基于“混合式”教学理念开展高中物理学史教学的实践研究

尹庆丰

(1. 常州市武进区教师发展中心,江苏 常州 213164; 2. 常州市武进区礼嘉中学,江苏 常州 213176)

“以史为镜,可以知兴替;以人为镜,可以明得失．”这句话用在高中物理课堂教学中,亦是有一番新的感悟.

物理学史是一部人类研究自然界各种物理现象的认识史,它展现了每一个物理知识、物理规律、物理本质被发现、被证实的过程,重现了物理学家探索物理世界的艰辛历程,是科学态度与责任、科学思维与探究教育的好素材．

上世纪50年代初,物理学史被原美国哈佛大学校长科南特大力倡导引入科学教育．此后,无论是在教育研究领域还是在教学实践领域,都引起了人们的广泛重视,国际上已经把物理学史引入物理教育作为物理教育改革的趋势之一．

上世纪80年代,国内物理课程与教学论领域也出现了把物理学史引入物理教学的诉求,且呼声越来越高．将物理学史与物理教学相结合,逐步成为教师顺应国际物理教育改革趋势、提升学生科学素养的重要途经之一．

1 问题的提出

近年来,物理学史越来越受到国内教学一线工作者的重视,随之而来的成果也不断涌现．然而,笔者仔细研究之后发现,真正要将物理学史渗透到高中物理教学中去,从而提高学生学科核心素养,还存在着以下实际问题.

1.1 现有的研究成果实践性不够

从理论上来说,主要集中于对物理学史教育的价值、意义、作用的阐述,很少有对具体实施方法的研究;从教学上来说,一般多为原则性的教学建议,而具有实用价值的操作性研究较少;从内容上来说,主要集中在牛顿第一定律、原子的核式结构等经典教学案例,而主动开发建立概念、规律的教学案例较少．

1.2 物理学史融入的广度不够

虽然有越来越多的教师开始重视物理学史的教学,但是笔者对所在地区高中物理教师进行的调查显示:只有约1/5的教师经常在物理教学中融入物理学史内容,有约3/5的教师偶尔在教学中融入物理学史内容,还有约1/5的教师在物理教学中基本不融入物理学史内容．

1.3 物理学史渗透的深度不够

现有的将物理学史与物理教学相结合的方式,还是局限于一种非常传统的模式,仅仅是一种简单、单向的讲授模式．笔者调查发现:教学中引入物理学史,大部分的教师仍停留在“几几年,某某科学家发现或提出了……”这样的水平上,根本无法实现物理学史内在的价值．

针对上述3个问题,笔者开始寻找原因．首先,笔者仔细翻阅了人教版高中物理教材,并对之进行了数据统计,发现教材中物理学史编排总数(处)达131处,详见表1．

表1这些数据告诉我们,教材中的物理学史,不论是出现的数量,还是呈现的方式、呈现的位置、叙述的详略,或是所属年代与地域,都是比较充裕且丰富的,足够教师们在课堂上充分利用,从而显现出物理学史教学的应然功能．

表1 人教版高中物理教材中物理学史内容细分统计表

可见,问题还是出在“人”身上．笔者随后走访了多位教学一线的骨干教师,他们的反馈,主要集中在课时不够、对物理学史本身了解不够、学生不感兴趣等问题上．同时,他们也表达了积极的想法,希望能够找到一个解决之道,帮助他们能够充分利用现有教材中的物理学史知识开展教学,让学生领悟和理解物理思维方法,发展学生的实验探究能力,培育学生的科学态度与责任感．

2 “混合式”教学

1999年,混合式教学(Blended Learning)概念正式提出．有关混合式教学的定义有很多版本．狭义的混合式教学,通常专指将基于互联网的线上教学和传统的面对面的线下教学方式混合应用的教学方式;而广义的混合式教学是指将不同的教学手段、教学方法混合使用的教学方式．不论哪一种定义,笔者认为,只有同时满足教学方式或教学传播媒体的组合、教学方法的组合、在线教学和面对面教学的组合这三个特征,才能称之为“混合式”教学．

那么,混合式教学的模式究竟有哪些呢?与概念相对应,结合课题组教师自身教学实践探索,笔者构建了混合式教学模式的基本框架,如图1所示．

由图1可以看出,“混合式”教学主要可以从教学手段、教学方式、教学方法等几个方面的组合进行实践．可以是同一堂课中采用不同的组合,也可以是一门课程中采用不同的组合;可以是不同教学手段的组合,也可以是教学手段、方式、方法的组合．当然随着教学实践的深入,还会有更多的内容添加进来,对这个框架进行不断地补充与完善．

图1 “混合式”教学模式基本框架图

从渗透物理学史的角度来说,我国目前大部分教育仍以教师为中心,实行以知识传授为目的的传统教学模式和方法,这在一定程度上加剧了学生的厌学情绪,阻碍了物理学史融入教学的广度和深度,阻碍了教学质量的有效提高,更是阻碍了学生物理学科核心素养的提升．

而“混合式”教学理念的提出,“教为不教、学为学会”,使得教学不再是过去那种固定场所、单一地点的授课,而是具有更多的开放和多元、虚拟和现实相结合的学习空间和场所,从而形成课内课外、线上线下,学习无处不在的新格局．因此,笔者认为,基于“混合式”教学理念,开展高中物理学史教学的实践,就是“核心素养视野下高中物理教学渗透物理学史的实践研究”的有效之法,解决之道．

3 基于“混合式”教学的物理学史教学案例

笔者认为,对于不同的物理学史内容,在学生学习过程中所起的作用不同,因此采用的教学模式也应是各不相同的．下面就依据图1的框架,选取几个教学案例,详细说明如何充分应用“混合式”教学理念,将物理学史渗透到高中物理教学课堂的实践中去,从而让学生亲历物理观念的形成和发展、重新体验科学家研究问题的思维方法和探究过程．

3.1 教学手段的组合

案例1.经典书籍——“牛顿第一定律”教学片段

……

牛顿的贡献:形成体系

教师:牛顿在伽利略和笛卡儿等人的工作基础上,提出了动力学的一条基本定律．

牛顿第一定律:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态．(引导学生分段解析,帮助理解)

现场赠书《自然哲学的数学原理》,并介绍牛顿关于运动的三条定律和《自然哲学的科学原理》书的价值．

(接下来就是对牛顿第一定律的理解,该内容部分都由教师引导学生回答,先分析后半句话的意义,并且由受书学生回答．)

① 力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因．

讨论:哪些情景是物体的运动状态发生改变?(请举例说明)

总结:运动状态由速度决定,速度发生了变化,就说物体的运动状态发生了变化．(强调:速度是一个矢量．)

指明:力是改变速度的原因．

力是产生加速度的原因．(可以到第二节再介绍．)

② 牛顿第一定律描述的是一种理想状态,其结论可等效地推广到物体所受合外力为零的情况．

(引导学生看书本P68小字,体会“牛顿的高明”——提出了重要的科学概念“力”．)

……

牛顿的《自然哲学的数学原理》是物理学发展史上一部光辉的经典著作,它以严谨的体系和丰富的内容完成了物理学史上的第一次大综合．此教学片段通过赠书的方式,让学生明白牛顿在物理学史上的重要作用和伟大成果,同时引出“牛顿第一定律”．这一渗透物理学史的教学手段,不仅可以引导学生更好地领会牛顿第一定律中包含的力、惯性等重要物理观念,还能够让学生感受到科学结论得出的艰难历程、感悟科学之美．通过学生对后续内容的阅读,会发现牛顿第二定律的表述与教材上的表述不一致,更是能够激发学生的好奇心,从而调动学生的学习热情．

案例2.网络视频——“粒子的波动性”教学片段

……

物质波的验证

教师:如何验证德布罗意假说?

学生:如果能观察到实物粒子的干涉、衍射等波的特有现象,可验证实物粒子具有波动性．

教师:发生明显衍射的条件?

学生:障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多,或者比波长还要小．

(找学生上黑板,应用德布罗意波能量、动量关系式计算子弹及电子的波长．)

计算1:一个质量为0.01kg,速度为300m/s的子弹,对应的德布罗意波长?

教师:为什么不易观察到宏观物体的波动性?

计算2:一个原来静止的电子,经过100V的电压加速后,对应的德布罗意波长?

教师:分子直径的数量级与上面计算出的电子波长数量级相当吗?

学生:相当!

教师:电子的德布罗意波长与分子直径相当,电子束照到晶体上,两晶格的狭缝可使电子发生明显的衍射．1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验,证实了电子的波动性．

此处通过多媒体播放网络视频,重现电子束衍射实验．

……

这节课的内容从德布罗意波的提出、验证到物质波理论的形成,充分体现了物理学史的发展历程．而其中,物质波的验证这一环节,教材上是用了两张图片,分别是电子束通过铝箔时的衍射图样和弗兰克林拍摄的DNA的X射线衍射照片．虽然图片能够看出衍射现象,但是学生会质疑实验的过程．而这样的验证实验对于高中生来讲有点遥远、无法亲证,但是对于高校或者是科研机构来说,是很常规的实验．因此,可以通过网络资源寻找这样的验证实验的视频,让学生从视频中完整的了解实验的过程,同时也可以通过解说,更深入地了解戴维森和G·P·汤姆孙两个人发现电子衍射的不同历程,从中感悟科学家们如何向固有观念挑战,如何提出大胆猜想和假说,如何寻找有效的方法等等,从而在潜移默化中培养学生的科学态度与责任．

3.2 教学方式的组合

案例1.面授教学——“库仑定律”教学片段

……

(1) 巧设环境,精彩引入.

小实验:塑料吸管靠近细细的水流,发现水流从竖直变的弯曲;……

总结:结合学生的回答,给出相应的概念,电荷间的这种相互作用力叫库仑力,遵循的规律为库仑定律．

(2) 开拓思维、类比猜想.

通过观察上面的引入实验,学生结合前瞻性知识,并且结合生活经验和学过的知识知道带电粒子直接有相互作用力,那么这种相互作用力与哪些主要因素有关呢,可以积极引导学生进行类比猜想,因为学生猜想的结果以及猜想的思维方法会一直贯穿在整个教学环节中．

总结:本节课我们主要来研究力与电荷量、距离之间的关系．

(3) 模型初建、实验探究.

本环节主要是初步探究库仑定律,通过实验探究,让学生观察,定性的总结力与哪些重要因素有关系,并且猜想有着什么样的规律?

a. 模型建立(略)

b. 定性实验探究(略)

c. 探究影响电荷间相互作用力的因素

教师:通过上面的结论,能不能思考以前学过的知识,并且通过类比的方法猜想F与Q、r有什么具体定量关系?

图2 库仑扭秤实验演示

学生:类比万有引力定律,电荷间作用力应和万有引力一样具有“平方反比”规律(如图2)．

教师介绍库仑扭秤实验,如何实验 “定量”探究,由于库仑扭秤比较难以理解,教师类比生活中的“拧毛巾”过程,介绍扭称的工作原理,并且进行演示实验,便于学生更好的理解．

d. 规律的多样性与统一性

通过对比总结:规律的多样性与统一性,我们要用多样性和统一性的眼光看待我们的世界．

e. 结论(略)

……

这节课包含了很多的演示实验,因此最佳呈现方式还是选择面授教学,这也是比较传统的方式．在库仑定律的发现过程中,电扭秤实验可以说是人们公认的实验基础,因此,在课堂上重新“还原”这个实验,既可以让学生了解库仑定律的由来,又可以让他们更为直观的验证定律内容．实际上,整个静电学的发展,都是在借鉴和利用引力理论的已有超过的基础上取得的,这里又让学生看到了类比方法在科学研究中所起的作用．通过课堂教学的方式,物理学史不再是书上的白纸黑字,而是实实在在看得见的过程,这对于学生科学思维的培育也是非常重要的．

案例2.线上教学——“能量量子化”教学片段

……

(1) 引入新课.

介绍能量量子化发现的背景

“两朵乌云”

(2) 进行新课.

a. 黑体与黑体辐射

教师:在了解什么是黑体与黑体辐射之前,请同学们先阅读教材,了解一下什么是热辐射．

学生:阅读教材关于热辐射的描述．

了解两个概念: ① 热辐射现象; ② 黑体．

测试题1.下列叙述正确的是

(A) 一切物体都在辐射电磁波.

(B) 一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关.

(C) 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关.

(D) 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波.

测试题2.炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色,就可以估计出炉内的温度,这是根据什么道理?

b. 黑体辐射的实验规律

教师:引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”,结合课本第29页图17.1-2讲解黑体辐射的实验规律．

教师:提出问题,设置疑问．怎样解释黑体辐射的实验规律呢?

在新的理论诞生之前,人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释．德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式．结果导致理论与实验规律不符,甚至得出了非常荒谬的结论,当时被称为“紫外灾难”．

展示:瑞利——金斯线．

c. 能量子:超越牛顿的发现

教师:利用已有的理论解释黑体辐射的规律,导致了荒谬的结果．必然会促使人们去发现新的理论，这就是能量子概念．

1900年,德国物理学家普朗克提出能量量子化假说:辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子,这些谐振子可以发射和吸收辐射能．但是这些谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态中,谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值．相应的能量是某一最小能量ε(称为能量子)的整数倍,即:ε,2ε,3ε,…nε,n为正整数,称为量子数．

对于频率为ν的谐振子最小能量为ε=hν,这个最小能量值,就叫做能量子．h是一个常量,也被称为普朗克常数,数值为h=6.626×10-34J·s.

测试题3.对应于3.4×10-19J的能量子,其电磁辐射的频率和波长各是多少?它是什么颜色?

(3) 承上启下.

1918年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖．

而死后他的墓碑上只刻着他的姓名和h=6.626×10-34J·s

“物理难题”引出“光电效应:光的粒子性”

……

“能量量子化”是我们展开线上教学的第一课．之所以选择它,是因为这节课的内容本身以自学为主,以理论为主,以物理学史为主．因此,我们将这节课的讲课视频、课件、物理学史资料等放到网上课堂(如:超星学习通)做一次大胆的尝试．为了能够实现教学目标,在新课环节设置了3个测试题,如果学生能够顺利答题,说明他已经掌握了本节的主要知识点．而且,从学生的答题情况统计,教师可以及时掌握学生的学习情况．将这节课作为线上课程,还有一个优点．那就是这节课的引入和总结部分包含了相当多的物理学史小故事,如果是课堂教学,那么要考虑学时问题,这些小故事最后就被压缩成几句话,而线上教学的话,就不存在这个问题,教师可以将这些小故事仔细讲解,或者是制作链接,让学生自主学习的同时,还能更好的了解《能量量子化》假说提出的前因后果,以及对后续物理学史的影响,为原本枯燥乏味的教学内容增添活力．

3.3 教学方法的组合

案例1.演示实验——“光电效应”教学片段

……

光电效应

教师:实验演示,如图3所示．用弧光灯照射擦得很亮的锌板,(注意用导线与不带电的验电器相连),使验电器张角增大到约为 30°时,再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板,则验电器的指针张角会变大．

图3 光电效应演示实验

学生:认真观察实验．

教师:上述实验说明了什么?

学生:表明锌板在射线照射下失去电子而带正电．

引入概念:在光(包括不可见光)的照射下,从物体发射电子的现象叫做光电效应．发射出来的电子叫做光电子．

……

光电子其实是一个很抽象的概念,可是如果能够很好的利用物理学史上发现并揭示光电效应机制的实验,那么将事半功倍．这里我们通过演示实验,将类似于俄国物理学家斯托列托夫的实验研究重现出来,让学生亲眼验证了锌板在光的照射下,会放出带负电的粒子,从而形成电流,让学生感受到“光电子”名副其实,且对其概念印象深刻．这个实验所用仪器都比较直观,而且现象明显,因此选择演示实验的方法即可．

案例2.探究实验——“光的干涉”教学片段

……

实验探究:相邻两条亮条纹(或暗条纹)的中心间距Δx与什么有关?

假设:d为两狭缝之间的距离,L为光屏到双缝屏的距离,如图4所示．

图4 杨氏双缝干涉实验装置图

思路:分析波面

探究1:d减小,L、λ不变,Δx如何变化?

实验得知:d越小,亮纹、暗纹形成的顶角(开口)越大,Δx越大.

探究2:L增大,d、λ不变,Δx如何变化?

实验得知:亮纹、暗纹向外呈辐射状,L增大,Δx增大.

探究3:λ增大,d、L不变,Δx如何变化?

实验得知:λ越大,亮纹、暗纹分布越稀,Δx越大.

结论:双缝的间距d越小,光屏到双缝屏之间的距离L越大,光的波长λ越大则相邻两条亮条纹(或暗条纹)的间距Δx越大．

通过上述公式可以测出入射光波长．

……

双缝干涉实验是经典光学的发展史上非常重要的实验之一,为托马斯·杨的波动学说提供了很好的证据．考虑到这个实验现象的变化比较微小,需要学生近距离观察．因此,给出与杨氏当初实验相似的装置,而不是用现在常用的激光光源,让学生进行自主探究,本身就是一件非常有意义的事．其次,这个实验的成功更是对长期与牛顿的名字连在一起的微粒说的重大挑战．回想当时托马斯·杨提出干涉原理后不断受到一些权威学者的围攻,学生才能够更深刻地体会挑战权威需要多大的勇气．通过这样的实验环节,不仅培养了学生的科学探究能力,让他们认识到质疑创新的重要与艰难,也可以帮助他们树立面对困难不动摇的坚定的科学信念．

4 结语

“混合式”教学并不是简单的技术混合,而是为学生创造一种真正高度参与性的、个性化的学习体验．现阶段的混合式教学概念强调的重点是“以学生为中心”,这是符合近年来国内外教育界提倡的主流教育理念的,因此混合式教学必将成为未来教育的“新常态”．

“混合式”教学理念与物理学史相结合,从教师层面来说,资源可以共享,课时也不用增加,将使得高中物理教学中渗透物理学史的教学更具有实践性,从而推进物理学史融入教学的广度与深度;从学生层面来说,课堂增添了时尚感,又能够了解知识的全貌,可以一定程度地激发他们学习的兴趣,增强学习的主动性,从而提高学生的人文素养和科学素养,促进学生物理核心素养的提升．