深度融合物理學史 構(gòu)建物理魅力課堂

摘" "要：物理學史有助于學生理解物理概念的形成和發(fā)展過程，理解其中蘊含的思想方法。在“光的波粒二象性”教學中，通過深度融合物理學史，讓學生思考人類在探索光的本性過程中遇見的一個個歷史之問，從而幫助學生深化對概念的理解，發(fā)展科學思維，樹立正確的人生觀和價值觀。

關(guān)鍵詞：物理學史；物理教學；立德樹人

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0088-3

物理學史揭示了物理學發(fā)展的規(guī)律及其內(nèi)在邏輯，體現(xiàn)了人類逐步探索與認識物理世界的歷程［1］。在物理教學中，物理學史不僅有助于學生理解概念的形成和發(fā)展過程，還能闡明其中所蘊含的思想方法，從而增強學生對物理知識的理解和科學方法的掌握。通過重溫物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)歷程，學生能體會到實事求是、不畏權(quán)威、勇于探索的科學精神［2］。因此，將物理學史融入物理教學顯得尤為重要。

在對光的本性探索中，從“波動說”與“粒子說”之爭，到麥克斯韋提出光的電磁波理論，再到愛因斯坦建立光量子理論，都是科學進程中辯證性質(zhì)的例證［2］。光的本性探索蘊含了豐富的科學思想與方法，也滲透著科學家們勇于追求真理的科學信念與精神。因此，在“光的波粒二象性”教學中，通過清晰展示光的本性認識所經(jīng)歷的科學研究過程，可以有效促進學生科學思維的發(fā)展，以及正確人生觀和價值觀的形成。

1" " 融合物理學史的“光的波粒二象性”教學

1.1" " 創(chuàng)設(shè)生動情境，巧妙設(shè)置問題

關(guān)于光的本性，人類很早就開始了研究，并引發(fā)了光學發(fā)展史上持續(xù)時間最長且最為激烈的一場論戰(zhàn)。教師可以通過展示日常生活中光現(xiàn)象的圖片，提問學生“光是什么”，以引出這場長達三百年的光的“波動說”與“粒子說”的爭論。

設(shè)計意圖：以問題為引導(dǎo)，激發(fā)學生的學習熱情與探索欲，并引出物理學史上關(guān)于光的本性的爭論。

1.2" " 回顧歷史脈絡(luò)，激蕩思維火花

1.2.1" " 早期的“粒子說”

教師講述早期的“粒子說”是一種“微粒說”。當時，人們認為光是由一粒粒非常小的“光原子”組成的高速粒子流。隨著1704年牛頓《光學》的出版，光的“微粒說”在接下來的100年中占據(jù)了主導(dǎo)地位，強力壓制了“波動說”。在此背景下，教師可以提問學生：“當沒有新的現(xiàn)象被觀測到之前，用‘微粒說’分析光的直線傳播、折射與反射現(xiàn)象是否適用？”

設(shè)計意圖：運用歷史重演教學法幫助學生體驗理論真實的建立過程，讓學生在認識光的本質(zhì)的探索過程中，深化概念理解，發(fā)展科學思維。

1.2.2" " “波動說”的發(fā)展

教師在講述“波動說”的發(fā)展時，首先介紹胡克于1665年提出的觀點，即“光是以太的一種縱向波”，并認為光的顏色由頻率決定。1690年，惠更斯原理提出，利用波動理論成功解釋了光的傳播規(guī)律。1801年，托馬斯·楊的楊氏雙縫干涉實驗則有力地支持了光的“波動說”。教師可以使用簡單的生活化器材進行演示。實驗器材包括鋼化膜、激光筆、蠟燭和刀片（圖1）。首先，將鋼化膜用蠟燭熏黑，然后用刀片平行劃兩條痕跡，最后將激光筆對準劃痕照射，便可得到明暗相間的干涉圖樣（圖2）。教師可以提問學生：“為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？‘微粒說’是否能解釋此現(xiàn)象？”接著，教師介紹托馬斯·楊的分析方法。他將光類比于水波和聲波，分析光屏上產(chǎn)生明暗交替條紋的原因，即光波的相干疊加。盡管楊的理論能夠很好地解釋實驗現(xiàn)象，但由于與當時盛行的“微粒說”相悖，因此遭到了許多物理學家的抵制。楊在演講中提到：“盡管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此而認為他是百無一失的。我看到牛頓也會犯錯，這并沒有讓我得意，而是感到遺憾。有時候他的權(quán)威甚至延緩了科學的進步?！闭怯捎跅畹拇竽戀|(zhì)疑和不畏權(quán)威，使得光的“波動說”得以進一步發(fā)展。

設(shè)計意圖：介紹物理學家的思維方式、困惑和解決問題的靈感與科學方法，幫助學生掌握科學方法，培養(yǎng)他們不畏權(quán)威、敢于質(zhì)疑的科學精神。同時，利用生活中的簡單材料演示經(jīng)典的楊氏雙縫干涉實驗，讓學生感受物理實驗的魅力，增強對原理探索的興趣，學會通過實驗現(xiàn)象和理論分析來驗證和質(zhì)疑科學觀點以增強科學思維。

1.2.3" " “波動說”的挑戰(zhàn)

此時，人們依舊將光波看作縱波，但隨著馬呂斯的發(fā)現(xiàn)，“波動說”也受到挑戰(zhàn)。馬呂斯利用一塊冰洲石去觀察落日從玻璃窗反射的像時，意外發(fā)現(xiàn)了兩個像。并且，當冰洲石被轉(zhuǎn)動時，兩個像會明亮交替變化，這種光強度隨方向發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光的偏振化。教師可以利用偏振光演示儀向?qū)W生展示這一偏振現(xiàn)象。該演示儀由手電筒、兩片偏振片、泡沫板、長筒和支架組成（圖3）。隨著演示儀中偏振片的轉(zhuǎn)動，屏上的光強會發(fā)生變化，甚至會完全消失。此時，教師可以提問學生：“為什么光是縱波無法解釋偏振現(xiàn)象？那么，該如何解釋偏振呢？”

設(shè)計意圖：光的偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使得“波動說”處境更加嚴峻。這一矛盾無疑引發(fā)了物理學家們的深入思考，促使他們重新審視光的本性及其傳播特性。通過引入這些真實的歷史問題，教師可以有效地點燃學生的好奇心，進一步激發(fā)他們的學習動機。

1.2.4" " “波動說”的勝利

為了解釋偏振現(xiàn)象，托馬斯·楊提出了光是橫波的假設(shè)。隨后，菲涅爾進一步補充了惠更斯原理，從橫波的角度解釋了光的偏振，并發(fā)現(xiàn)了著名的泊松亮斑，建立了光的橫向傳播理論。之后，麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，而赫茲則通過實驗驗證了光是一種電磁波。在這一過程中，教師可以著重講解“泊松亮斑”的故事，讓學生學有所悟。

設(shè)計意圖：讓學生親身體會波動理論的完善過程，感悟科學家精神，形成良好的人生觀與價值觀。

1.2.5" " “波粒二象性”的確立

赫茲在研究光的波動性時首次發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，即金屬表面在光輻照下會發(fā)射出電子。教師可以提問學生：“能否用光的波動理論來解釋光電效應(yīng)？如果不能，該如何解釋這一現(xiàn)象？”在學生討論結(jié)束后，教師引導(dǎo)他們利用愛因斯坦提出的光量子假說來解釋這一現(xiàn)象。此外，教師還需介紹康普頓通過散射實驗驗證光的粒子性。最終，學生將得出結(jié)論：光既具有波動性，又具有粒子性，即光的波粒二象性。

設(shè)計意圖：物理學家對光的本性的探索，是一個否定之否定的發(fā)展過程，是科學發(fā)展過程中辯證性質(zhì)的例證，能夠培養(yǎng)學生的辯證思維能力。

1.3" " 切入前沿應(yīng)用，提升科技自信

與學生分享基于光的量子性的前沿科技，教師可以播放我國的光量子計算機與量子衛(wèi)星的科普短視頻。特別介紹我國的光量子計算原型機“九章”（圖4）和量子衛(wèi)星“墨子號”名稱的由來。從《九章算術(shù)》到自主創(chuàng)新實現(xiàn)量子優(yōu)越性的光量子計算原型機，從首次發(fā)現(xiàn)小孔成像的墨子到首顆空間量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，都體現(xiàn)了中華民族的智慧。

設(shè)計意圖：由古及今，聯(lián)系我國光學史上的偉大成就，增強學生的科技文化自信，培養(yǎng)學生科技報國的責任擔當。

1.4" " 應(yīng)用課本短劇，鞏固課堂內(nèi)容

教師將學生進行分組，讓學生分別模擬不同的物理學家開展光的本性的論戰(zhàn)，以簡短的課本劇形式讓學生梳理人類對光的本性的認識過程，從而幫助學生鞏固學習內(nèi)容。

設(shè)計意圖：學生通過模擬物理學家進行爭論，既能對物理學家有更深入的認識，還能進一步鍛煉學生的思維與表達，增強合作意識與能力。

2" " 結(jié)" 論

將物理學史融入物理教學，能夠充分激發(fā)學生的學習熱情，幫助其理解物理概念。此外，這種融合在培育學生的科學思維與科學態(tài)度方面具有獨特的優(yōu)勢。因此，教師應(yīng)通過物理教學促進學生的全面發(fā)展，將物理學史與物理教學充分結(jié)合，為學生建構(gòu)一個更加豐富、立體的物理學習環(huán)境［4］。

參考文獻：

［1］蘆星月，熊建文.科學探究視角下的物理學史教育功能分析［J］.物理教學，2021，43（8）：69-71，43.

［2］王高.融入物理學史 培育核心素養(yǎng)［J］.物理教師， 2017，38（11）：26-30.

［3］竇華.從光的本質(zhì)的探索看物理學發(fā)展的辯證本性［J］. 內(nèi)蒙古電大學刊，2004（4）：49-50.

［4］陳小敏，李海濤.物理學史和物理教學融合的實踐與思考［J］.教育與職業(yè)，2008（20）：109-111.

（欄目編輯" " 賈偉堯）