发挥物理学史在实现新课程整体目标中的功能

1、发挥物理学史在实现新课程整体目标中的功能浙江省玉环县玉城中学 赵顺法（317600）高中物理课程标准明确提出，高中物理的课程目标是旨在提高全体学生的科学素养，从“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三个维度来培养学生，使学生通过高中物理的学习逐步养成科学态度、科学方法、科学思维习惯、科学世界观和科学精神，引导学生认识科学和技术的差别、科学技术对社会的影响、技术对环境的影响，强调领悟科学的本质、科学与人文的关系，培养学生的社会责任感等，从而为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。笔者认为，物理学史对实现新课程的整体目标发挥着不可替代的功能。物理学史集中地体现了人类探索和逐步认

2、识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程，在物理教学中通过展现历史上物理学家探索物理世界奥秘的艰辛历程，可以让学生从物理学发展的历史中领悟到科学的本质、科学的人性以及科学思想、科学方法和科学精神，从而全面提高学生的科学素养。因此应该重视物理学史在新课程改革中的应用，充分发挥物理学史的现代教育价值。笔者注意到，高中物理课程标准无论是在“内容标准”中，还是在“教学建议”和“教科书编写建议”中，都非常强调重视科学的发生历史和过程，体现了对物理学史的关注。下面分别从高中物理课程整体目标的三个维度来全面审视物理学史的教育功能。（一）“知识与技能”目标与物理学史的教育功能1、“知识与技能”目标学习物理学的

3、基础知识，了解物质结构、相互作用和运动的一些基本概念和规律，了解物理学的基本观点和思想。认识实验在物理学中的地位和作用，掌握物理实验的一些基本技能，会使用基本的实验仪器，能独立完成一些物理实验。初步了解物理学的发展历程，关注科学技术的主要成就和发展趋势以及物理学对经济、社会发展的影响。关注物理学与其他学科之间的联系，知道一些与物理学相关的应用领域，能尝试运用有关的物理知识和技能解释一些自然现象和生活中的问题。2、物理学史的教育功能帮助学生深入理解物理概念，纠正错误观念。在物理基本概念和规律的教学中，教师往往比较重视由观察、实验得到的事实依据，为建立物理概念提供必要的感性认识。如果能在此基础上渗

4、透一些概念逐渐建立的历史背景和过程，使概念形成的现实性、逻辑性和历史性相结合，更有利于学生对知识全面正确的理解和建构。例如“惯性”概念的建立，仅仅通过观察、实验或生活经验学生很难深刻领悟“惯性”和“力与运动关系”的本质。如果结合问题设计引导学生回顾惯性概念的历史形成过程，从亚里士多德的“强迫运动定律”到伽利略的“斜面实验”，从笛卡儿的“惯性原理”到牛顿的“运动第一定律”，再到爱因斯坦的“惯性定律修正”，最后通过对日常生活实例的分析来展现惯性现象的无处不在和无所不有。这样设计能自然地引导学生在回顾历史的过程中对“惯性”的物理本质有较为明晰的认识，深刻地体会到“运动不需力来维持”的涵义，建构起“静

5、态和动态都属于同一种永久态”的观念。可见物理学史的渗透能使物理概念的学习变得生动、有趣，印象也深刻得多。在教学实践中发现，历史上科学家在形成物理概念、认识物理规律的过程中所遇到过的困难、所产生过的错误想法、所做出的一些错误判断等，学生在学习过程中也往往容易产生类似的情况。例如对“力与运动关系”、“落体规律”、“热的本质”、“光的本性”等知识的认识，学生头脑中的错误观念与历史上曾产生过的错误观念非常相似，而且这种习惯性的、想当然的、经验性的错误观念是很不容易抛弃的。在教学过程中，如果教师熟知物理学史，就会预测到学生可能出现的问题和可能遇到的困难，同时正视具体的难点，除了引导学生在实验的基础上进行

6、正确的思维外，让学生踏着历史的足迹，从认识发展的历史中知觉到自身的错误观念。只有纠正了错误观念，才能建构起正确的物理概念和规律。促使学生认识实验在物理学中的地位和作用。物理学是以实验为基础的科学。纵观物理学史，没有一个理论的产生与发展不是建立在实验的基础上，而每一次物理学发展所经历的理论上的大综合和大统一，都伴随着实验技术与实验思想的进步。在物理教学中，应该结合教学内容介绍物理学史上一些有重大意义的物理实验，不但要说明实验的背景、条件、手段、方法和过程，而且更要阐明这些著名实验的设计思想和研究处理问题的方法、阐明实验与理论的关系以及实验所做出的重大历史贡献；使学生认识到物理实验是物理学研究的最

7、重要的工具，是物理实践活动的最重要的手段；领悟到物理实验对物理理论的产生、发展和验证都有决定性的作用，从而深切理解实验在物理学中的地位和作用；同时也有助于增强学生的实验设计意识，提高学生对实验现象的科学洞察力和对实验结果的分析能力，从而减少物理实验中的失误。下面例举出了高中物理课程中的一些著名物理实验（包括理想实验）。力学伽利略的落体实验和斜面实验、牛顿的抛体实验、卡文迪许的扭秤实验热学布朗运动、焦耳的热功当量实验电磁学库仑的扭秤实验、奥斯特实验、法拉第电磁感应实验、赫兹实验光学迈克尔逊实验、杨氏双缝干涉实验、泊松亮斑、X射线实验近代物理光电效应实验、卢瑟福粒子散射实验、电子衍射实验有助于学生

8、了解物理学的基本观点和思想。物理学的每一个重大的发展，总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基底的。爱因斯坦说过：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。”物理学理论的发展，最本质的表现是在物理学基本观念的演变上。不同的物理学基本观念，描绘出不同的物理世界图景：正是由于伽利略否定了亚里士多德关于自然运动和强迫运动的思想，得出了惯性原理，才把力学的研究引上了正确的途径；“中心力”的传统观念，使奥斯特寻找电流对磁针作用的实验屡遭失败，当他从通电导线发热乃至发光的现象受到启示，考虑电流对磁针的作用可能是一种“横向力”时，才获得了成功，并第一次发现了“非中心力”，萌生了场的初步观念。因此，

9、物理教学不仅要使学生掌握物理概念和概念间的联系即规律，还要结合物理学的发展史引导学生了解物理学的基本观点、基本思想及其变革。例如，物理学的“运动观”包含着运动的绝对性、运动描述的相对性、力和运动的关系、分子动理论等方面的内容；物理学的“守恒观”包含着动量守恒、能量守恒、电荷守恒和质量守恒等方面的内容；物理学的“物质观”包含着粒子的观点、场的观点以及量子观点等方面的内容；物理学的“能量观”包含着能量的多样性、能量的转换和守恒、能量的耗散等方面的内容；相对论的“时空观”包含着时间和空间存在着内在的联系、时空特性依赖于物质的运动、引力场的特性依赖与物质的质量分布等方面的内容；微观世界的“量子观”包含

10、着量子化、波粒二像性、测不准原理等方面的内容。在教学中结合物理学史，让学生了解这些物理学基本思想和观念产生的历史背景，以及这些物理学基本观念和思想的历史变革过程，使学生每在学习一个新的物理理论的同时，逐步改变自己陈旧的思想观念和思维方法，从而实现从整体上把握物理世界图景、深刻领会物理学思想的真谛。让学生了解物理学的发展历程及其与方方面面的联系。高中物理课程标准明确指出，物理教学要让学生了解物理学的发展历程，了解物理学与其他学科之间的关系。物理学是一门基础学科，在物理学的发展历程中，如果没有对数，开普勒难以建立天文学的重要规律开普勒三定律；没有微积分，牛顿就得不到万有引力定律；没有统计学，无法发

11、展分子运动论；能量守恒和转化定律是受康德哲学的影响；奥斯特也是受康德哲学的启发，坚信电力和磁力有共同的根源，才发现了电流的磁效应等。由此可见，物理学的发展与哲学、数学、天文学等学科都具有密切关系，在教学中介绍这些相关的历史案例，有利于使学生认识到物理学知识及其发展与其它学科知识有着密切的联系。物理学的发展对社会经济的发展产生了巨大影响。在物理教学中，要想使学生正确认识物理学的进步对人类社会发展的重大作用，一个有效的方法就是结合教学内容使学生对物理学发展的历史有所了解，对物理学的重大突破在人类认识史上所产生的震撼人心的冲击以及在人类社会发展史上所引起的重大技术变革有所了解。特别是近代以来历次物理

12、学重大进展通过技术革命为中介转化为直接生产力，从而推动了社会经济发展，并最终引发社会革命，推动人类社会从农业社会到工业社会，从蒸汽时代到电力时代、电子和原子能时代以至现今的信息时代的生动历史，更会使学生深刻了解科学技术的巨大社会功能。同时，也要让学生了解科学技术进步所带来的负面效应，如环境污染、生态失调、自然资源过度消耗以及最初以杀人武器出现的原子弹等等，体会到科学技术的“双刃剑效应”。（二）“过程与方法”目标与物理学史的教育功能 1、“过程与方法”目标经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认

13、识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。能计划并调控自己的学习过程，通过自己的努力能解决学习中遇到的一些物理问题，有一定的自主学习能力。参加一些科学实践活动，尝试经过思考发表自己的见解，尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题。具有一定的质疑能力，信息收集和处理能力，分析、解决问题能力和交流、合作能力。2、物理学史的教育功能对学生进行科学方法和科学思维的熏陶。物理学的研究思想和方法是在物理学发展过程中，在物理学家长期的科学实践中，逐步摸索、积累、形成和发展起来的，是人类智慧的结晶。它已经渗透到许多学科的研究中去，成为现代科学研究和处理问题的重要思想和方法。学

14、生了解和掌握这些思想和方法，对于今后从事任何研究和工作，对于解决和处理各种问题，都是很有用的，是终生受益的。而这些方法的传授与学习，只有紧密地与物理学史结合起来，才不流于形式、成为空洞无物的条款堆集，而是有声有色的活例。在物理教学中适当结合物理学史，展现物理学发展中有代表性的科学家探索知识的思维过程，使学生了解前人是用什么样的方法研究和探索发现新的规律和理论的，从中领悟物理学的研究方法。例如，通过介绍伽利略的斜面实验，使学生了解伽利略开创了把物理实验与科学思维相结合的物理学研究方法，正像爱因斯坦评论中所说的：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物

15、理学的真正开端。”又如，通过展现库仑定律的发现历程，使学生了解科学家是如何从万有引力和静电力现象的类比中提出猜想的；又是如何通过“卡文迪许扭秤实验”类比设计“库仑扭秤实验”来验证电的斥力的平方反比律的；如何把“电的吸力”和“地球对物体的引力”加以类比推理、设计精妙的“电摆实验”来验证电的吸力的平方反比律的，从而深刻体验和领悟类比方法及其在科学研究中的重要作用。物理学中常见的研究方法，如观察、实验、科学抽象、类比、理想实验、模型、比较和分类、归纳和演绎、分析和综合、证明和反驳、假说与理论以及数学方法、控制论、系统论、信息论方法等等，都贯穿在物理学发展的整个过程中，这些具有共性的物理思维方法都是启

16、人智慧，发人深思的。因此，在物理教学中渗透物理学史，能使学生学到解决问题的种种方法，同时使学生认识到，科学研究方法是多种多样的，很多途径都可导致真理的发现、揭示世界的本质和更深层次的奥秘。使学生全面理解科学的探究本质。物理学发现的历史也就是物理学探究的历史，物理学史中的探究过程所充满的艰巨性和创造性、洋溢的科学精神、渗透的科学思想和方法，启示我们在物理教学中要突出探究这一重要理念。在教学过程中渗透物理学史，使学生认识探究过程的曲折和乐趣，以提高学生科学探究所需要的能力和增进对科学探究的理解，领悟到科学的本质特征，发展他们的科学素养。学生与科学家的探究思维本质上是一致的，学生在科学学习中的探究与

17、科学家研究自然界的科学探究有相似的特征，都要经历问题、假说或猜想、收集证据、解释、评价、交流与推广等环节，只不过“科学家是为了求知而探究，而学生探究是为了求知。”在课堂上教师可选择物理学史上著名的实验或发现事例，经简化、设计，形成富有启发性的材料，让学生“追踪”当年科学家的发现思路，模拟科学家的发现过程，领会科学家的思维方法，而不是只是介绍结论。例如电磁感应现象的教学，教师可提供给学生一些实验器材，将教学过程设计成为学生自主设计实验方案、自主选择器材进行实验、自主寻找产生感应电流的条件，让他们像科学家那样去思考、探究和遭受曲折；同时适当介绍物理学史上的曲折历程使学生领悟探究过程的艰辛和电磁感应

18、现象的本质。奥斯特发现电流的磁效应不久，安培、科拉顿和法拉第等科学家都相继提出了利用磁产生电的设想，但他们开始都未意识到这是个“动态”效应。安培认为，只要在导体附近有一强电流或强磁体，导体中就会感应出电流来，他进行了实验但没有成功。法拉第在很长一段时间内的想法与安培的想法大致是一样的，他做的许多实验都失败了。直到1881年8月以后，才意识到这可能是一种“动态”效应，终于发现了电磁感应现象。而克拉顿在法拉第发现之前，曾做过这样一个实验：他把一个螺线管与电流计相连接，为了避免实验时磁铁对电流计指针的影响，他将电流计放在另一个房间。实验时，他将磁铁插入或抽出线圈以后，再跑到另一个房间去观察电流计指针

19、的变化，结果当然什么也看不到了。他哪里知道，就在他从一个房间跑到另一个房间的过程中，电流计的指针早已恢复原状了。在教学中引导学生对上述历史探究过程的再探究，学生对电磁感应现象的“动态”效应的理解就更为深刻了。以学生的探究活动为主线，创设情景让学生对典型的历史探究案例进行再探究，这样做虽然不是真正的科学“发现”或“创造”，但教师引导学生在短期内做了科学家多年呕心沥血才做成的事，不仅激励了学生学习科学家锲而不舍、奋发探索、勇于献身、敢于创新的精神；同时学生从中也学到了物理学的一些探究方法，丰富了自己的思路，其探索过程是具有创造意义的。而且在科学探究学习中通过成果的交流，能使学生在归纳问题、表述、口

20、头表达、交往、自信心、宽容心等一系列方面得到充分的锻炼。使学生形成正确的知识相对观和发展观。科学在本质上是相对的、可变的，处在不断的修正和发展过程中，不存在永恒不变的科学真理。传统的物理课堂教学只重视物理知识稳定的一面，将知识只作为一套现成的结论和技能，对其可变性重视不够，结果致使学生对物理知识的认识静止化、僵化、神圣化和教条化，形成了绝对化的知识观、错误的方法论和片面的发展观。这种脱离物理学发展实际、将物理教育等同于物理知识传授、忽视物理知识相对性的物理教学对学生和社会的发展都产生了不利影响，同时抹杀了学生的创造性，压抑了学生的怀疑精神、批判精神和创新精神。科学的发展受客观条件和历史条件的制

21、约，科学观念受社会和历史背景的影响，错误的历史也不乏教育的价值，对历史上一些科学家和学者的错误观点或偏见放在特定的历史背景下来评说，能帮助我们更好地认识科学的进步。在物理教学中融合物理学史，让学生在历史背景或框架中学习物理知识，可以使学生在了解物理概念、定律和理论的发现和演变过程的基础上，更准确地理解物理知识和物理概念的相对性，从而使学生形成正确的科学本质观；使学生在掌握大量物理知识和成果的同时，养成用动态的观点去看待物理知识，使学生感到科学是特定时代或特定条件下科学研究活动的产物，它处在不断变化发展的过程中，而不是什么绝对不变的真理。这正如一句广告所言：“没有最好，只有更好”，而只有追求更好

22、，科学才有发展的动力和发展的可能。例如惯性和惯性定律的建立、运动的量度之争、能量守恒定律的发现、对光的本性的认识、原子结构的探索等等，通过展现其认识和发展的历程能使学生体验到科学的相对性和发展性，从而激发学生在学习中敢于探索和发现，形成正确的知识相对观和发展观。（三）“情感态度与价值观”目标与物理学史的教育功能1、“情感态度与价值观”目标能领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。有参与科技活动的热情，有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。具有敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精

23、神，具有判断大众传媒有关信息是否科学的意识。有主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，敢于坚持正确观点，勇于修正错误，具有团队精神。了解并体会物理学对经济、社会发展的贡献，关注并思考与物理学相关的热点问题，有可持续发展的意识，能在力所能及的范围内，为社会的可持续发展做出贡献。关心国内、外科技发展现状与趋势，有振兴中华的使命感与责任感，有将科学服务于人类的意识。2、物理学史的教育功能激发学生对科学的好奇心和探究欲。物理学发展史是一幅理论与实验交叉、失败与成功并存、逻辑与非逻辑思维并用的丰富多彩的画面，是一部跌宕起伏、曲折前进的英雄乐章，物理学家的生平事迹、高尚情操、成功与挫折、智慧

24、与幽默、分歧与争论，物理学思想与方法的演变、物理学发展跳动的脉搏，都可以调动学生的情绪，唤起他们强烈的好奇心和奋发向上的激情，引起浓厚的兴趣和积极的思考。可见，物理学史由于具有故事的情节性、人物的生动性、过程的坎坷性而极容易引起学生的注意力。例如，在学习胡克定律时，可适当介绍胡克在发表这个定律时的故事：胡克是英国皇家学会的创始人之一，是与牛顿同时代的一位科学家，他于1676年发现物体的弹性规律时，既想居先发表这一定律，又不愿竞争对手直截了当地掌握这一定律，于是他采用了当时流行的办法用猜谜的方式发表了这一定律，谜面是“ceiiinosssttuv。”两年后，胡克才揭开谜底，即拉丁语“ut ten

25、sio sicvis”，翻译成中文就是“有多大的伸长就有多大的力”（物体的形变跟受到的力成正比），这一史实很容易吸引住学生，从而较易激发其好奇心理。中学生的好奇心强，同时又有强烈的自尊心，希望自己能独立地去解决一些问题。因而为学生创设一个生动活泼、自觉主动的学习环境是很重要的。将物理学上一些重大知识的发现历程渗透到教学中，让学生自己“参与”物理知识的发现过程，体会科学发现的乐趣和心理上的满足。这样，我们就能在物理教学中培养并不断发展学生学习物理乃至整个自然科学的兴趣和信心。促进学生养成科学态度和科学精神。科学态度是指从事科学活动应具有的稳定的行为倾向，包括：严谨认真一丝不苟、谦虚谨慎善于合作、

26、独立思考追求新知、关心社会关心环境、不怕困难勇于实践等。随着社会的发展，科学态度不仅仅是人们从事科学活动应具有的稳定行为倾向，已经成为现代公民科学文化素质的重要组成部分，迁移到社会活动的各个领域，能否用科学态度来对待和处理问题，可以成为判断人才素质高低的一个重要标准。科学精神是从事科学实践和科学工作的意识、思维活动和一般心理状态，即应当具备的基本精神，它包括客观精神、理性精神、实证精神、合作精神、怀疑批判和创新精神。科学精神能够体现科学活动的本质特征，也能够决定一个人的价值观念、道德观念和工作作风，是科学素质的重要组成内容。科学精神教育对于学生从事科学活动、使用科学方法、实现科学目标都有极其重

27、要的意义。在物理教学中，学生科学态度的形成和科学精神的养育，一方面要在平时的学习过程中养成，另一方面，物理教学要让学生与科学家零距离接触，走进物理学家的精神世界，让学生从中感受科学态度和领悟科学精神，因此在教学过程中适时地引入一些科学家的光辉言行、孜孜不倦的工作态度、高尚品格以及丰富的个性，这些介绍都会给学生留下深刻的印象。有利于养育学生的人文精神和爱国主义情怀。当前，从世界范围来说，教育已进入了一个新的发展时期，随着社会信息化步伐的加快和高科技的加速发展，教育从人文科学到科学化再走上科学化与人文兼容互补的历史发展轨迹。而物理学史是以人类与物理世界对话的历史为对象的，所以它必然融合了与物理学有

28、关的自然科学以及与人类思想，社会历史发展有关的文史哲的多学科知识。正是这种特性，决定了物理学史在实施科学教育与人文教育结合中的特殊作用。人文精神是“爱”的精神，热爱科学，热爱科学事业，热爱自己的祖国。增强学生的社会责任感，使他们“学会关怀”，关怀社会，关怀全球的发展，关怀人类的命运，关怀人类社会的持续发展问题，使科学在人文的关照下，真正朝着对人类有利的方向发展。科学家在致力于科研活动的同时，处处重视人的价值，孜孜不倦地追求社会的和谐发展，是科学精神和人文精神结合的楷模。牛顿的名言“如果我看得更远那是因为站在巨人的肩上”，既表现出对他人劳动成果的尊重，也体现了谦虚诚恳的态度。爱因斯坦在第二次世界

29、大战期间，从人类的正义感出发，劝说美国总统罗斯福抢在纳粹德国以前研制原子弹，当研制成功以后，他又从人类的良知和社会责任感出发，和原子弹之父奥本海默一起，联诀反对使用原子弹。居里夫人和她的女儿长期从事核物理研究，将自己毕生的精力奉献给了科学事业和自己的祖国，并三次获得了诺贝尔奖，最后均因长期接触放射物质而死于白血病，因而人文精神也可以说是一种献身精神。爱因斯坦就曾说过：“人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。人文精神还体现为团结、合作、民主的精神，曾任卡文迪什实验室主任的汤姆孙总是把他所知道的和所能想到的全部告诉助手和学生，甚至把他自己设计的方案无代价的给予学生，在他任期内共培养了84位物理学教授，27名英国皇家学会会员，诺贝尔奖获得者7人。教学中将这些物理学史内容与物理知识相融合，其中蕴涵的科学家充满人文主义的态度和精神将激起学生心灵的震动。帮助学生树立科学世界观和人生观。在物理教学中渗透物理学史对于学生树立科学的世界观和人生观很有帮助。比如可以通过物理学史实例向学生反复阐明偶然与必然的关系，指导学生正确看待机遇、让学生真正懂得“机遇偏爱有准备的头脑”的道理，使他们明确今天的准备正是为了明天抓住机遇；要有哲学头脑，要充分发挥自己主观的能动作用，增强自觉性，寻求机遇、开拓机遇、利用机遇、做好准备，当时机来临时能够抓住机遇。