卢瑟福、麦克斯韦、赫兹等。如果说学习、理解、应用物理知识的过程就是建立物理观念、培养科学思维的重要过程，那么重现物理学家对物理问题的研究历史，就是建立物理观念,吸收、渗透科学思维的过程。我们要知道物理学家对应的物理事件，知道他们在处理重大物理事件过程中是怎样思考、探索问题的，了解他们的思想、处理问题的方式方法，这些是解大量习题不能替代的。例如，高中开始学习的力学知识，与人们的生活联系密切。日常生活中的一些经验会对正确的力学概念的建立产生严重的干扰，造成了力学难学的假象。如果我们花一点时间介绍力学的发展史，让学生了解到，人们研究力与运动的关系经历了两千多年，经过复杂的提炼、简化、复现、抽象等实验和理论研究，最终从生产和生活现象中抽象出力学概念和规律。古希腊的亚里士多德对力与运动的直观认识和阐述统治了人类认知世界两千多年，直到伽利略开始定量研究落体运动、斜面实验，人们才对力与运动有了科学的认识。伽利略在研究过程中创造性地把实验和逻辑推理结合在一起，通过对现象的一般观察，先提出假设，再运用数学和逻辑进行推理，然后进行实验验证，最后形成理论，这样就构成了一整套的科学研究方法。伽利略开创了物理学科学研究方法。从伽利略推证落体定律再到牛顿运动定律建立的物理学发展过程中，这些科学先驱的最大功绩，就是把科学观念、科学思维和科学研究紧密地结合到一起，为力学的发展找到了一条正确的道路。

必修一第二章第六节介绍了伽利略对自由落体运动的研究，展现了他研究的过程和方法。必修二第六章万有引力展现了万有引力发现的科学过程，体现了哥白尼、第谷、开普勒、牛顿等科学家在发现万有引力过程中的作用，表明了他们的科学观念、科学思维、科学探究、科学精神。教材的编写要求我们一线教师要认真学习并传授物理学史，培养学生的科学素养。

二、学习物理学史是体验物理探究，树立科学态度与责任感的过程

科学探究过程是艰苦的，开普勒行星运动定律的建立过程，行星运动模型的建立、修正与发展的历史正体现了这一点。丹麦天文学家第谷从1576年开始进行了长达20余年对天体运动的观测和记录。1600年2月3日，29岁的德国青年开普勒受邀来到第谷身边担任助手，直到1601年10月24日第谷去世，开普勒遵照第谷的遗嘱对他多年积累的天文观测资料继续潜心研究十几年。他非常珍惜第谷经过辛勤观测获得的宝贵资料，虽然当时的宇宙模型不能解释第谷实际观测的结果，但他坚信第谷的测量工作是严谨的。他利用了第谷的可靠数据首先证明了日心说的正确性，接着应用第谷观测的火星数据，集中精力研究火星的运动轨道，他作了七十余次的计算，发现如果火星围绕太阳运行的轨道是圆形的即匀速圆周运动，计算的结果与第谷的观测数据有至少8′的角度偏差。他坚信，第一，天体的运动是有规律的，而且这些规律必定具有普遍性；第二，第谷的观测数据是精确的、可信的。但为什么会出现8′的角度偏差呢？他第一次大胆地对人们长期以来视为真理的观念——“天体在做完美的匀速圆周运动”表示怀疑，他放弃了圆形轨道，尝试其他轨道，最终证明了火星是沿围绕着太阳的椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。这就是开普勒第一定律。他把几千个枯燥单调烦琐的数据归纳成简洁的几句话，于1609年在《新天文学》一书中公布了开普勒第一定律、第二定律。开普勒继续利用第谷观测的数据对行星运动的规律进行深入的研究，本着宇宙应该是和谐的整体这一信念，利用各种方法探索各行星的公转周期与它们的离太阳的平均距离的关系，又经历九年的潜心研究，1618年发表了开普勒第三定律。

400年前的开普勒敢于担当，有责任心，敢于探索的科学精神，正是当今学生学习的典范。学习开普勒的研究史，能够培养学生实事求是、尊重客观事实，不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探究科学态度和科学精神。

出生于1791年的英国科学家法拉第是物理学史上杰出的物理学家，他对电磁学的贡献是发现了电磁感应现象、光磁效应、电解定律和物质的抗磁性，在大量的实验基础上创建了力线的思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。法拉第仅仅研究电磁感应现象就花费了十年的时间，从1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应开始，受电生磁的启发，他就坚信磁一定能生电。在长达约十年的潜心实验研究中，开展了大量的实验，再三思考、总结和改进，终于在1831年8月29日在实验中看到了磁生电现象，有了突破性的发现。他继续做各种实验，找磁生电的共性，在1831年11月24日向英国皇家学会报告可以产生感应电流的五类情况，以文字形式定性地表述了电磁感应现象。1845年德国物理学家纽曼从理论上导出电磁感应定律的定量表达式。

理论总是建立在大量实验的基础上，电磁感应现象发现、电磁感应定律建立的过程是物理学史重要的一部分。学生在学习的过程中，要通过体验物理探究的过程，从电磁互转中领悟科学思维，了解科学探索的艰难，树立科学态度与责任心。

三、学习物理学史是引导学生积极思考，培养创新能力，实践能力的过程

近代物理伴随着大量的物理实验以及新发现，例如汤姆孙对阴极射线的研究方法，就是利用学生学习过的电磁学知识解决问题的典范。从1890年开始，汤姆孙就带领自己的学生研究阴极射线，他们根据放电管中阴极射线在电磁场和磁场作用下的运动轨迹确定阴极射线中粒子带负电，并测出其荷质比。汤姆孙于1897年4月30日报告了电子的发现，证明电子是普遍存在的，进而提出了原子的枣糕式模型。汤姆孙的学生卢瑟福通过α粒子散射实验发现原子枣糕式模型有缺陷，提出了原子核式结构模型。玻尔为了解释氢原子光谱，又提出了原子的量子结构模型。

物理学发展史展现的过程，就是物理学家遇到问题积极思考、创新思维，通过科学的方法设计实验、解决问题、科学探究的过程。学生通过学习物理学史，可以培养建构理想模型的意识和能力，从物理学的视角认识自然、理解自然，建构关于自然界的物理图景；学会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力，对学生有潜移默化的作用。

四、怎样学习物理学史

物理学史的学习，虽然不是物理知识的学习，但应该是学生物理学习的一部分。过去我们认为物理学史的学习可以激发学生的学生兴趣，可以加深对物理知识的理解。现在我们认为物理学史的学习，沿着物理学家的足迹重走科学探究历程，可以引领学生体验科学探究的过程，进一步促进学生物理核心素养的发展。科学上没有平坦大道，科学经历是非常艰难的，也是非常曲折的，学习物理学史可以掌握科学探究和科学思维的方法，形成尊重事实、敢于质疑、善于反思、勇于创新的科学态度，理解科学的本质，遵守科学伦理和道德规范，以德树人。但是现在提供给中学生阅读的物理学史的书籍很少，这就需要物理教师要广泛地阅读，积极地收集资料，教师要储备丰富的物理学知识。物理学史的知识更应该进入中学物理学习的评价中。