物理学史教育的现状、价值及实践路径

孙龙周

(浦口区第三中学，江苏 南京 211800)

1 引言

《义务教育物理课程标准(2011年版)》明确指出,义务教育物理课程应综合反映人类在探索物质、相互作用和运动规律等过程中的成果．物理学不仅含有人类探索大自然的知识成果,而且含有探索者的科学思想、科学方法、科学态度和科学精神等．义务教育物理课程作为科学教育的组成部分,是以提高全体学生科学素养为目标的自然科学基础课程．此阶段的物理课程不仅要注重科学知识的传授和技能的训练,而且应注重对学生学习兴趣、探究能力、创新意识以及科学态度、科学精神等方面的培养．由此可见,初中物理课堂教学不仅要关注知识与技能的落实,更要关注在知识形成过程中伴随的科学方法、科学精神．教师可以通过物理学史进行有效渗透,从而激发学生对物理学科的持久兴趣和探索世界的欲望．

1.1 物理学史教育的现状分析

伴随着新课程的实施,初中物理教师的教学理念得到了显著提升,对物理学科的育人价值有了一定认识,但在实际教学时,对学科中可利用的物理学史知识缺乏系统把握,与教学的有效融合缺乏行之有效的操作策略．在对200位初中物理教师的问卷调查中发现,42%的教师认为在物理课堂教学中“非常有必要”渗透物理学史教育,58%的教师认为“有必要”,没有教师认为“无所谓”或“没有必要”,可见所有物理教师都觉得有必要在教学中渗透物理学史教育．在回答“你认为物理学史知识对学生学习物理知识有着怎样的帮助”时,他们普遍认为这样做可以激发学生的学习兴趣,让学生感受物理学的奇妙、领略物理学家的魅力,从而对物理学科产生感情,养成严谨创新的科学精神,还能让学生形成正确的世界观和价值观．但是在他们日常的教学行为中,只有“18%”的教师“经常”会渗透物理学史的内容,大部分教师只是“偶尔”或“几乎没有”在课堂教学中渗透物理学史教育．在与勾选“经常”选项的教师深入交流后发现,他们所谓的经常渗透就是简单介绍物理学家的生平,并没有科学研究历程的还原和科学精神、科学方法等方面的讲解．调查数据还显示,只有不到6%的教师表示自己会关注物理学史教育方面的研究,绝大部分教师不开展这方面的学习,更别谈系统研究了．因为升学压力大,对成绩的过度关注与追求,导致了部分初中物理教师在课堂教学中更关注书本知识的落实与巩固,而忽视了知识的来源及在社会生活、生产中的应用．另外,由于教师更愿意花大量时间去研究命题思路与解题方法、技巧,而忽视其他方面的学习,导致教师自身物理学史知识欠缺,再加上缺乏有效融合的策略,所以出现了教师对于物理课堂教学中是否应融入物理学史的教育存在知行分离的现象．

1.2 物理学史教育的价值分析

奥斯特瓦尔德在《精密科学的经典作家》一书中提到,虽然用现在的教授方法很成功地讲授了在现今发展状态中的科学知识,但是当前科学教育中的一个缺点,就是缺乏历史感和缺少关于作为科学大厦基础的一些重大研究的知识．物理学知识只有放在历史长河中加以展开才会带给学生震撼与触动,才能让知识的习得过程丰满而生动．在初中物理课堂教学中有效融合物理学史的教育,可以体现以下几个方面的价值:

(1) 有助于加深对基本概念、规律的理解与掌握.

物理概念和物理规律的形成过程不是一帆风顺的,大都经历过曲折的发展过程,而这些曲折或反复往往是这些概念、规律的重点或难点部分,在教学中进行必要的知识形成过程的介绍,有助于学生真正理解概念或规律．

例如,在“牛顿第一定律”的教学中,教师如果将亚里士多德、伽利略、笛卡尔和牛顿研究历程完整地呈现给学生,他们就可以明白每一位科学家所处历史时代的研究水平及知识的局限性,从而了解为什么先有“物体的运动需要力来维持”这样的结论,而后又如何最终得出“力是改变物体运动状态的原因”,进而真正理解“牛顿第一定律”的内涵．

再比如,在“电磁感应”的教学中,教师可以将瑞士物理学家科拉顿在1825年做的实验补充介绍给学生,让学生明白科拉顿当时已经接近“磁生电”这一重大发现的边缘,但实验的安排有问题,失去了观察瞬时变化的良机．即使是法拉第,也是在经过了将近10年的不懈努力,多次实验之后才最终发现了电磁感应现象．以上史料的补充介绍,不仅可以让学生领会物理概念和物理规律的形成过程不是一帆风顺的,大都经历过曲折的发展过程,而且有助于学生真正理解电磁感应现象的产生条件．

(2) 有助于养成正确的科学态度和严谨的科学精神.

物理学的发展过程离不开一批又一批为了科学而不懈奋斗的物理学家,在课堂教学中若能结合对物理学家生平的介绍,可以让学生在深切体会科学探索道路的艰辛之余,又能产生对物理学家的由衷敬佩和对知识的敬畏之情,从而养成正确的科学态度和严谨的科学精神．

例如,在“牛顿第一定律”的教学中,虽然亚里士多德的观点最终被伽利略所推翻,但是作为教师应该引导学生去正视亚里士多德的研究背景:虽然他的观点不正确,但是他却是第一个尝试研究物理学并提出“物理学”这一名称的人,是古希腊文明集大成者,被恩格斯誉为最博学的人;他也是第一个认真思考力和运动之间关系的人,对后来者有很多启迪;事实上整个经典力学的建立就是从对亚里士多德的理论的检验和批判开始的．从而让学生学会用合理、公正、辩证的态度去评价物理学家．

此外,教师在“宇宙探秘”(苏科版初中物理8年级下册第7章第4节)一节内容教学时,可以补充介绍第谷和开普勒的贡献．第谷(1546—1601)经过20多年的观测,他测量各个行星角位置的误差仅为2′,但是第谷不相信哥白尼的学说,认为地动思想是不能接受的．开普勒(1571—1630)作为第谷的助手,利用第谷的可靠数据证明了日心说的正确性,而开普勒第一和第二定律的发现,正是源自于开普勒对精确测量数据的追求．开普勒后来说:“8弧分也不能忽视,正是这一点,导致了天文学上的一场彻底革命”．开普勒三定律系统地总结了行星运行规律,使日心说与观测结果更加符合,这是第谷和开普勒合作的成果,是精确、严谨的科学观测与严密的数学推算相结合的典范.这些定律的发现对推动天文学和力学的发展起了非常关键的作用．这部分史料的补充介绍,可以帮助学生认识物理研究需要严谨的科学精神．

(3) 有助于培养学生发现问题的能力和质疑的能力.

在物理学发展的进程中,有许多史实表明,不局限于传统理论和观念,不迷信权威和书本,是科学创造的思想前提,物理学家的批判精神是促使物理学向前发展的动力．

例如,亚里士多德从日常经验出发得出了一个结论:力是维持物体运动的原因．因为符合当时人们的认知水平以及被他所具有的权威身份所震慑,此后相当长的一段时间里这一结论被认为是真理．而大约2000年后,伽利略采用理想斜面实验推翻了亚里士多德的观点,提出:物体在水平面上做匀速直线运动时并不需要外力来维持．笛卡尔又在伽利略的基础上进行了补充．最后,牛顿综合前人的研究成果,最终形成了牛顿第一定律．然而,到了19世纪末,奥地利物理学家马赫(1838—1936)在他的《力学史评》中深刻分析了牛顿力学的基本概念以及其反映的机械自然观,作出了尖锐的批判,批驳了流行二三百年的机械自然观,揭示了牛顿力学的局限性．爱因斯坦高度评价马赫的批判精神,把他称为“相对论的先驱．”

再比如,在“宇宙探秘”一节内容教学时,课本仅仅介绍哥白尼(1473—1543)质疑托勒密提出的统治人类思想1400多年的“地心说”,经过几十年的研究,建立了一个崭新的宇宙体系——“日心说”．在此基础上,教师可以进一步补充介绍另一位意大利思想家布鲁诺(约1548—1600),布鲁诺是一位信奉和宣扬哥白尼体系而英勇献身的科学殉道士．他坚持通过经验和理性来获得科学真理,提出“怀疑原则”来反对教会权威和神学教条．但他并不一味盲从哥白尼的学说,他最终抛弃了太阳是宇宙中心的观点,认为宇宙是无限的,在太阳系之外还有无数的世界．通过上述史料的补充介绍,可以很好地鼓励学生不能一味迷信权威和书本,要向哥白尼、布鲁诺等人的批判精神学习．

(4) 有助于激发学生学习物理知识的兴趣.

义务教育物理课程应当注重生产、生活实际与时代发展的联系,应关注学生的认知特点,加强课程内容与学生生活以及现代社会和科技发展的联系,关注技术应用带来的社会进步和问题,培养学生的社会责任感和正确的世界观．物理学家爱因斯坦也认为“兴趣是最好的老师”,因此激发学生学习物理的兴趣,并能使之长期保持,应是每一位物理教师课堂教学的追求．只有在学生真切感受到课堂中所学的物理知识有趣且有用时,学习兴趣才能被激发并保持．在教学中,通过融合物理学史教育,让学生了解物理知识的形成过程,进而关注这些知识在自己生活中的现实应用,乃至对整个社会进步所起的重要作用,让学生深切感受到物理学知识的价值,最终激发学生学习物理知识的兴趣．

例如,18世纪初在欧洲产业革命的推动下,出现了蒸汽机．而在蒸汽机的使用过程中人们迫切需要研究热和功的关系,所以热和机械功的相互关系就有了非常广泛的研究,最终促成了热力学理论的建立和发展．

再比如,正是由于“电磁感应”现象的发现和发电机的发明,人类逐步迈入了文明的电气化时代．

(5) 有助于学生掌握物理学研究的基本方法.

在物理学发展过程中物理学史可以提供很多丰富的史料,将物理概念、规律的历史发展过程展现给学生,有助于学生熟悉科学家发现规律的思维过程和研究方法,并从科学家严谨的科学态度和所获得的成功中得到启示．从长远意义上讲,学生掌握这些基本方法比学习物理知识、技能更为重要．由此可见,物理学史的有效融合可以对学生进行科学方法的教育．

例如,伽利略对“摆”的研究过程,不仅可以让学生体会到拥有一双善于观察的眼睛的重要性,而且帮助他们养成善于观察的习惯,成为机会所青睐的有准备的人,还可以让学生学会“控制变量法”的思路及应用．又如在“牛顿第一定律”的教学中,在学生面前完整陈述相关的物理学史,可以让他们更清晰地认识“理想实验”这一在可靠实验的基础上融入科学推理的研究方法．

(6) 可以深化、拓展、提升物理教师的学科素养.

在对初中物理教师进行的问卷调查中发现,大部分教师没有系统学习过物理学史知识,他们普遍反映自己在学习过程中没有接触过类似课程,自身物理学史知识的匮乏导致他们在日常教学中忽视对物理学史的融合教育．因此有必要让教师对教学中融合物理学史的作用有明确的认知,从而促进他们积极、主动地学习物理学史知识,全面提升自身的学科素养,拓宽知识面．只有当教师真正为物理学知识的形成过程所震撼、为物理学家的人格魅力所折服时,他们的课堂教学才会不再只是单纯的传授知识,而是会在课堂中展现有血有肉的知识形成过程,让学生真正领略到物理教师的美、物理课堂的美、物理学科的美．

1.3 物理学史教育的实践路径探讨

(1) 通过物理学史的讲解,帮助学生掌握科学方法.

在“光的色散现象”的学习中,学生要学习一种重要的研究方法——归纳法．教师可以在教学过程中,真实地再现牛顿对色散现象的思考研究过程,学生才会真正理解、掌握“归纳法”这一重要的物理研究方法．教师可以先向学生讲解牛顿最初进行的“单棱镜实验”,再介绍接下来开展的“三个棱镜实验”(即判决性实验),以及后来为了回应胡克等人的质疑所做的“扁长三棱镜实验”．教师通过上述史实的介绍,让学生明白一个道理:牛顿所进行的光学研究是从实验和观察出发,进行归纳综合,总结出一套完整的科学的理论．归纳法是科学研究的重要方法之一(当然不是唯一的方法),牛顿对色散的研究为后人树立了光辉的样板．

牛顿很善于总结科学研究方法,为了更好地帮助学生认识科学研究方法的重要性,教师可以引述牛顿本人论述自己方法时写的一段话:“在自然科学里,应该像在数学里一样,在研究困难的事物时,总是应当先用分析的方法,然后才用综合的方法．这种分析方法包括做实验和观察,用归纳法去从中作出普遍结论,并且不使这些结论遭到异议,除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理方面．因为在实验哲学中是不应该考虑什么假说的．虽然用归纳法从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论,但它是事物的本性所许可的最好的论证方法,并且随着归纳的越为普遍,这种论证看来也越为有力．如果在许多现象中没有出现例外,那么可以说,结论就是普遍的．但是如果以后在任何时候从实验中发现了例外,那时就可以说明有这样或那样的例外存在．用这样的分析方法,我们就可以从复合物论证到它们的成分,从运动到产生运动的力．一般地说,从结果到原因,从特殊原因到普遍原理,一直论证到最普遍的原因为止,这就是分析的方法;而综合的方法则假定原因已经找到,并且已把它们立为原理,再用这些原理去解释由它们发生的现象,并证明这些解释的正确性．”

此外,在开展“牛顿第一定律”教学时,学生要学习另一种重要的物理研究方法——“理想实验法”．教师也可以在教学过程中通过讲解的方式,真实地还原“牛顿第一定律”的形成过程,学生才能更好地理解和掌握这种科学实验加可靠推理的研究方法．

(2) 通过物理学史的讲解,帮助学生养成正确的科学态度.

知识的发展、形成过程往往凝聚着几代物理学家的心血,从不正确到完善到最终得出科学的结论,前后可能要经历几千年．有的物理学家由于身处时代的局限性等原因,可能得出了错误的结论,但是教师要通过有效地融合物理学史的讲解方式,教会学生辩证地看待人或事物．

案例:牛顿第一定律(教学片段1).

教师:亚里士多德到底错在哪里?使物体归于静止的真的是自然吗?使物体往下落的真的是自然吗?是重力!亚里士多德知不知道有摩擦力、有重力呢?他真的不知道．亚里士多德毕竟是2000多年前的人,当时人在自然面前太渺小了．由于自己的直观经验限制以及对自然的敬畏,他把人力和自然之力区分开来是非常正常的事情．他从来没有想过人的推力和拉力跟自然的重力和摩擦力是同样一种作用．所以完整地描述亚里士多德的观点应该是这样的:维持物体做非自然运动需要什么力?人力．其实并没有什么错误．他是古希腊文明集大成者,被恩格斯誉为最博学的人;他也是第一个认真思考力和运动之间关系的人,对后来者有很多启迪,事实上整个经典力学的建立就是从对亚里士多德的理论的检验和批判开始的．我们对待古人,应该用合理、公正、辩证的态度来评价他,而不是站在今天的角度,沿袭着2000多年来的知识积累去嘲笑古人,这是不公平的．但是我们也要知道,亚里士多德正是因为受到历史的局限,过多地依赖自己的直观经验,所以他从过于明显的线索中得出了错误的判断,最终只是解释了现象,却没有抓住规律．伽利略为什么能够抓住规律?伽利略除了注重经验事实,还注重了逻辑推理,只有把事实和推理相结合,才能像伽利略那样抓住自然规律．

(3) 通过物理学史的讲解,让学生感受物理之美.

案例:牛顿第一定律(教学片段2).

教师:亚里士多德说:物体的运动需要力维持．伽利略说:物体运动不需要力来维持．笛卡尔说:力改变运动．所有这些研究在牛顿身上得到总结．1642年,伽利略在意大利逝世,同一年,一个婴儿在英国的乡村呱呱坠地,他就是智慧之光闪耀宇宙的牛顿!我们尽可以用一种浪漫主义的情怀来臆想这一奇妙的巧合．

虽然只是不经意的一句话,但是不得不说“我们尽可以用一种浪漫主义的情怀来臆想这一奇妙的巧合”.这句话从一位物理教师的口中这么自然地表达出来的确会让学生为之心动．“浪漫”这一词语似乎与物理教师无缘、与物理学科无关,曾经有人评价物理是一门冷冰冰的学科,但是如果我们都能用这样的语言给学生讲解物理学史,学生会感受到物理教师之美、物理课堂之美、物理学科之美,学生也肯定会不由自主地喜欢物理教师、喜爱物理课堂,进而热爱物理学科．

(4) 通过对物理学史的介绍,实现物理学科的德育价值.

通过物理学史的介绍,让学生了解物理学家的生平,可以培养学生热爱科学、献身科学的精神．物理学发展史上,有许多令人心酸、催人泪下的故事,让学生对此有所了解,可以让学生真正尊重知识、尊敬物理学家,在学科教学中实现德育功能．

例如,伽利略推翻了亚里士多德物理学方面的许多臆断,奠定了经典力学的基础,反驳了托勒密的地心体系,有力地支持了哥白尼的日心学说．他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学．但是,他的观点触犯了教会的利益,1633年以“反对教皇、宣扬邪学”被罗马宗教裁判所判处终生监禁,双目逐渐失明,晚景凄凉．布鲁诺也因为宣扬哥白尼的“日心说”冲击了教会的教义,因而成了反动势力的眼中钉,被处火刑,活活烧死．居里夫人,由于长期与放射性物质打交道,最后患白血病而逝世．利赫曼为了研究雷电,最后因雷电而捐躯．法拉第为了研究物理,最后舍弃富贵的生活而成为“平民法拉第”．物理学家这些可歌可泣的感人故事,能够给学生带来强烈的心理震撼,帮助他们树立为科学奉献的责任感和使命感．

再比如,1903年汤姆逊提出了枣糕式原子模型,1911年卢瑟福提出了核式结构原子模型,1912年玻尔建立了玻尔原子模型．在“探索更小的微粒” (苏科版初中物理8年级下册第7章第3节)的教学中,教师可以补充强调的史实是：卢瑟福是汤姆逊的学生,玻尔则是卢瑟福的学生,他们在物理学的研究过程中没有一味的盲从自己老师的观点,而是根据事实不断提出自己的疑问、不断自我学习、不断自我反思、不断实践研究,最终解决问题,得出科学的论断．通过这部分物理学史的学习,学生就能养成敢于质疑、敢于批判的科学态度,从而不断提升自己独立思考与判断的能力．这样融合物理学史教育的物理教学才会培养出适应社会发展需要的创新人才,从而实现物理学科的育人功能．

(5) 通过对物理学史的自主学习,提升学生终身学习的素养.

在物理课堂教学过程中教师可以通过讲解物理学史相关内容,让学生重温艰辛但又充满着喜悦与收获的物理学发展历程,让学生们身临其境般的置身于物理学史发展的原景中,被震撼、被感动．但是课堂教学时间是有限的,有的物理学史内容可以设计为让学生自主学习的方式进行．学生通过查阅资料或利用网络自主学习,课堂上主要进行学习成果的分享与交流.这种方式既可以培养学生主动获取信息的能力,又可以养成分享、交流的合作意识,使他们学会学习．

例如,在学习“能量守恒定律”相关内容时,教师可以让学生课前搜集历史上各种“永动机”的设计方案,并用自己擅长的方式在课堂上予以呈现、分享．通过这种方式,不仅让学生了解人类在利用能源的历史进程中所经历的一段曲折过程,同时加深对“能量守恒律”的理解和认同,也在此过程中提升了学生自主学习的能力．

2 结束语

初中物理教师是青少年成长过程中严格意义上的物理科学教育的启蒙者,我们有责任、有义务通过物理学史的介绍,向学生讲清楚,物理学的发展没有平坦的大道,物理学发展的历程所经历的是一条非常曲折、非常艰难的道路．如果我们的教师在对学生进行教育的时候,长期坚持应用经过几次消化了的材料来讲授,或者经过抽象的理论分析加以表述,把已有的知识系统归纳,形成简明扼要的理论体系,这当然有其必要性,但是这样的教学方法,往往会使学生对物理概念的产生和发展、物理规律的形成过程产生误解,以为什么结论都可以用数学推导出来,长此以往,渐渐失去了对观察和实验的兴趣,进而失去了对物理这门学科的兴趣．作为一名初中物理教师,我们不能让孩子们在物理学习的启蒙阶段,就对物理学科失去了兴趣,更不能等到学生进入高中阶段不愿选修物理时,再和高中物理教师一起抱怨物理教师及物理学科地位的下降，而是应该积极地思考,如何进一步转变自身的教育理念、改进我们的物理教育方式,在帮助学生提升物理思维品质的同时,更好的丰富学生的科学精神世界,让学生喜欢物理、爱上物理.

中国著名物理学家钱三强同志曾经说过:“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地．这块宝地很值得我们去开垦,这些精神财富很值得我们去发掘．如果我们都能重视这块宝地,把宝贵的精神财富发掘出来,从中吸取营养,获得教益,我相信对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的．”如果说物理学的理论知识是骨架的话,那么物理学史就是附着在骨架上的血与肉．因此,在中学物理教学中,物理学史不应该是起点缀作用的装饰品,而应该是物理教学过程中不可或缺的重要组成部分．希望更多的物理教育工作者能够加入到物理学史这一宝贵的教育资源的开发与应用研究中来,为物理教学的改进助力、为孩子的终身发展奠基.