挖掘物理学史深层价值,提升科学课堂教学内涵

摘 要：物理学史凝聚了人类社会各个发展阶段的物理研究成果，有实践证明了的真理，也有受时代限制包涵的瑕疵。在中学科学课堂教学中恰当利用物理学史来组织教学活动，可以培养民族自豪感和爱国之情，认识实验和逻辑推理的重要性，创设探索物理规律的情境，促进概念的建构和形成，感知物理观念作用，培养学生思维的批评性，科学思想和科学研究方法。因此，合理利用物理学史这一重要的教育资源是必要且可行的。

关键词： 物理学史；科学教学； 研究

物理学史凝聚了人类社会各个发展阶段的物理研究成果，有实践证明了的真理，也有受时代限制包涵的瑕疵。它让我们理解物理学是一门不断发展的科学，只有了解了物理学发展的历史，才能更深刻地认识理解物理学的宏伟壮观。物理学史将以无数鲜活生动的形象，科学家科学研究足迹，让学生领略到科学家献身科学的探索精神和创新精神，鼓舞年轻一代，使他们爱上物理学，不断提高科学素养，逐渐领会科学的本质。

一 、结合物理学史培养民族自豪感和爱国之情

1.1中国古代对物理学的研究

1.1.1古代指南针的发明以及地磁偏角的发现

指南针是中国古代的四大发明之一，对人类科技进步和社会发展产生了巨大的推动作用。司南作为指南针的雏形。东汉王充《论衡·是应篇》有一段文字：“司南之杓，投之于地，其杓指南。”磁勺指南针最早的记载。

较早记载见于《韩非子》和《鬼谷子》。从宋代初期或唐代末期开始，中国人发明制作了各种类型的磁性指南仪器。杨维德的《茔原总录》是迄今为止有关指南针的最早记载的文献。

中国古代的堪舆家在运用罗盘勘测风水的活动中，发现罗盘磁针所指的南北方向（即地球子午向 ）与立表测影所得的南北方向（即地理子午向）之间存在偏差。这种地磁子午向与地理子午向之间的偏差，称为地磁偏角。

中国关于地磁偏角的最早记载见于杨维德的《茔原总录》。继杨维德之后，沈括在《梦溪笔谈》中也描述了地磁偏角现象：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”“常微偏东”，即磁针指向偏东。沈括用磁针确定南北的方位，与日晷确定南北方位的比较，发现磁偏角现象。更可贵的是，他认为日晷比指南针准确，指南针指向常微偏东，不全指南，这与我们现在对南北方向子午线的认知吻合。

1.1.2古代的火药与古代的火箭

火药是中国古代重要的技术发明之一。它不仅能够猛烈地燃烧，而且在进行燃烧的同时还会产生大量的气体，发生骤然的体积膨胀而形成爆炸。中国古代的道家在炼丹实践中发明了火药。

火药发明之后，大约在宋代中国人发明了用火药燃烧喷射推进的火箭。明代初期的《火龙经》中有关于火箭、神枪箭的描述。中国人在明代已经发明了多种类型的火箭。茅元仪在《武备志》中对各种火箭制作技术进行了总结，并将各种火箭一一配图表示。

万户是我国明朝时期的一名能工巧匠，他是世界上利用火箭升空的第一人。14世纪末，他设计制造了一种“飞龙”火箭。这种火箭用引信点燃后，可飞行约1千米，万户试图用火箭作空中飞行。一天，他坐在带有两只大风筝的木质飞船里，飞船的周围绑上47支“飞龙火箭”，打算等火箭升空后就用风筝飞行。“飞龙”将万户带上天空，但不久“飞船”就坠落到山脚，万户为这次飞行献出了生命。1959年，科学家们用他的名字命名了月球背面的一座环形山，以纪念这位人类利用火箭飞行的先驱者。

1.2中国古代灿烂的物理学成果引以为豪

在明代末期西方物理学知识开始传入中国之前，中国古人在长期的生活和认识活动中也对物理现象进行了大量的观察和探索，积累了丰富的经验知识，并有许多发明和创造。中国古人的这些认识成果在一定程度上解决了古人面对的一些物理学问题，反映了中国古人的智慧。

总体来说中国古代的物理学探索活动，取得了一系列有科学意义的认识结果，其中有些成果达到了当时的世界先进水平。英国弗朗西斯.培根曾经对中国的火药指南针和印刷术的发明给予了高度的评价，认为：“印刷术、火药和指南针这三种发明已经在世界范围内把事情的全部面貌和情况改变了：印刷术在学术方面，火药在战争方面，指南针是在航海方面；并由此又引起了难以数计的变化来。”

教学中穿插万户对“飞龙”火箭的尝试，直到今天中国航天事业的发展等，可以激起学生的民族自豪感，对学生进行情感、态度与价值观教育。历经几代人的共同努力完成了人造卫星的升空以及宇宙飞船升入太空，这过程充满了中华民族集体的智慧。客观的评价增强了学生的民族自豪感和爱国之情。

二 、通过物理学史渗透实验和逻辑推理的重要性

2.1伽利略关于自由落体实验研究过程

伽利略在定义匀加速运动时，他似乎走了一段弯路。期初，他也跟别人一样，假设下落过程中物体的速度与下落距离成正比，即v ∝s。他又是通過理想实验作出了正确的判断。他假设物体在落下第一段距离后已经得到某一速度，于是在落下的距离加倍时，速度也加倍。果真如此的话，则物体通过两段距离所用的时间将和通过第一段距离所用时间一样。也就是说，通过第二段距离不必花时间，这显然是荒谬的。于是伽利略转而假设物体的速度与时间成正比，即v ∝t。这样的假设是否正确，当然也要进行检验。

然而速度是难以直接测量的。于是伽利略借助几何学的推导，得出s∝t2 的关系，这就是时间平方定律。对于不同的时间比1：2：3：4：…，物体下落的距离比为1：4：9：16：…。这些数字正是伽利略在那张实验记录上添加的第一列数字。从第一列数和第三列数的比例关系，伽利略证明沿斜面下降的物体正作匀加速运动。

从以上数据当然还不足以判定伽利略发现落体定律的全过程，但是已经可以窥视到伽利略研究运动学的方法。他把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又倚靠实验检验。这样就构成了一套完整的科学研究方法。如果表示成程序，伽利略的方法大致如下：

伽利略把实验与逻辑推理和谐地结合在一起，有力地推动了科学的发展。正如他在《两门新科学》第三天谈话结束时说的那样：“我们可以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里定会博得许多人的重视。”

2.2伽利略研究自由落体运动实验的启示

由于历史资料的深入发掘和研究，我们对近代科学的诞生有了进一步的认识。伽利略创立运动学理论的过程相当复杂，既有思辨，又有实验，他依靠的是思辨和实验的相互印证、相互补充。这种看法，丝毫无损于伽利略这位近代科学先驱的光辉形象。反而使他更能得到后人的理解，让后人认识到他作为古代自然哲学和近代科学之间的过渡人物，为创建近代科学走的是一条多么艰辛的道路。

三 、利用物理学史创设探索物理规律的情境

3.1利用物理学小故事创设情境

在物理规律教学中，通过讲述物理学史上的一些事件可以创设探索物理规律的情境。教师用生动的语言讲述这些事件或故事，不仅能启发学生发现问题和提出问题，还可以激发学生学习物理的兴趣，培养学生的科学态度和科学精神。

著名物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼（R.P. Feynman，1918—1988）曾讲过这样一则笑话。一位女士由于驾车超速而被警察拦住。警察走过来对她说：“太太，您刚才的车速是60英里每小时！”（1英里=1.609千米）。这位女士反驳说：“不可能的！我才开了7分钟，还不到一小时，怎么可能走了60英里呢？”

“太太，我的意思是：如果您继续像刚才那样开车，在下一个小时里您将驶过60英里。”“这也是不可能的。我只要再行驶10英里就到家了，根本不需要再开过60英里的路程。”

从物理学的观点看，这位女士没有认清哪个科学的概念？由此自然导入速度一课的教学，带着趣味的疑问进入新课的学习。

3.2利用物理学史中逆向思维设疑引入新课

讲述物理学史创设探索“电磁感应现象的产生条件”的情境。在探究电磁感应现象的产生条件教学的开端，教师可以引导学生回忆历史上奥斯特发现电流磁效应的实验，从中启发学生运用逆向思维的方法，发现并提出磁能不能生电的问题，接着介绍物理学发展史上法拉第发现这个问题的过程。

电流的磁效应得到发现之后，人们自然会想到，既然电能生磁，磁能不能生电？这件事成了很多科学家共同关心的问题。

1820年就在奥斯特发现电流磁效应之后，人们设计了各种实验，试图找到磁生电的踪迹，但无不以失败告终。例如，瑞士物理学家科拉顿在1825年做过这样的实验，他把磁铁插入闭合线圈，试图观察线圈是否会产生感应电流。然而，他为了避免磁铁对电流计的影响，特意把电流计放在隔壁房间里，他一个人做实验，只能来回奔跑。他先在一个房间里把磁铁插入线圈，再跑另一个房间里去观察电流计的偏转。每次得到的都是零结果，他已经接近发现的边缘，但是实验的安排有问题，失去了观察到瞬间变化的良机。1824年阿拉果磁针铜盘实验，发现转动铜盘会引起其上面的磁针转动，因此获得了科普勒奖。以上实验法拉第一一重复，作了研究，法拉第也无法作出明确的说明。但是坚定了他磁生电的信念。

法拉第笃信自然力的统一，很早就开始寻找“磁生电”的迹象。从1824年到1828年，法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析了电流的磁效应，认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流，还有磁对电流的作用。他想，既然电荷可以感应周围的导体使之带电，磁铁可以感应铁质物体使之磁化，为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢？于是他做了一系列实验，想寻找导体中的感应电流。

法拉第坚持做实验。1831年8月，他取了一个软铁环，并以线圈A和B缠绕它。线圈B跟一个电流计相连接。当线圈A和有10个电池的电池组相接时，电流计的指针振荡起来，并且最后又停在原来的位置上。在切断电源时磁针又受到扰动。法拉第没有立即领会这种现象的全部意义。接着他取了一个铁圆筒，用跟電流计相连接的螺线管把它绕起来。然后把圆筒放在条形磁铁之间，“每当与磁体的N、S相接或断开时，螺旋线（电流计）上都有磁的运动—正如以前的一些情况一样，作用不是持久的，而纯属瞬时的推或拉……因此，磁变换为电在这里就很清楚了。”这个实验和奥斯特的实验相反，电流是被磁激起的。

法拉第等坚信“电”和“磁”是统一，经历了艰辛的实验探索，今天我们一起来探究：磁如何生电？使得学生受到物理科学方法教育的同时，也为实验探究电磁感应现象产生条件奠定了基础。

总之，在物理教学中创设探索物理规律的情境：一方面要使得学生获得探索物理规律所必要的感性认识、研究问题所需要的准备知识以及进一步思考问题的线索和依据；另一方面要引导学生用联系的观点来分析教师所提供的材料，提出新问题，激发学生的学习兴趣和探索新知的欲望。

四、 科学史促进概念的建构和形成

4.1 利用物理学史引入新概念几则实例

教师向学生讲述物理学史上那些脍炙人口的故事和传说，如科学家的逸闻趣事、重大发现的来龙去脉等史料，既可以达到引入新课的目的，又有助于扩大学生的视野、启发学生科学思维、掌握科学研究方法。

利用物理学史设疑激趣引入新概念的实例，例如，1654年的一天，德国马德堡市的一块空地上聚集了不少王公贵族和大量的群众，甚至德国斐迪南三世也来了。从人们焦急等待的神情可以看出，这里很快就要进行一场有趣的表演。

一些人忙碌着，把俩个空心铜半球很好地合在一起，然后抽出球中的空气。又把两匹马套在球的两边，让马尽力向两边拉，但它们却没能把两个半球分开，两个半球依然牢固地密合在一起，好像有什么巨大的魔力压在两个铜半球上一样。

表演者又让马夫在球两边各多套了几匹马，每匹马都拼命地向外拉。就这样，两个半球仍合在一起，直到球两边各套上8匹健马时，密合着的铜球才勉强被分开，同时发出一声巨响。使这两个半球分开竟然如此困难，这是在场所有的观众所未曾想到的。因此当两个半球被勉强分开时，连皇帝都感动惊讶。

这个场面有点像魔术表演，实际上却是一个重要的科学实验。它就是著名的马德堡半球實验，这个实验证明了大气压的存在。可以通过介绍马德保半球实验引入大气压强，经过这样铺垫学生既能体会科学的趣味性，又能感受到科学的力量。

4.2利用物理学史资料引入新概念注意点

利用物理学史资料引入新概念，语言要简练生动、富有启发性，既要让学生感到有趣，又要启迪学生的思维，提出步步深入的问题。切不可轻描淡写地介绍物理学史料，而后直接提出学习的概念，这样会使教学拘泥于形式，而不能充分发挥物理学史的教育功能。教师应该在讲述史料的基础上，用其中所涉及的物理现象、物理过程引导学生分析、猜想，在学生发表自己的看法时，抓住学生的疑惑点，切入新概念的教学。

五 、融入物理学史发展学生的科学核心素养

5.1融入物理学史，感知物理观念作用

教学融入物理学史，能够帮助师生从众多繁杂的概念、规律、定律公式中跳出来，站在更高的位置上，以知识和技能为基础，研究真实、典型的科学过程，理解物理课程的教育价值。物理教学中引用物理学史料能使学生经受物理观念变革的洗礼，深刻领会物理学思想方法的真谛。例如，对于自然下落物体的运动，亚里士多德说道：“我们看到同一重量或同一物体运动的快慢有两个原因：（1）运动所通过的介质不同；（2）运动物体自身轻或重不同—如果运动的其他条件相同的话。”并推断：两种轻重不同的物体从同一高度在同一介质中下落，重的物体比轻的物体先落地。亚里士多德的理论是建立在观察的基础上的，既有一定的合理成分，也有很大的荒谬性。但是亚里士多德的理论由于属于当时一个重要且令人满意的包括神学和其他领域在内的哲学体系的一部分，因而牢固地立足于知识界，被人们敬为不可触犯的圣贤之言。正因为如此，批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是一个具体的运动学问题，也是一个涉及自然哲学的基础问题，是一场从亚里士多德的精神枷锁下解脱的思想革命的重要组成部分，伽利略首先对亚里士多德的论断提出了怀疑，他运用逻辑的力量推出矛盾的结论，进而认为重物与轻物下落得同样快。他大胆地猜想：落体运动一定是一种最简单的变速运动，它的速度是均匀变化的。接着他通过斜面实验进行了验证，并对实验结论进行了合理的外推，得到落体运动是匀加速运动的结论。

教学中，教师可以把学生带回伽利略的时代，体验伽利略的研究过程：提出问题—逻辑推理—大胆猜想—实验验证—结论外推。还可以帮助学生树立正确的运动观和物理价值观，把握正确的自由落体运动规律，切身感受伽利略的伟大：把实验和逻辑推理（包括数学演算）和谐地结合起来，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。

5.2在教学中渗透物理学史，培养学生思维的批判性

1858年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种未知射线称之为阴极射线。阴极射线是什么？当时有两种对立的观点：一是以赫兹为代表的德国学派的电磁波说；另一种是以克鲁克斯和舒斯特为代表的英国学派的“带电粒子说”。从1858年阴极射线的发现到1871年通过实验观察到阴极射线在磁场中的偏转，中间经历了10多年。赫兹也做了实验遗憾的是没有看到阴极射线在磁场中的偏转，他坚信阴极射线是一种电磁波。1879年克鲁克斯发现阴极射线传递能量传递动量的特性。1890年舒斯特测出比荷的数量级。此时汤姆逊也开始研究阴极射线，受克鲁克斯和舒斯特影响，他倾向于“带电粒子说”。

1897年汤姆逊得出阴极射线的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷。这样不能说明阴极射线是电子流，实验具有偶然性。怎样做呢？汤姆逊用不同的材料做阴极，重复实验得到的比荷是相同的，这说明什么呢？说明不同物质都能发射这种带电粒子。说明它是各种物质共有的成分。阴极射线的比荷是氢离子比荷的2000倍，那么是射线粒子的电荷比氢离子大，还是质量比氢离子小呢？怎么办？再试验。汤姆逊大胆猜想：这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。最后测得电荷量与氢离子大致相同，证实他的猜测是正确的。

对于比荷的测定结果，只有汤姆逊认为它可能不是传统原子、分子微粒，而是一种新的前人未见到过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。1906年汤姆逊因为在气体放电现象的理论和实验研究方面的成就，荣获诺贝尔物理学奖。

通过再现汤姆逊发现电子的科学历程，学生们不难发现从人们开始讨论阴极射线的本质，到电子的发现的四十年的时间里，许多科学家做了大量的实验研究，而汤姆逊敢于创新，敢于突破传统观念束缚，才能在正确的思想引导下，得出正确的结论，这个历程中不断地提出问题、合理猜测、反复试验、弄清本质、加以分析，这正是批评性思维的意识维度。科学研究并不只是“客观地”揭露事实，有时候研究者的主观意识会起决定性的作用。创造性的发现需要洞察力，需要批判性思维。

5.3在课堂中潜移默化渗透科学思想和科学研究方法

科学思想是科学史中最有价值的内容，物理学史也不例外。在课堂上适当的章节渗透古希腊科学证明方法的建立、爱因斯坦的科学思想和哥本哈根学派的量子力学思想等内容，对其他一些思想性内容也作了适当的介绍和分析，了解物理学发展的历史脉络和思想演变过程。

亚里士多德提倡的逻辑证明方法，就是从少数不加定义的基本概念和不加证明的基本命题出发，运用演绎推理推导出一系列结论。在公元前4世纪，经过亚里士多德等的工作，形式逻辑理论和公理化研究方法已经建立起来。到了古希腊后期，逻辑证明方法已经被学者们普遍运用。

爱因斯坦认为科学需要哲学的帮助。爱因斯坦把关于科学问题的哲学思考叫认识论。他指出，“认识论同科学的相互关系是值得注意的。它们互为依存。认识论要是不同科学接触，就会成为一个空架子。科学要是没有认识论—只要这真是可以设想的—就是原始的混乱的东西。”由于认识论与科学可以互相帮助，因此他提倡科学家应当关心认识论问题，应当乐于进行关于科学研究的方法，科学理论的性质、科学认识的目的等方面的讨论和思考，尤其是当学术界对于这些问题的理解出现分歧时更应如此。他还认为直觉和演绎是创建科学理论的方法。从特殊到一般的道路是直觉性的，而从一般到特殊的道路则是逻辑性的。

他主张用“以直觉为基础的思辨方法”完成从特殊到一般的认识飞跃，即根据对经验事实的直觉理解去猜测事物的本质，在此基础上创造出表示事物本质的基本概念和原理，由此进行演绎推理，从而得出可供实践检验的具体结论。爱因斯坦称自己提倡的这种研究方法为“探索性的演绎法”。爱因斯坦强调直觉和演绎方法的重要性，其方法论思想突出了认识主体的主观能动性和积极创造性。

总结

物理学史是科学发展史，而科学是人类发展的核心部分，“科学是最高意义上的革命力量”。在科学课堂上通过对物理学的知识、思想和方法的發生与发展规律的渗透，可以帮助我们了解过去，认识现在，展望美好的未来，使我们的思想具有前瞻性。

物理学史可以培养我们的科学思维，使我们的知识立体化。物理学史是培养学生正确的人生观、哲学观的重要课程，可以陶冶我们追求真理，献身科学的崇高思想境界。我国以往的传统思想教育，往往是局限于空洞的说教，存在于简单化的倾向，使思想教育流于形式。而物理学史将以无数鲜活生动的形象，以科学家力透纸背的语言，“动之以情，晓之以理”地向人们展示做人做事的榜样。合理利用物理学史这一重要的教育资源是必要且可行的。

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（作者单位：杭州橄榄树学校，浙江 杭州 311100）

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