史上十大經(jīng)典物理實驗的教育價值

劉曉瑩 張道清

(湛江師范學(xué)院物理學(xué)院物理系 廣東 湛江 524048)

2002年，美國兩位學(xué)者在全美物理學(xué)家中做了一次調(diào)查，歸納出了有史以來最美的十大物理實驗[1]，這些實驗以其最簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念，而成為了經(jīng)典.這些實驗雖然已過百年，但其所蘊(yùn)含的物理學(xué)知識、科學(xué)思想和方法及科學(xué)精神對于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有著重要的意義.本文欲結(jié)合中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，從科學(xué)知識、科學(xué)思想和方法、人文教育等三個方面談?wù)勈飞鲜蠼?jīng)典物理實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的教育價值.

1 十大經(jīng)典實驗與課程標(biāo)準(zhǔn)

課程標(biāo)準(zhǔn)是國家課程的基本綱領(lǐng)性文件，是一切教學(xué)的出發(fā)點和歸縮.仔細(xì)查閱中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)，不難發(fā)現(xiàn)最美麗的十大經(jīng)典實驗所揭示的物理本質(zhì)或應(yīng)用的技術(shù)在中學(xué)物理課程中均有體現(xiàn)和要求，如表1所示,從中可以看出這十大經(jīng)典實驗有著豐富的教育內(nèi)涵.

表1 經(jīng)典實驗與中學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

2 十大經(jīng)典實驗的教育價值

2.1 科學(xué)知識價值

十大經(jīng)典實驗涉及力學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)、地理學(xué)等知識，實驗自身所揭示的物理學(xué)的本質(zhì)為物理學(xué)知識體系的建立和完善起到了關(guān)鍵性的作用.如伽利略的“自由落體實驗”的研究為引進(jìn)加速度概念和得出落體定律創(chuàng)造了條件[2]；楊氏雙縫干涉實驗證實了光的波動性，而將此實驗應(yīng)用于電子干涉實驗則證實了微觀粒子的具有波粒二象性, 揭示了微觀世界的量子本性；牛頓“光的色散實驗”促成了光譜學(xué)和三原色原理理論的建立；盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗為原子核物理學(xué)領(lǐng)域開辟打下了基礎(chǔ).物理學(xué)是一門體系嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，十大經(jīng)典實驗所揭示的物理學(xué)的本質(zhì)對于學(xué)生物理知識體系的構(gòu)建起著重要的作用.如伽利略的“自由落體實驗”，會讓學(xué)生摒棄生活中的錯誤經(jīng)驗，形成“物體的質(zhì)量不是其下落快慢的原因” 認(rèn)識，從而建立自由落體運(yùn)動的概念，將自由落體運(yùn)動納入到勻加速直線運(yùn)動知識體系中；牛頓的“棱鏡分解太陽光實驗”是利用了光的折射原理將不同波速的光進(jìn)行了分解，進(jìn)而讓學(xué)生體驗和感知太陽光是復(fù)合光，從而拓展了幾何光學(xué)認(rèn)識，為解釋多彩的世界提供了依據(jù).

2.2 科學(xué)方法教育價值

科學(xué)是以多樣統(tǒng)一的自然界為研究對象的探究活動，伽利略在自由落體實驗和加速度實驗研究中，把定量實驗技術(shù)和數(shù)學(xué)的論證分析緊密結(jié)合在一起[3]，創(chuàng)立了邏輯推理與科學(xué)實驗相結(jié)合的科學(xué)研究方法，開創(chuàng)了科學(xué)研究的新紀(jì)元.課程標(biāo)準(zhǔn)提出學(xué)生不僅應(yīng)學(xué)習(xí)物理知識和技能，還應(yīng)經(jīng)歷一些科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識科學(xué)探究的意義.每一個經(jīng)典實驗都是科學(xué)探究的典范，如托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實驗，就是源于“實物粒子是否有波動性？”的思考，基于德布羅意的假設(shè)“我們也應(yīng)該期望，物理學(xué)家們應(yīng)該可以從微觀粒子世界中得到關(guān)于物質(zhì)波的更進(jìn)一步的證明”， 約恩孫利用托馬斯·楊證明光是一種波的方法，設(shè)計了單電子楊氏雙縫干涉實驗，實驗的結(jié)果證明了德布羅意所假設(shè)的實物粒子的波動性確實存在.

探究是從問題開始,通過邏輯的分析和推理提出假設(shè)對問題進(jìn)行解釋,為了驗證假設(shè)的正確與否,需要制定計劃,設(shè)計實驗來進(jìn)行驗證,通過科學(xué)的觀察和實驗收集事實證據(jù),然后再對事實證據(jù)進(jìn)行分析和論證,得出結(jié)論,以證實假設(shè)的正偽.十大經(jīng)典實驗在中學(xué)物理課程教學(xué)中的介入對于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)研究方法有著重要的意義.

2.3 人文教育價值

愛因斯坦認(rèn)為第一流人物對于時代和歷史進(jìn)程的意義，在其道德品質(zhì)方面，也許比單純的才智成就方面還要大[4]，十大實驗作為科學(xué)發(fā)展史上的經(jīng)典其本身就蘊(yùn)含著豐富的人文資源，在教學(xué)的過程中把握經(jīng)典實驗背后的著名史料，可以促使學(xué)生更好地理解、 評價、欣賞科學(xué)事業(yè)，激發(fā)其探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望，培養(yǎng)其堅韌不拔的意志品質(zhì)[5].如伽利略本著“自然遵循簡單性原則[6]”思想對所研究的問題進(jìn)行“大膽假設(shè)”，進(jìn)而通過耐心細(xì)致的觀察和精心設(shè)計的實驗進(jìn)行“小心求證”的故事，對科學(xué)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其不畏強(qiáng)權(quán)，堅持真理，為理性和科學(xué)吶喊的精神依然是我們學(xué)習(xí)的榜樣.卡文迪什是一位極端嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的實驗物理學(xué)家，為了減小誤差，他將設(shè)備置于密封房間里，在室外以望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察和操作，這一歷史相信對于學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度的培養(yǎng)有著積極的意義.盧瑟福從粒子大角散射的科學(xué)事實出發(fā)，發(fā)現(xiàn)了湯姆孫模型的矛盾，批判了克洛瑟的實驗曲線，否定了無載體的、空虛的正電球體，并從原子內(nèi)存在強(qiáng)電場的觀點出發(fā)，建立了新的原子模型，合理地解釋了粒子大角散射的科學(xué)事實，盧瑟福的懷疑批判與求真創(chuàng)新精神無疑為科學(xué)創(chuàng)新教育提供了例證.

3 十大經(jīng)典實驗教育價值的教學(xué)實現(xiàn)

史上十大經(jīng)典實驗是非常重要的教育資源，它們在教科書中以多種方式出現(xiàn),以人民教育出版社的教材為例， 牛頓棱鏡分解太陽光實驗、托馬斯·楊的光干涉實驗、托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實驗等是以演示實驗或?qū)W生實驗的方式出現(xiàn)；伽利略對自由落體運(yùn)動的研究和盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核實驗(原子的核式結(jié)構(gòu)模型)在教材中單列為一節(jié)呈現(xiàn)；伽利略的加速度實驗、卡文迪什扭秤實驗是以新知識的背景材料或擴(kuò)展材料出現(xiàn)；埃拉托塞尼測量地球周長實驗常以習(xí)題的方式介入教學(xué).不同的呈現(xiàn)方式有著不同的教育功能，如演示實驗和學(xué)生實驗以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、操作能力、思維能力和學(xué)習(xí)興趣為主；擴(kuò)展性閱讀材料為擴(kuò)充學(xué)生的知識面、啟發(fā)學(xué)生思維、滿足學(xué)生的求知欲提供了平臺；新知識的背景材料常能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和學(xué)習(xí)欲望；習(xí)題則常常能鍛煉學(xué)生的解決問題的能力……教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式為教師的教學(xué)設(shè)計提供了參考，但它們的目標(biāo)都是相同的，那就是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).十大經(jīng)典實驗本身所蘊(yùn)含的教育價值為教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成提供了支撐，讓學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)方式中掌握知識和方法、培養(yǎng)能力、提升情感態(tài)度與價值觀.如在演示實驗或?qū)W生實驗中，除了實驗本身所體現(xiàn)的知識與方法價值外，還可以引導(dǎo)學(xué)生通過自己的觀察實驗與歷史上的經(jīng)典實驗進(jìn)行對比，以激發(fā)學(xué)習(xí)物理的自豪感和成就感；在處理擴(kuò)展性閱讀材料時可以設(shè)計一篇小論文讓學(xué)生談?wù)剼v史事件和人物，讓學(xué)生在擴(kuò)展自己知識的同時提高自己的表達(dá)能力，提升科學(xué)發(fā)展使命感；在新知識的背景材料中可讓學(xué)生在了解歷史的過程中形成對科學(xué)探究的欲望.在教學(xué)中設(shè)計并落實十大經(jīng)典物理實驗的教育價值，對于三維教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成有著積極的意義.

參考文獻(xiàn)

1 George Johnson著.科學(xué)上十個最美的實驗.金興華、江世亮校譯. 世界科學(xué),2003(1):2～4

2 吳承塤.伽利略的自由落體定律研究.物理通報，2003(4):36～40

3 王文全，王巖松，苗元華，蘇峰.伽利略的加速度實驗研究.物理通報，2003(8)：36～37

4 愛因斯坦.愛因斯坦文集(第一卷).北京:商務(wù)印書館，1976.339～340

5 (英)德雷克著.伽利略.唐云江譯.北京:中國社會科學(xué)出版社,1987.24

6 袁維新.論科學(xué)史的教育價值. 自然辯證法通訊,2006(3):72～77