体现物理学史教育功能的案例分析

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体现物理学史教育功能的案例分析

作者:严为军

原载:本站《物理通报》2007年第7期

物理学是人类文明史上的一颗璀璨明珠，它加速了人类社会的进步，丰富并壮大着人类的智慧和力量，使人类从纯自然中逐步独立并解放出来。而物理学史正是这一伟大发展过程的浓缩和结晶，它蕴含着丰富的思想、精神、技术和文化，是人类发展的智力基础，也是人类赖以发展的智慧源泉。任何发展进步都不可能是无根之木，人类进步如此，个人的学习亦是如此，借用牛顿的话说，即个人的发展是“站在巨人的肩上”。
在高中物理教学中，物理学史的作用不可忽视。忽视历史就等于抛弃发展的根基，这不仅不会加速发展还会使发展被架空或重蹈覆辙。那种认为物理学史就是讲故事的看法是片面的、狭隘的，同时那种认为物理学史应与正常的物理教学分开的作法也是有害的。真正的物理教学应将物理学史贯穿始终，应是集鲜活人生、鲜活思想和鲜活方法于一体的综合学习。下面以高中物理“自由落体运动”一课的案例示范，浅析物理学史在物理教学中的作用。

按照人民教育出版社的全日制普通高级中学物理教科书的体例，本节课的教学逻辑是:首先提问并演示金属片和纸片在有空气和无空气中的下落快慢;在此基础上给出自由落体的定义;随后通过研究自由落体运动的频闪照片分析得到自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，并附带的指出这是伽利略的研究结果;此后讲述的是自由落体加速度的概念和运动计算方法。
这种体例安排代表着现在普遍的教学处理方法。从结构上讲，从提问到现象演示，到理论分析，再到计算应用，可谓逻辑严密。从内容上讲，自由落体的含义和计算方法都已涉及，可谓知识到位。从教学手段上讲，有实验观察有理论分析，符合学科要求。但是，细细地从学生的角度想想就会发现，我们的设问，真能勾起学生的好奇吗?学生为什么要学这个司空见惯的运动现象，目的何在?纵然知道了下落物体做的是自由落体运动又有何意义?为什么要用那个学生陌生的频闪照片来分析，难道非此不可吗?等等。这些问题直接决定着本节课的学习动机、学习价值和学习热情。如果这些问题得不到有效的解决，那么学生的学将会被架空，即学生的学习只是我们需要他们那样做或告诉他们如何做的被动过程，即使采用最新的科技，也无济于事。就拿教材中的设问来说，实际上现在的学生在小学就已经知道如果不计空气阻力，轻重物体下落一样快的事实。所以我们的“精心设问”，只有提问的空壳，对学生来说，并没有起到设疑起兴的作用。
要解决上面的问题，行之有效的方法是站在历史的高度去诊释落体运动的过程、方法和意义。由于牛顿运动定律此时还未学习，不能对现象作根本解释，计算也很简单，即本节课的知识学习并非首要，重要的是研究方法和逻辑。下面给出本节课的教学设计方案。
第一步，用大屏幕打出西方的一句谚语“对运动的无知，就是对大自然的无知”，以及运动的哲学观点“运动是一切物质的本质属性之一”。由此展现研究运动的重要性以及运动论题的古典性，并由此揭开对最简单落体运动研究的序幕──历史探寻。师生一起对比研读亚里士多德以万物都由4种元素──水、火、土和空气组成的理论所建立的落体理论，以及伽利略在《两门科学的对话》中所作的理论分析。在此基础上，讨论谁的结论更为可靠。主要从论据的可靠性，论证逻辑的科学性，以及实验现象观察(牛顿管)展开。最终得出在单因素作用下──受重力作用时，物体下落的快慢与物体重力的大小无关的实验结论。并分析亚里士多德的错误原因──基础的错误，以及对现象的不全面归纳(把单因素的重力作用和双因素的重力和阻力作用的混同)。
第二步，设问“物体自由下落的运动是一种什么形式的运动?”这是学习的关键。以伽利略的一份口述信开始，“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质，然后加以论证。”体现前人的研究逻辑。给出伽利略对此事的思考过程:他没有沿着亚里士多德把运动分为自然运动和受迫运动的思路，而是从运动的基本特征量—加速度和速度出发，把运动分为匀速运动和变速运动。他选择了最简单的运动来表示落体运动，即匀加速运动。他的解释是“在自然加速运动的研究中，自然界就像在所有不同的过程中一样亲手指引我们，按照她自己的习俗，运用最一般、最简单和最容易的手段……”
“所以当我观察原先处于静止状态的一块石头从高处落下，并不断获得新的速度增量时，为什么我不应该相信这样的增加是以极其简单的对任何人都很明显的方式进行的呢?”正是在这个运动最简信念的支持下，伽利略对匀加速运动给出了两种假设定义:一是速度与下落的距离成正比;一是速度与运动时间成正比。
这样的教学处理一方面体现了伽利略对权威的不盲从，另一方面展现了伽利略的自然观及创新历程。
在此基础上，引导学生应用逻辑分析判断伽利略两种假设的正确性。从逻辑分析上排除第一种定义。于是由第二种定义推导可能成立的关系式:速度与时间的关系(v∝t), 以及等时间间隔的位移比关系1∶3∶5∶···(奇数比)，为实验论证做准备。
第三步，实验论证阶段，简介伽利略的斜面试验过程──他如何以斜面代替竖直运动，如何巧妙地测量时间等。根据理论一定要符合实践的科学原则,织学生讨论在现有的实验条件下，如何完成最后的实验论证过程(可用的方法很多:打点计时器;频闪照片;光电门电子计时等)。如果采用光电门电子计时器，把信号通过传感器输人计算机，能方便快捷地绘制速度图像。在论证运动的同时，计算出自由落体的加速度数值。
本节通过过去与现在的对比，使学生一方面深刻认识到方法的根本性以及手段的灵活性;另一方面也使学生感受到科技进步的力量和效益。最后，总结伽利略开创的科学研究方法:现象观察一提出假设一逻辑推证一实验检验一形成理论。以伽利略的话结束本节课:“我探讨物体从静止开始下落的速度随时间均匀增加的运动本质……我证明这样一个物体经过的空间(距离)与时间的平方成正比……我从假定人手对此定义的运动进行论证;因此即使结果可能与重物下落的自然运动不符，对我也无关紧要。但是，幸运的是一项项都与我所证明的性质相符。”
本课教学特点分析:首先，从历史的角度设计本节课的教学，充分考虑到学生原有的知识水平，使学生对轻重物体下落运动的初步认识有了历史的新意。这样，一方面能提高学生的学习兴趣，另一方面让学生真实地体验到物理学的曲折发展过程。
其次，在历史的演绎中，凸现物理学习中的方法论意义。本课集中展现了伽利略的科学研究方法和过程。这样一方面可以打破学生对科学研究的神秘感，另一方面通过科学家们原汁原味的思维呈现，可以激发学生的创造意识，给学生树立鲜活的学习典范。并且通过方法的学习，潜移默化地培养学生的创新意识和能力。这样就使概念原理的学习变得形象、生动、富有情趣，不再是枯燥的说教，不再是机械的模仿。
其三，物理学史的渗透，增加了本节课的人文特征，使客观知识富有了主观精神的灵动。科学是由人创造的;在学史的衬托下，知识变得不再刻板和抽象，甚至连错误也变得那么的宝贵和可爱。但是，这一点是我们当前物理教学中欠缺的。我们总以极其严肃的语调论述本应该趣味盎然的知识，居高临下拒学生于千里之外。究其原因，是因为我们搞错了对象，物理教学培养的直接对象是人，而不是科学本身。只有培养出富有科学精神、热爱真理并追求真理、具有创造能力、具有顽强意志的人，科学才渴望得到发展。而知识应处于第二位，即没有合格的创新型人才，再好的知识也难以发挥作用。
总之，物理学史在物理教学中的渗透，将使教学由生硬变得生动，由机械变得灵活。以物理学史为衬托的物理教学，将不再是单一的知识传授，而是体现着科学精神、意志品德和方法论的活力。此时的教学才会变得立体和全面，真正实现教学的素质化和以人为本。但是，以物理学史为衬托的物理教学不是要使物理学习重蹈历史覆辙，而是要提取历史中最精粹的部分，结合着现代科技，历史地、现实地启迪学生的思维、培养学生的能力，即以历史的精神和智慧去滋养学生的心智，为学生的全面发展打下坚实的基础。