如何在物理教學裏巧妙穿插物理學史
物理學史是人類對自然界各種物理現象的認識史,它揭示了物理學發展的規律及其內在邏輯性,集中體現了人類探索和逐步認識物理世界的歷程。學生的認識過程與人類認識的歷史發展過程有着許多相似之處,因此,在物理教學中正確而恰當地運用物理學史,介紹物理史實,不僅使學生從歷史的素材中,透視物理知識發現和發展的來龍去脈,認識物理學家的科學方法和科學思維特點,加深對物理知識的理解,而且可以從中得到教益,受到啟示,提高自身的科學素養。在物理教學中貫穿物理學史的教育,對培養創造性人才有着重要作用。
一、向學生介紹物理學史知識的必要性
學習一門學科首先要弄清楚這是一門怎樣的學科。物理學的本質特徵是什麼? 當今物理學究竟發展到了哪個階段?在科學中的地位如何?與其他學科有什麼聯繫?這些問題大都不被學生了解。在教學中, 物理學史的滲入可以使學生初步瞭解物理學產生與發展的過程, 體會物理學對人類文明發展的作用, 從而對物理有一個較為全面的認識:它既是一門科學, 更是一種文化。物理學是研究物質運動的一般規律和物質基本結構的科學。它研究的運動普遍存在於其它高級的複雜的物質運動形態之中, 因而物理學是其他自然科學的重要基礎, 對整個科學系統產生着深刻地影響。
介紹必要的物理學史知識可以使學生在平時的學習中對所學問題的背景產生更加深入的理解, 認識到物理絕不是孤立的, 它與其他很多學科都關係密切,物理學的知識及研究方法滲透到各個科學領域,許多領域內的學生都發現自己正在學習物理學,這是因為它在所有的現象中起着基本的作用。比如:物理學與數學關係密切,源遠流長,歷史上有許多著名科學家如牛頓,萊布尼茨,帕斯卡,高斯等對這兩門學科都作出重要的貢獻。牛頓為解決運動問題,創立了和物理概念直接聯繫的數學理論微積分,順利地處理了一些具體問題,如切線問題、求積問題、瞬時速度問題以及函數的極大和極小值問題等。物理學與化學本來就是脣齒相依、息息相關的,有人説,化學是分子、原子水平上的物理學;生物學是大分子集團的物理學,物理在生命科學中也具有廣闊的應用前景。在物理學研究中形成的基本概念和理論,基本實驗方法和精密測試技術,已經越來越廣泛地應用於其他學科,進而極大地豐富了人類對物質世界的認識,極大地推動了科學技術的創新和革命,極大地促進了物質生產的繁榮與人類文明的進步。
課程標準對物理教學需要講授的物理學史內容給出了明確的要求,新教材的編排為落實這一理念也做出了相當努力,在物理學家生平、物理學研究方法、物理學實驗等方面都有相應的介紹,相應的圖片資料,文字信息和閲讀鏈接都做得很到位。當然課程標準新理念的具體落實,以及教材的實際操作,關鍵在於一線教師。如何引導學生去查閲資料,利用豐富的圖文資料展開學習,教師的組織和引導不可或缺。
從物理教學的角度上看,物理學史和物理教學方法不是物理課堂教學中可有可無的附屬物和裝飾品,而是物理教學中必不可少的部分。人們常説,在物理教學中講物理理論,給學生以知識;講物理學史,給學生以精神和智慧,二者不可偏廢。
二、如何在物理課堂教學中滲透物理學史知識
興趣是最好的老師,要想學生學好物理,首先要讓他們對物理學感興趣。物理學史中有許多有趣、有用的史料可以使學生充分認識到物理學是一門充滿生機的學科,可以激發學生學習物理的興趣,並逐步引導學生由興趣轉化為志趣,從而形成學生的物理學科情感。
例如在講解“實驗:用打點計時器測速度”時,很多學生並不理解打點計時器的作用,不能理解交流電源的頻率50赫茲與打點計時器計時週期間的聯繫,教師如果能結合人類計時技術的發展史,讓學生認識到打點計時器是一種精密計時儀器,就能幫助學生進一步理解本實驗的原理及其意義。
我在授課時,先給學生介紹了人類使用技術工具的歷史和當前計時工具的發展狀況,其中很多內容都是學生以前所不知的,因而引起學生極大興趣。
例如:公元前20000年,史前人以在木棍和骨頭上刻標記的方式來計時;公元400年,中國發展了機械漏刻;公元1350年,德國鐘錶匠發明第一個機械鬧鐘;公元1700年,時鐘上除時針外又加上了分針;公元1800年,計時精確度到1/100秒;公元1949年,發明第一台原子鐘;公元1970年,計時精確到微微秒;公元1998年,建立超冷銫原子鐘,比微微秒又要精確10萬倍。
學生聽了我的介紹後,對人類計時的歷史有了一定的瞭解,知道了各類計時工具及其精確度,提高了學習打點計時器的興趣,為下一步的教學工作帶來極大的便利。
在講授“伽利略對自由落體運動的研究”時,我先讓學生查閲資料,全面瞭解亞里士多德和伽利略的生平以及對科學發展的貢獻。亞里士多德是古希臘最偉大的、百科全書式的科學家,亞里士多德對世界的貢獻無人可比。不幸的是亞里士多德的物理理論有嚴重的侷限性,他認為數學對描述地面現象沒有什麼價值,另外,他強調直接的,定性的觀察是形成理論的根據。簡單的定性觀察使亞里士多德在生物研究中取得了很大的成就。但是,事實表明,只是認識到數學推導和精細測量的價值之後,物理學才真正得到發展。伽利略的成功之處在於他對物理規律的論證非常嚴格,他創立了對物理理象進行實驗研究並把實驗的方法與數學方法、邏輯論證相結合的科學研究方法。此外,伽利略還創立了理想實驗法,他設計的實驗雖是想象中的,但卻是建立在可靠的事實的基礎上。把研究的事物理想化,就可以更加突出事物的主要特徵,化繁為簡,容易於認識其規律。伽利略的這一自然科學新方法,有力地促進物理學的發展,他因此被譽為是“經典物理學的奠基人”。
我讓學生查閲資料,瞭解伽利略是如何用實驗驗證自己的猜想,在實驗中遇到了哪些困難,又是如何解決的。學生接到任務後,都很感興趣,分別行動,查閲了資料,並創造性地排演了一部科學小品,讓同學們在娛樂中學到了物理學史知識,領會了物理學發展的艱難和伽利略的過人之處,提升了自身的科學素養。
物理學史能告訴我們物理學思想的邏輯行程和歷史行程, 它的'滲入不僅有助於學生了解各概念、定理、定律的來龍去脈, 而且有助於學生逐步掌握正確的科學思維方法,造就一個強大的頭腦。例如,在教學“牛頓第一定律”時,從古希臘的亞里士多德,到伽利略、牛頓, 循着偉人的研究歷程學習,從而加深學生對力和運動關係的理解;在教學“電磁感應”的時候,以奧斯特發現電流的磁效應為線索,向學生介紹人類對磁以及電和磁關係的認識過程。通過講解安培、法拉弟、愣次和麥克斯韋等人在揭示電磁關係工作中的艱辛努力和所取得的成果, 使學生在有了對電磁發展總體認識的基礎上,加深對教材的理解和對左、右手定則、法拉弟電磁感應定律、愣次定律等關鍵點的把握。物理學史知識的滲入可以引導學生不單純地接受教師傳授的知識, 而是形成一種探索與研究的習慣, 對任何知識細節自覺地追根朔源,凡事都問個為什麼,去發現和認識在一個問題從產生到解決的過程中,真正創造了些什麼,應用了那些科學方法,從而可以在這種不斷學習,不斷探索,不斷研究的過程中學會物理科學思維方法。
科學精神作為科學教育的重要方面,愈來愈受到人們的重視,這不僅是因為它與科學知識、方法、技能與能力有着密切的關係,具有獨特的教育價值。如在原子物理教學中,介紹一些著名科學家的故事:居里夫婦在極其簡陋的條件下,從幾噸礦渣中找到了幾克鐳;在α散射實驗中,盧瑟福和他的學生共記下了十萬次以上的閃光,終於發現了個別被金原子核彈回的α粒子,並以嚴密的論證提出了原子的核式結構學説等。這些優秀事例,都體現了科學研究的艱辛和科學之美。
現在許多中學生生活條件優越,幾乎沒有受過什麼挫折,不懂得美好生活和科技成果的來之不易。面對這樣的學生,教師在物理學史中可以找到很多正面素材加以教育。如焦耳為了探索“熱”與“功”之間的數量關係,在1840年到1879年間,做了幾百次實驗,才測出了精確的熱功當量值。法拉第為了找到“磁生電”的方法,整整花了十年時間。教師要通過教育使學生充分認識到:人對自然規律的認識是一個迂迴曲折的過程,是一代又一代的科學家經過精心觀察、實驗和複雜、艱鉅的創造性勞動,付出了巨大的代價才取得的,一項科學成就的取得不是一蹴而就的。
物理教學中一定要重視培養運用科學方法解決物理問題的能力。著名科學家巴甫洛夫曾説過:“有了良好的方法,即使是沒有多大才乾的人也能作出許多成就。如果方法不好,即使是有天才的人也將一事無成。”
總之, 在物理教學過程中要充分挖掘物理學史的教學功能, 以物理史實為背景,創設適當的教學情境,讓學生了解歷史,進入歷史,這樣既能使教學內容豐富多彩, 富有感染力, 又能啟迪學生的智慧, 提高學生的科學素質, 培養學生的創新能力。
