在高中物理定律教学中有效渗透物理学史教育的研究

摘 要：在现行的高中物理定律教学中，过多地重视定律的识记与应用，而忽视了定律得出的过程和方法。本文将从当前高中物理定律教学的现状入手，对物理学史教育在高中物理定律教学中的价值和意义进行研析，并结合自己的教学实践，探讨在高中物理定律教学中有效渗透物理学史教育的实施策略，为优化高中物理定律教学提供参考价值。

关键词：物理定律教学；有效渗透；物理学史

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0074-3

1 国内高中物理定律教学渗透物理学史教育现状

一堂高三物理复习课上，复习牛顿运动定律的内容时，笔者向学生提出一个问题“根据牛顿第二定律，如果物体受到的合外力为零，它的加速度即为零，物体将处于平衡状态，因此牛顿第一定律仅仅是第二定律的一种特例，是不是就不需要牛顿第一定律了？请说出自己的判断依据。”学生被这一问题问得一头雾水，不知如何回答，甚至有些学生还认为这是对的。牛顿第一定律中阐述物体处于平衡状态的前提是物体不受任何力的作用，从而揭示力不是维持物体运动的原因，运动是物体的一种属性即惯性。现实环境中无法找到一个不受力的物体，牛顿第一定律是从大量的观测和实验事实中抽象和概括出来的，它历经几代科学家的发现和探索，因此牛顿第一定律的教学是一堂生动的物理学史的教育课。反思高中物理定律教学的现实状况，教师和学生在应试为背景的教育中为了追求成绩，过分重视定律的识记和解题应用，却忽视了定律得出的过程和方法，这与《普通高中物理课程标准（实验）》[1]中 “注重提高全体学生的科学素养”这一课程目标背道而驰。

物理定律是物理学理论的基础，物理学史详尽地记录了每个定律得出的过程和方法，而这些应该是高中物理定律教学的核心内容。在平时的教学实践中，笔者发现多个版本的高中物理教科书中与物理定律相关的物理学史资源较为有限，甚至有些物理学史的论述不够全面、客观。还有许多教师把物理学史教育视为一种负担，一味地照本宣科，而没有运用正确的方法去渗透物理学史教育，这样会使物理学史教育对学生核心素养的提升作用大打折扣。笔者结合物理定律的教学实践，着重探讨如何有效渗透物理学史教育，从而有针对性地改进和解决存在的问题。

2 物理学史教育在高中物理定律教学中的价值和意义

2.1 有助于物理课程三维目标的达成

高中物理课程的三维培养目标在重知识技能的基础上，更应注重思想与方法、态度与价值观的培养。物理学史由于它所具有的丰富内容和独特视角，为提升学生的科学素养、促进三维课程目标的达成提供了重要的素材[2]。如英国物理学家法拉第十年磨一剑，虽历经无数次失败，但他并没有失去探索真理的信念。他不断地总结和反思实验失败的原因，改进实验方案，最终总结出运动和变化是产生“磁生电”效应的条件。教师不必空洞地说教，可以让学生亲自体验法拉第的实验过程，在实验中掌握技能和方法，同时通过物理学史的渗透让学生体会到科学研究的过程需要实事求是的科学态度和坚持不懈的毅力。

2.2 提高学生的科学思辨能力和对科学本质的认识

思辨能力是包含质疑的态度、逻辑推理知识以及分析、综合和评价的认知技能[3]。每一个物理定律背后，都蕴含着人类科学研究的思辨过程和对科学本质的探索、认识过程。比如，电荷间相互作用的探索中，卡文迪许很早就做了同心球电荷分布实验，但是他并没有将自己的观点著作发布出去，经辗转他的手稿到了麦克斯韦手中，麦克斯韦带着质疑的态度进行了重复试验，并将其整理出版才让大家知晓。最后，这个科学问题由法国学者库仑解决了。一个物理定律的最终得出历经不同科学家们的质疑和检验，不同的人用不同的方法得到的验证效果也不同，通过不断的思辨一点点地接近科学真理。这些鲜活的科学史的渗透能够增强学生的科学思辨能力和对科学本质的认识。

2.3 激活学生学习物理的潜在动能和创造力

物理定律如果只作为结论生硬地灌输给学生，给学生的感觉是物理都是一些毫无趣味的条条框框，然而物理定律的得出是一种接力棒式的科学传承，是几代科学家们在其特定的社会历史条件下努力探索的结晶。物理定律背后的科学史蕴藏着社会、人文和科技探索等丰富内容，这些内容恰恰是学生很感兴趣的，物理课堂因此变得生动有趣，学生由被动地接受知识变为主动地学习知识，学生身上潜在的学习动能被激活，从而最大限度地提升他们发现问题和解决问题的能力。

3 在高中物理定律教学中有效渗透物理学史教育的实施策略

3.1 辩证推演物理学史，领略物理定律的思辨过程

物理定律的得出过程不是一帆风顺的，要经历无数的失败，而失败是成功之母，在失败中反思，在反思中进步，在不断的否定和自我否定中最终得到真知。教师应该辩证地看待物理学史的内容，在高中物理定律教学中渗透物理学史教育采取一言堂、非黑即白或是以偏概全的态度都是不可取的，应该采用辩证推演的方法。

例如，在介绍牛顿第一定律的得出过程时，对待亚里士多德的错误观点不能全盘否定，应该辩证、客观地看待。正因为2000多年前亚里士多德提出了运动和力的问题，从而启发后人对这一问题进一步的探索。教师在演示完理想斜面实验后可以辩证地启发和设问： “伽利略的斜面实验并没有找到完全没有摩擦的环境，然而他设计的实验为什么可以说明没有摩擦的情况下物体将会怎样运动呢？”启发学生自己总结出理想实验是根据可靠的实验事实，再经过理想化的处理，从而发挥人们理性思维的力量，这样可以大大超越科技水平的限制最终得出结论。法国学者笛卡尔也进行了大量的实验，补充和完善了伽利略的观点。又隔了一代人，英国科学家牛顿诞生，他在前人研究的基础上对于物体运动的原因，以及運动与力的关系进行了创造性的概括和诠释，他建立了很多全新的物理概念。教师通过辩证推演的方法引导学生对比这几位科学家的观点的不同之处，通过对比让学生体验物理定律得出的科学探究过程是一个不断思辨和进步的过程，从而让学生真正理解物理定律的内涵，而不是记住了定律的形式。

3.2 渗透中增强渲染，体验物理定律背后的科学方法和本质

高中物理定律的教学不应该仅仅只有定律本身，而要让学生理解和掌握物理定律背后所蕴藏的科学方法和本质。教师在渗透物理学史教育时应该增强渲染，渲染是建立在教师对教学内容进行深入剖析的基础上，并对其进行深加工后再呈现给学生。教师可以通过故事、实验、演绎、情感、启发、讨论和多媒体技术等多种手段进行渲染，让学生对物理定律背后的科学方法和本质有真正的体会和认识，从而有效提升学生的科学素养。

例如，在“太阳与行星间的引力”教学中，学生通过前面的学习已经知道了哥白尼的日心说和开普勒行星运动定律，行星运动定律对于学生来说是很抽象的概念，教师可以将太阳系中的行星运动用多媒体动画的方式直观地呈现给学生，从而让学生对抽象的定律有形象的认识。牛顿坐在苹果树下被下落的苹果砸到的故事学生都很熟悉，教师可以演绎当时的场景来活跃课堂气氛，接着启发式地设问：“究竟是什么神奇的力量让行星绕着太阳转，让苹果落到地上呢？他们受到的力是一样的吗？”各种渲染手段的应用激发了学生利用所学的知识去推演万有引力定律的兴趣和动力，推演的过程让学生对运动与力、作用力与反作用力、向心加速度和开普勒行星运动定律等知识的理解更近了一步，与灌输式和填鸭式的定律教学相比大大提高了学生学习的主动性，并且提升了他们对知识的获得感。

3.3 开发和改进物理学史实验资源，还原探究物理定律的过程和方法

物理是一门基于观察和实验的学科，几乎每个物理概念和物理定律的发现都离不开实验。在物理学史中有大量的实验资源，教师可以尝试对教材中已有的物理学史实验资源进行改进，并主动开发教材外的物理学史实验资源，如实验仪器、实验教具或实验方案等，补充和完善高中物理学史实验资源库，并在教学中大胆地应用实验探究的方法得出物理定律。通过经典实验的再现和还原，让学生亲历科学家们的实验探索过程和思维方法，在实验过程中他们会遇到科学家们曾经遇到过的问题，或是没有出现过的新问题，教师鼓励和引导学生自己想办法去解决问题，这样可以让学生真正领会物理定律的科学本质和研究方法，同时也能有效提升教师自身的业务水平和能力。

例如，在教学实践过程中发现，高中实验室中理想斜面实验演示仪的教学效果并不理想，学生知其一不知其二，他们并不知晓伽利略理想斜面实验的设计过程和思路。伽利略先是研究摆的运动，从摆的运动规律中得到启发，他设想如果将拴着摆球的绳子拿掉，让球在轨道上滚动会有怎样的效果，接着他想到改变对接轨道的倾斜度来观察小球的运动情况。为了让学生更好地体验伽利略理想实验的魅力，可以在原有实验演示仪中融入伽利略摆实验，这样可以有效还原伽利略的思考和探索过程，让学生对伽利略的理想实验有着更全面、更深刻的认识，从而让他们领悟到实验观察、科学想象和科学推理的魅力所在[4]。

又如，在准备闭合电路欧姆定律这堂课的过程中，通过翻阅物理学史资料，发现史料中记录了欧姆发现欧姆定律的实验过程。他将铜框的两端分别插入沸水和冰水混合物中，制成能稳定供电的温差电池，并在没有检流计的条件下自制了丝悬磁针电流计，将小磁针悬挂在有电流通过的铜框上方，通过小磁针偏转的角度间接测出电流大小。有了稳定的电源和电流计，欧姆用导线连接电源的正负极，观察并记录小磁针偏转的角度与导线长度的关系，通过大量的实验总结出了闭合电路欧姆定律。多版本的高中物理教材中都没有涉及欧姆发现闭合电路欧姆定律所做的实驗，教师可以主动开发课外的物理学史实验资源，设计一个探究闭合电路欧姆定律的分组实验。学生通过实验探究方法的还原与实践，可以大大提升物理定律的教学效果和学生实验探究的能力。

3.4 物理学史“微课程”化，优化物理定律教学过程

物理定律所蕴藏的物理学史内容有些涉及的面很广，有些较为复杂、抽象，有些史料中涉及的实验在高中阶段无法在课堂上完成，这些都在一定程度上制约了物理学史在教学中的渗透。因此，在现代信息和网络技术发展日新月异的今天，研究如何将物理学史“微课程”化，对于优化物理定律的教学是很有帮助的。

“微课程”以新型网络视频资源为主要载体，有以下几个方面的优点：一是可以做到图文和声像同步，形象、生动地模拟物理学史情景，比起教师枯燥的陈述更能激发学生学习的兴趣；二是可以在短时间内利用丰富的网络素材资源，从多种形式、多角度呈现物理学史内容，使得物理学史内容呈现得更加全面具体；三是可以支持多种学习方式，不受空间和时间的约束，在教师的指导下学生可以反复观看重难点内容，成为课堂教学的有效延伸和补充；四是可以模拟演示一些高中课堂无法完成的物理学史实验和物理学史情境，使得科学探究的过程和方法直观地呈现出来。如19世纪末期，“物理两朵乌云”对近乎完美的经典物理理论发起挑战。迈克耳孙-莫雷实验让“以太”说破灭了，然而却翻开了相对论理论的新篇章，用经典物理学理论解释黑体辐射以失败告终，这是经典物理学的“灾难”，然而它催生了量子理论，至此更多全新的物理定律被科学家发现。教师讲授和学生理解这部分物理学史内容是有困难的，它涉及很多抽象难懂的物理概念、思想方法和高中实验室无法完成的物理实验，物理学史微课程化可以有效突破这些难点，从而为物理学史的科学思想方法教育提供有效的辅助和支撑。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验） [S].北京：人民教育出版社，2003：1-2.

[2]李勇，程力.课程标准高考物理学史考查的理念和方法研究[J].中国考试，2015（3）：15-16.

[3]李静，杨宏.谈非英语专业大学生思辨能力的培养[J].中国电力教育，2014（32）：54-55.

[4]郑曼瑶，张军朋.《牛顿第一定律》教学的创新设计[J].物理教学探讨，2014，32（8）：66-68.（栏目编辑 邓 磊）

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