物理学史在中学物理课程中的探究式教学(物理通报)

1、物理学史在中学物理课程中的探究式教学张前军（沐阳高级中学 江苏 沐阳223600）摘 要：本文提出了 “物理学史中重要理论和实验的产生有其历史发展的必然性，在对这种必然性以 及理论与实验的科学性的分析过程其实就是一种非常可行的科学探究过程”这一新观念，以此突破物理学 史探究式教学的瓶颈。关键词：物理学史科学探究教学反思1引言参加我市物理教师创新大赛已过一年冇余。笔者的课题为“玻尔的原了模型”。赛前诚惶诚恐的准备、 赛中学生出乎意料的表现、赛后笔者侥幸获一等奖的惬意，都始终无法忘怀。早觉得有写一些反思文章的 必要，但却不知从何写起，因为我对当时为什么选择物理学史的内容作为创新人赛的课题一自疑惑不

2、解。近期了解到命题人对此的解释是：创新教学比赛不仅是参赛教师的事，也是命题教师的事。如果选择 含有实验内容的课题，人家都很容易按已经为人家所熟知的“提出问题、猜想与假设、设计实验和进行实 验（收集证据）、分析论证、评估、交流与合作”的模式进行探究式教学，虽然这样很容易体现新课标的 耍求，但它体现不了参赛教师的创新水平；血选择物理学史的内容作为创新教学课题更能让大家进行有差 界的体现新课标要求的创新教学设计。听完解释后我豁然开朗，并以此作引言谈一谈笔者对新课标下的高 屮物理课屮物理学史探究式教学认识的转变。2物理学史探究式教学的现状为了突出高中物理的主干知识，也为了减轻学生的学业负担，新课程对髙

3、中物理内容设置分成必修模 块和选修模块。江苏省高考只耍求对选修模块中的3-3. 3-4、3-5三个非主干知识模块只选择其中的任意两个即可。 三个模块在高考屮的问题难度相当，这必然导致这三个模块内容考的都比较简单；而以物理光学和原子物 理等为主要内容的物理学史内容主要放在选修3-4、3-5系列中。一方面，受现行高考指挥棒的影响，教师在这些内容的实际教学小很少关注过程与方法、情感态度与 价值观冃标的达成情况，应试教育下的注重基本知识的教学特征在物理学史内容教学小述是非常突出的。 毕竟物理学史的基本知识较少，在实际教学中要么是教师一讲到底，突出基本知识，要么从形式上以学生 为主，先让学生自我阅读，然

4、示教师对基木知识进行解释。其至，因为对其它主干模块知识用时太多，教 师对物理学史内容进行浓缩教学，一课时能上儿节内容。另一方面，更主要的是新课程十分重视教学中的科学探究，在必修模块中和不以物理学史为主耍内容 的选修模块教材内容都是按新课程要求进行了大幅度变革，强迫教师进行探究式教学，才能与教材内容设 置相一致。而在以物理学史为主耍内容的教材编排设计就没有这种“强迫”的特征，教师以传统方法进行 教学也能与教学内容相统一；但用探究式教学却不知从何下手。综合以上几个原因，在新课标要求下的物理学史内容也就变成了教学中的“鸡肋”。3物理学史探究式教学的认识误区教育理论和教学实践表明，学生认知的过程符合“

5、重演论”。物理学史记述了重大物理实验和理论的 发生、发展过程，描述了冇重要影响的物理学家的思维过程。学生只冇“亲历”物理学的发展过程，才会 彻底掌握物理知识和科学方法。同时，物理学史再现了科学家们克服种种阻力与困难作斗争、与传统观念 作斗争的过程，它有利于培养学生形成正确的人主观、世界观。因此，物理学史内容的教学具有实现新课 程三维冃标的功能。但是対于一线教师而言，冃前最大的因惑在于如何对物理学史内容进行探究式的教学, 以实现“体验科学探究过程，了解科学硏究方法”这一冃标。为什么会冇这样的困惑？其原因在于我们对新课标中科学探究要求的误解。新课标指出科学探究包含 的要素有：提出问题、猜想与假设、

6、设计实验和进行实验（收集证据）、分析论证、评估、交流与合作。 在受到先期能体现科学探究全部要素的必修内容教学的影响下，再加上对新课程诚惶诚恐的初浅认识，教 师对科学探究的要求产生了误解：探究式教学过程中必须耍体现科学探究的全部要素。显然，在物理学史 教学中是不容易实施这样的探究式教学的。其实，新课标中指出的科学探究的几个“要素“不等同于“环节”。一个过程缺少必要的环节就会中 断，而新课标中指出的要素是科学探究的标志，一个具体的教学过程只要具有这样一两个要素，它就冇了 探究性。这也就是说，教学中的科学探究不一淀是“完整”的。另外，科学探究的学习有两个方而含义：一方而是教师引导学纶在自己的探究活动

7、中学习怎样进行科 学探究，另一方而是教师引导学生研究前辈科学家的丄作过程学习科学探究。新课程中物理学史的內容恰 恰也就棊于这后一方面考虑而进行设置的，这样不仅冇助于师生改变头脑中关于科学探究的直接检验假设 或探究必须亲手做实验的简单化的模式，更冇利于师生形成科学的探究观，防止形成那种一步一个实验、 学到的所有规律都要山实验直接验证（甚至都要山实验归纳出來）的形式主义科学探究的做法。综上所述，科学探究是一种精神，它应该贯穿于整个学习过程，教师要想尽一切方法调动学生探求新 知识、构建立新方法的积极性，而不是让学牛被动地吸收知识，这样也就体现了新课程的探究梢神。4物理学史探究式教学的可行性爱因斯坦说

8、：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”。科学探究的第一要素是提出问题。由此 叮以看出捉出问题在科学探究屮的重要地位；在物理学史教学屮最难把握的也就是“捉出问题”这个要索。 若由是学牛提岀问题，则会五花八门；有的虽然有意义，但未必与教学发展方向一致。因此，多数问题还 是要由教师提出。但在物理学史的教学中教师提出有探究价值的问题也比较难，一方面是因为学习的内容 是已经发生过的历史，若提的问题太浅，大家都知道；另一方血，教材屮的物理学史是关注有重要影响史 实的浓缩化的历史，若提的问题太深，人家都不会；甚至冇些物理学新理论的初期建立全凭物理学家敏锐 的洞察力和思维肓觉，谈不上为什么之类的问题。那么

9、，在物理学史教学屮怎样才能提出有效的问题呢？笔者认为，物理学史中重要理论和实验的产生有其历史发展的必然性，在对这种必然性以及理论与实 验的科学性的分析过程其实就是一种非常可行的科学探究过程。在探究的过程中，科学猜想是最活跃的因 素，他的提出往往是由于某些事物的启发，教师要充分利用史料创设探究式教学的问题情景，鼓励学生人 胆猜测分析，从中体验科学探究过程，构建科学研究的方法。另外，由于多媒体具有将文字、图像、声音、动画有机结合，易于激发学生兴趣以及传输信息量大， 操作的可重复性等特点，因此，在物理学史内容的教学中通常要利用多媒体等形式再现历史上物理学家对 当时的科研难题的解决过程以及重要的实验过

10、程，或者把难以理解的重要理论用模拟动画等形式展示出， 营造研究物理学史的氛围。另外，在历史上重人理论、实验诞牛过程中受到许多因索的先后影响，利用多 媒体课件可操作的重复性特征，可以将问题呈现貝-有科学的层次性，忠实于历史发展的过程。总之，利用 多媒体手段是上好探究式物理学史课的重要途径。5物理学史探究式教学的案例分析以下是“玻尔的原了模型”教学片段的探究式教学设计及分析。片段一：玻尔理论产生的必然性探究背景介绍：1898年汤姆孙建立了原子的“枣糕式”模型；1911年卢瑟福建立了原子的核式结构模型。 而在卢瑟福时代已知的原了事实是：原了是稳定的、原了光谱是分立的。1885年巴耳末已经观察到了氢原

11、 子的一组分立的谱线满足n = 3,4,5,式中几是谱线的波长，/?是一常量。而按经典理论分析得到的原子现象却是：原子是不稳定的、原子 光谱是连续的。设计意图：通过对前期学习的原子模型建立过程介绍，由此突显人类建立原子模型过程是多么的困难, 以致让英国剧作家萧们纳都说：“科学总是从正确走向错谋。”，从而实现“情感态度与价值观”这一 1=1 标。突出经典理论下原子核式结构模型的闲惑，由此作为铺垫引出玻尔理论产生的丿力史必然性分析。（1）是原了核式结构木身存在问题？（不是，它有q粒子散射实验支掠）（2）是原子稳定性和光谱分立性存在了问题？（不是，它是客观存在的事实）（3）还是经典理论在原子领域不适

12、用了？（是的，它困惑存在的唯一合理解释）（4）新原了理论必须满足的要求：保留已经取得的成功z处、消除困惑z处、能解释已知的事实， 具体的要求侑哪些呢？（保留核式结构、能解释原子的稳定性和光谱的分立性、不同于经典理论，暂时应 农达成假设）（5）假如我们就处在卢瑟福建立核式结构的那个吋代，丽-阶段学习过程中哪些科学家不同于经典 的新观念可以给我们以启发呢？（1900年普朗克把能虽了引入物理学，正确破除了 “能量连续变化”的传 统观念，成功解释了黑体辐射能谱分布规律；1905年爱因斯坦提出了光本身由就是一个个不可分割的能量 了组成的，建立了光了新概念，成功解释了光电效应现彖）设计意图：通过设置对原子

13、核式模空存在困惑的梯度问题分析突显建立新理论的过程也就是対理论联 系实际分析中进行去伪存真的过程，从屮得出建立新理论的科学方法，以此培养学牛形成科学的探究过程 观：提出问题分析论证实现“过程为方法”这一冃标。片段二：玻尔原子理论的科学性探究（1）轨道量子化与定态假设能解决原子核式结构模型存在两个困惑中的哪一个困惑？（原子稳定性 的困惑）（2）频率条件假设能解决原子核式结构模型存在两个困惑中的哪-个困惑？（原子光谱分立性的困 惑）（3）玻尔理论非常成功的解禅了氢原了的巴耳末系光谱是氢原了从高能级跃迁到第2能级产生的， 氢原了从高能级跃迁到第2能级发出巴耳末系光，你能想象出原了是否还会发岀其它系列的光呢？（还可 以从高能级跃迁到笫1能级、笫3能级、笫4能级等能级产牛相应系列的光）教师总结：同学们，假若xxx同学能够测出这些谱线的存在，这个谱该叫什么名称呢？我想也应该 叫xxx系谱线。冇点遗憾，我们的同学生不逢时，这些氢原子谱线被赖曼（19914年）、帕邢（1908年）、 布喇开（1922年）、普丰特（1924年）等人发现（多媒体展示氢原能级跃迁发光图）。我们冇与这些大 师一样的想法、一样的智葱，但为什么发现它们比巴耳末系谱线迟了好多年呢？通过计算知道：这些谱线 系都为非可见光，不如为可见光的巴耳末谱线系更容易发现。设计意图：新理论的科学性分析不仅简单体