巧用物理學(xué)史 提升科學(xué)素養(yǎng)

王良

我國正在深化高中課程改革，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)被置于這一改革的基礎(chǔ)地位.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》明確指出——課程目的：提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)；課程性質(zhì)：高中物理是普通高中科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程，與九年義務(wù)教育物理或科學(xué)課程相銜接，旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).高中物理課程改革的深入進(jìn)行也將以促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo).

在科學(xué)素養(yǎng)中，最核心部分是科學(xué)精神，即人們對(duì)科學(xué)的態(tài)度與價(jià)值觀；中間部分是科學(xué)知識(shí)，即人們?cè)趯W(xué)校中、在社會(huì)生活中所學(xué)習(xí)并掌握的知識(shí)、技能、方法與能力；最外圍部分是科學(xué)意識(shí)，即人們?cè)诳茖W(xué)素養(yǎng)教育中所形成的、在追求科學(xué)的過程中所表現(xiàn)出來的科學(xué)熱情、激情以及自覺運(yùn)用科學(xué)的行為與習(xí)慣.

那么在日常的教學(xué)活動(dòng)中提升學(xué)生物理學(xué)科的科學(xué)素養(yǎng)？筆者認(rèn)為在高中物理課程教學(xué)融入科學(xué)史的內(nèi)容是通過物理課程落實(shí)科學(xué)素養(yǎng)教育的有效途徑.

1 物理學(xué)史對(duì)提升科學(xué)素養(yǎng)的作用

物理學(xué)史、我國的科技成就，知識(shí)在生活中的運(yùn)用等在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“立德樹人”方面具有獨(dú)特的意義.物理學(xué)史對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)具有極高的價(jià)值.人教版高中物理課本中有很多章節(jié)是對(duì)物理學(xué)史的介紹，這些與學(xué)科相關(guān)的歷史對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的情感、態(tài)度、價(jià)值觀，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是極好的素材.如伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，牛頓第一定律的建立，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)的建立等，猶如一部部壯麗的科學(xué)史詩，它歌頌了前輩科學(xué)家們排除困難、勇于探索的科學(xué)精神，展示了科學(xué)發(fā)展過程中先賢們富有創(chuàng)造而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡目茖W(xué)思維，也體現(xiàn)了真理來之不易這一樸素思想.其豐富的內(nèi)容、浩瀚的史料、翔實(shí)的素質(zhì)教育素材決定了它是落實(shí)新課程倡導(dǎo)的三維目標(biāo)的一個(gè)良好載體，是高中物理教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是提升物理素養(yǎng)的有效途徑.

2 巧用物理學(xué)史，提升科學(xué)素養(yǎng)——以“行星的運(yùn)動(dòng)”為例

2.1 了解探索行星運(yùn)動(dòng)的發(fā)展史，能培養(yǎng)學(xué)生的情感態(tài)度和價(jià)值觀，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

“行星的運(yùn)動(dòng)”是必修2第六章“萬有引力與航天”的第一節(jié)內(nèi)容，教材圍繞日心說的建立和開普勒行星三定律這兩個(gè)內(nèi)容來闡述.其中對(duì)于“地心說”和“日心說”的爭(zhēng)論和歷史發(fā)展過程，學(xué)生們大都知道，但是對(duì)于開普勒和第谷的故事學(xué)生卻普遍不熟悉.針對(duì)這種情況，在進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)前，筆者就讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)書本上“科學(xué)足跡”欄目，并對(duì)全班進(jìn)行了分工：地心說小組（地心說的發(fā)展過程及主要內(nèi)容）、日心說發(fā)展史小組（為日心說發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家）、第谷小組（其對(duì)天文學(xué)的貢獻(xiàn)）、開普勒小組（開普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)過程）.根據(jù)各自分配到的任務(wù)上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，整理相關(guān)文獻(xiàn).

活動(dòng)一 （1）地心說小組簡要介紹地心說的發(fā)展過程及主要內(nèi)容.

地心說的主要內(nèi)容是：地球是宇宙的中心，并且靜止不動(dòng)，一切行星圍繞地球做簡單完美的圓周運(yùn)動(dòng).

（2）日心說小組介紹其創(chuàng)立者和主要內(nèi)容

日心說的內(nèi)容：太陽是宇宙中心并且靜止不動(dòng)，地球圍繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)，并且在自轉(zhuǎn)，其他行星都圍繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng).

活動(dòng)二 教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)以上學(xué)生的展示結(jié)合閱讀教材第一段，回答以下幾個(gè)問題

（1）古代人們對(duì)天體運(yùn)動(dòng)存在哪些看法？

（2）“地心說”的主要內(nèi)容及代表人物，“日心說”的主要內(nèi)容及代表人物？

（3）哪種學(xué)說占統(tǒng)治地位的時(shí)間較長？“日心說”為什么最終能戰(zhàn)勝“地心說”試舉例說明.

（4）“日心說”的觀點(diǎn)是否絕對(duì)正確？“地心說”被證明是錯(cuò)誤的，那么它在行星運(yùn)動(dòng)研究發(fā)展史上是否就被我們完全否定？

活動(dòng)三 第谷小組講述他對(duì)天文學(xué)的貢獻(xiàn)

第谷連續(xù)20年對(duì)750顆左右恒星進(jìn)行觀察并有準(zhǔn)確記錄，他的觀察精度達(dá)到了肉眼觀測(cè)的極限.為開普勒革新行星運(yùn)動(dòng)理論，發(fā)展日心說奠定了基礎(chǔ).

學(xué)生們?cè)谡n堂上所表現(xiàn)的積極性，回答的答案都讓我刮目相看.如果沒有在課前布置任務(wù)讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，而只是根據(jù)課本上的內(nèi)容，簡單介紹一下“地心說”和“日心說”，學(xué)生雖然能掌握兩種學(xué)說的代表人物和主要內(nèi)容.但是，他們一定不能經(jīng)歷了解“行星運(yùn)動(dòng)”的歷史發(fā)展過程，不了解先輩們是如何發(fā)展和創(chuàng)造知識(shí)的，那么他們也就不會(huì)有機(jī)會(huì)思考這段歷史發(fā)生的價(jià)值和意義，失去了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的辯證的看待問題的機(jī)會(huì).在實(shí)際的教學(xué)過程中，我們往往因?yàn)檎n時(shí)的限制，而忽略了物理學(xué)史的教學(xué)，但其實(shí)在實(shí)際物理教學(xué)過程中穿插著的物理學(xué)發(fā)展史，滲透物理文化的教育，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分展示科學(xué)規(guī)律的發(fā)展過程，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的思維過程，有利于學(xué)生對(duì)科學(xué)探索的正確情感態(tài)度和價(jià)值觀的形成.而這些正是個(gè)人科學(xué)素養(yǎng)中最深層次的部分.

2.2 提供充分史實(shí)，注重深度挖掘，能凸顯相關(guān)內(nèi)容的思想內(nèi)涵，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

在科學(xué)史內(nèi)容的教學(xué)中，教師要注意以顯性化方式挖掘相關(guān)內(nèi)容深刻的思想內(nèi)涵，讓學(xué)生從中對(duì)科學(xué)的本質(zhì)，科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系，科學(xué)的美等有更深刻的認(rèn)識(shí).

活動(dòng)四 開普勒小組展示資料，教師補(bǔ)充說明

在科學(xué)史上，開普勒在第谷觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律的過程是十分繁瑣而艱苦的.他經(jīng)過四年多的刻苦計(jì)算，嘗試了十九種設(shè)想的路徑，但由于或多或少與觀測(cè)結(jié)果不一致而被否決.最后開普勒才發(fā)現(xiàn)火星運(yùn)行的軌道是橢圓，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)每個(gè)行星運(yùn)行軌道都是橢圓，有人把它這一工作探索過程比喻為“螞蟻啃骨頭”，這體現(xiàn)了科學(xué)工作者的一種堅(jiān)韌、執(zhí)著的求真精神.通過“對(duì)開普勒是如何利用觀測(cè)數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)軌道是橢圓的”這一問題的補(bǔ)充，可以讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)方法的巧妙，同時(shí)加深對(duì)這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程艱巨性的感受.

在實(shí)際的教學(xué)過程中，有學(xué)生提出了這樣一個(gè)困惑：既然開普勒發(fā)現(xiàn)圓軌道是錯(cuò)誤的，為什么我們?cè)谔幚硇行沁\(yùn)動(dòng)時(shí)，還是要按照?qǐng)A軌道來處理？在深度挖掘物理學(xué)史的過程中，學(xué)生有了新的發(fā)現(xiàn)，這正是我們課堂所要達(dá)到的效果.橢圓軌道是事實(shí)，是行星運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌道，因?yàn)樾行堑能壍琅c圓十分接近，在處理問題時(shí)，我們可以將行星的軌道近似為圓軌道來建立理想模型——?jiǎng)蛩賵A周運(yùn)動(dòng).當(dāng)然這樣處理只適用于是我們高中階段的物理知識(shí)水平.向?qū)W生說明“從圓軌道到橢圓軌道是人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)的修正過程.而近似按照?qǐng)A軌道處理是物理學(xué)簡化問題建立模型的方法，兩者有本質(zhì)的區(qū)別的.” 通過對(duì)物理學(xué)史的深度挖掘，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立地對(duì)新問題產(chǎn)生自己的思考，引導(dǎo)學(xué)生順著科學(xué)家對(duì)這個(gè)問題的思考的脈絡(luò)，了解科學(xué)的本質(zhì)，有利于學(xué)生從“機(jī)械學(xué)習(xí)，被動(dòng)學(xué)習(xí)、獲得知識(shí)”向“靈活學(xué)習(xí)、積極思考、勇于探索”轉(zhuǎn)化，獲得真正的“智慧”，提升自身的科學(xué)素養(yǎng).

2.3 結(jié)合物理學(xué)史，體驗(yàn)探究過程，培養(yǎng)探究能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

開普勒第一定律：所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上.

雖然學(xué)生都知道橢圓是什么樣，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)萬有引力定律時(shí)沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過橢圓知識(shí)，對(duì)于焦點(diǎn)、半長軸、半短軸等概念不清楚.教材對(duì)這部分進(jìn)行了恰當(dāng)處理：可以用一條細(xì)繩和兩只圖釘來畫橢圓（圖1）.在學(xué)習(xí)了從地心說到日心說整個(gè)漫長而驚心動(dòng)魄的歷程后，讓學(xué)生自己動(dòng)手畫橢圓，體驗(yàn)行星繞著太陽的運(yùn)動(dòng)的這么一個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.而且在橢圓畫出后，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩枚圖釘?shù)木嚯x較近時(shí)畫出的橢圓近似為一個(gè)圓，為今后在處理行星的運(yùn)動(dòng)問題時(shí)把軌道視為一個(gè)圓作鋪墊.這部分的教學(xué)內(nèi)容主要以體驗(yàn)為主，使學(xué)生領(lǐng)略宇宙中行星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).

其實(shí)探究的過程就是教與學(xué)的過程，但是它比單純的知識(shí)講解更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.從教師層面來講，采用探究學(xué)習(xí)過程對(duì)教師自身的知識(shí)、駕馭課堂的能力有更高的要求，上這樣一堂課教師在課前要化更多的時(shí)間備課.但從學(xué)生層講能讓學(xué)生在探究過程中發(fā)現(xiàn)問題，通過觀察和比較自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而能留下更深刻的印象.作為教師，應(yīng)該給學(xué)生提供更多這樣的機(jī)會(huì)，在教學(xué)過程中提高學(xué)生的觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題的敏銳程度，引導(dǎo)他們自己解決問題，以此提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

物理學(xué)史為一般自然科學(xué)提供的素材是多種多樣和豐富具體的，巧用物理學(xué)史為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)提供很好的平臺(tái)和契機(jī).以上教學(xué)實(shí)例僅是筆者在物理教學(xué)階段融入物理學(xué)史的初步實(shí)踐.面對(duì)新形勢(shì)，我們物理教師自身首先必須培養(yǎng)和提高適應(yīng)未來生存和發(fā)展所必備的科學(xué)素養(yǎng)，同時(shí)搭建多種系列物理學(xué)史、物理實(shí)驗(yàn)等平臺(tái)，完善科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)體系，這對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)必將起到較大的推動(dòng)作用.