物理学史在教学中落实课程三维目标的有效途径

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　　物理课程标准提出了三维目标，并开始关注科学本质教育。物理学史在中学物理教学中的应用是落实三维目标的有效途径。然而，国内对物理学史教育价值的认识还是存在着诸多偏差和不足，在具体实施的过程中，也还存在着许多误区。本文将对物理学史认识与实施两个方面做一些探讨。
　　
　　一、物理学史在教学中落实课程三维目标的意义
　　
　　在《九年义务教育物理课程标准》中，将课程的性质定义为“让学生学习初步的物理知识与技能、经历基本的科学探究过程、受到科学态度和科学精神的熏陶……”《普通高中物理课程标准》也将课程的性质定义为“有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的能力与热情……为终身发展，形成科学的世界观和科学价值观打下基础”。此外，两本“课标”中均将课程目标定为三维。由此可见“课标”与“大纲”不仅仅是名称上的不同。“大纲”属于传授知识型教学，关注点是物理的基本知识与基本技能。“课标”除要求学习基本的物理知识与技能外，还要求体验科学探究过程，了解科学研究方法，增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响；为终身发展，形成科学世界观和科学价值观打下基础。正因为两者的目标要求有如此大的差别，才催生了本轮声势浩大的课程改革，改革的最终目的正是为了更好地实现“课标”中提出的三维课程目标。把物理学史融入物理教学不仅能同时实现课程目标的三维要求，而且能使其融合成一个完美的整体。
　　
　　二、物理学史在教学中落实三维目标的作用
　　
　　1.引入物理学史帮助理解和掌握物理学知识。
　　教育理论和教学实践表明，学生认知的过程符合“重演论”，同整个人类社会认知的过程惊人的相似。学生头脑中的“前概念”在物理学发展过程中同样出现过，甚至长期成为人类普遍接受的“真理”。学生学习过程中遇到的重点和难点也往往是物理学发展进程中较难攻克的关键点――在整个物理学发展进程中具有里程碑式的意义。学生只有了解了物理学中的基本概念、定律和定理的形成和发展过程，才会彻底掌握它的物理意义。才能更直观、更具体地认知那些看似抽象的物理概念。通过历史上曾经出现过的一些“典型认知”(已经被新的更准确认知替换)可以预测学生在学习过程中将会遇到的问题，在课前有针对性地做些准备。课上通过再现此类“认知”如何被历史证误，以及“新认知”如何取而代之的过程，可使学生自己对头脑中的“前概念”进行“同步”否定，并由科学的“新概念”所替换。
　　2.展示科学探索过程，培养科学研究方法。
　　掌握学科知识固然重要，然而了解知识的来源则更加重要。韩愈曾说：“师者，所以传道、授业、解惑也。”“道”即“方法”，被排在了所有教育目标的前面。物理学史记述了物理实验和理论的发生、发展过程，描述了物理学家的思维过程。此外，这些过程还展现了科学家是如何在科学研究方法上实现创新和突破的。“亲历”物理学重要概念、理论的产生和发展过程，可以深刻理解研究方法的重要作用，培养正确运用这些科学方法的能力。可见，物理学史对物理科学方法教育有着特殊的作用。
　　3.以鲜活的资料熏陶和感染学生，体验情感、培养态度、形成价值观。
　　物理学史重现科学家探索物理知识过程的成功与失败，使学生体验科学探究路上的喜悦与艰辛，获得强烈的情感体验。通过再现科学家克服各种阻力与困难作斗争、与传统观念作斗争的坚强意志来感染学生，使学生具有追求真理、勇于创新、实事求是的科学精神和科学态度。物理学发展史既是人类认识客观物质世界的过程，也是辩证唯物主义与形而上学唯心主义斗争的过程。所以，它更有利于学生形成正确的人生观、世界观。
　　
　　三、物理学史在教学中的案例分析
　　
　　以人教版课标教材中“探究自由落体运动”一节为例。教材在探究匀变速直线运动规律的基础上，将用打点计时器通过实验及数据分析得出自由落体运动是匀变速直线运动及自由落体加速度大小与第五节伽利略对自由落体运动的研究进行融合。
　　1.通过观察提出疑问。
　　由教师在课堂用几组轻重不同物体做落体演示，自然地引出问题：轻重不同的物体从同一高度落下，落地时间是否一致?介绍亚里士多德延续两千多年的观点――物体的下落快慢是由物体的重量决定的，以及伽利略如何用“归谬法”推出了亚里士多德的理论的不自洽(著名的“落体佯谬”问题)。根据亚里士多德的理论，一块大石头的下落速度要比一块小石头下落速度大。当把两个物体捆绑在一起，两个速度不同的物体必然互相带动使它们的整体速度介于两速度之间。然而换个角度考虑，两个石头绑在一起比大石头还要重，速度理应比大石头的速度要快。可见。从“重的物体比轻的物体落得快”的前提推出了两种相矛盾的结论。
　　这部分介绍打破了学生头脑中与亚里士多德相似的观点，为下一步得出的新结论融入学生已有知识结构扫清了道路。“归谬法”的介绍使学生在掌握知识的同时学习到科学的研究方法。伽利略敢于怀疑亚里士多德延续了两千多年的观点，以及冒着压力不断探索真理的过程正反映了怀疑、求真、创新的科学精神。他敢于质疑、不断探索、在不为世人接受的情况下坚持真理、勇于证明的经历将深深地打动每个学生。榜样的力量是无穷的，他将使学生在不知不觉中受到感染和熏陶；学习前辈科学家不迷信权威、敢于怀疑、追求创新的科学态度，实事求是、认真严谨的科学作风，不计得失、勇攀高峰的崇高精神。
　　2.提出合理假设。
　　要求学生充分表达自己对该问题的猜想，为使表达充分可采用头脑风暴法。(教师对学生各种假设不作任何评价)当学生充分表达各自的观点后，教师可以介绍两种伽利略当时的假设。例如，一种是落体的速度正比于通过的距离，另一种是从静止开始在相同的时间内获得相同的速度增量(对上两种假设也要做到不做评价)。
　　勇于提问和善于假设是独立思考和创新思维的表现。创造能力的培养，不仅要求学生有严密的逻辑思维能力，而且还要具有相当的非逻辑想象能力。所以，不管学生提出何等猜想假设都不要对其作消极评价。在当今的创造过程中，一系列具有创造性的非常规方法和一些突破传统思维定势的科学想象，在建立新理论的创新活动中的作用越来越突出。
　　当然提出的各种假设还必须要通过逻辑核实和验证。介绍伽利略是如何再次通过理想实验察觉到他的第一个假设有逻辑错误的。根据这个定义，物体通过某段距离的时间将和通过二倍原来那段距离所用的时间相等，因为两倍距离的情况下，其平均速度也是原来平均速度的二倍。也就是说，通过第二段距离不必花时间，这显然是荒谬的。
　　要求学生对自己提出的假设也进行初步的判

断，提高学生的判断力。
　　3.数学推导。
　　由于速度难以直接测量，于是伽利略借助解方法求出了从静止开始的匀加速运动的距离S与时间t的关系。表示时间，横线表示各时刻的速度，三角形ABE的面积表示所通过的距离。显然这个面积与矩形ABFG的面积相等，FB为末速度的一半，即平均速度。由此不难得出，匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比，即得出s与t2。的关系，这就是时间平方定律。
　　要求学生了解推导过程，并利用前面所学匀变速直线运动的知识，用代数法对伽利略的图形推导结果进行验证，培养学生数学推导能力。
　　4.实验验证。
　　要求学生按假设的相近性进行分组，并根据提供的实验器材去设计实验，以验证自己的假设。
　　学生用打点计时器进行实验并对数据进行分析，不仅巩固了实验器材的使用方法，加强了实验分析能力，还得出了自由落体运动是匀变速直线运动及自由落体运动加速度大小。在学生互相通报实验结果并且经过讨论使结论趋于一致后，由教师总结结论，并介绍在当时实验条件极其落后的情况下伽利略是如何克服困难完成验证的。使学生明白科学技术的发展与社会的发展密不可分，互为影响。由于实验条件等因素的制约，历史上出现错误理论是不可避免的。亚里士多德的错误观点并不可笑，它是在当时的认识条件下所做的积极探索。
　　为了“冲淡重力”减缓下落运动，伽利略进行了著名的斜坡实验。他在一个板条上刻出一条直槽，贴上牛皮纸使之光滑，让一个光滑的黄铜小球沿直槽下落，并用水钟测定下落时间。发现“一个从静止开始下落的物体在相等的时间间隔经过各段距离之比，等于从1开始的一系列奇数之比”，即为1:3:5:7……从而证实了落体“所经过的各种距离总与所用的时间的平方成比例”。为了把斜面实验结论推广到竖直情况下的自由落体运动，伽利略提出了“等末速假设”即静止物体无论是竖直方向还是沿不同斜面从同一高度下落，到达末端是具有相同的速度。这就是说，物体在下落中所得到的速度只由下落的高度决定，而与斜面的倾斜程度无关。他在论证中说，如果情况不是这样，那么只要把过程翻转过来，物体就可以利用下落中得到的更大速度上升到比由之下落的更高的高度，而这是与我们的经验相违背的。(实际上伽利略也曾用单摆实验验证了这个假设。可见，任何假设都要尽量进行实验验证。这恰恰说明了科学的严谨性精神)
　　根据这个假设，就可以得到沿斜面长度l(下滑)的加速度gl与沿斜面高度h(自由下落)的加速度g之间的关系。物体自顶端沿斜面下滑和竖直下落所用的时间分别为t1，和t，末速度同样为v，则由h=v/2t和l=v/2t1得到t/t1=h/t；再由v=g1t1和v=gt，得到g1/g=t/t1=sinα。由这个关系，就不难从斜面上的加速度求出自由下落的加速度。不过，伽利略并没有给出加速度的精确数据，他只是根据这个关系明确得出了自由落体作匀加速运动的结论。
　　最后，要求学生分别总结并讲述学到的物理知识和伽利略用的科学研究方法。
　　本节课在学习物理知识的同时，通过将物理学知识的形成过程和学生的学习过程相结合，引导学生揣摩前人分析问题、解决问题的科学研究方法，使学生在学习科学知识的过程中受到方法的熏陶，逐步掌握科学研究方法。而且，在总结物理学研究过程中成功的经验与吸取失败的教训的同时使学生明白所谓的科学知识也不是一成不变的，而是不断发展的。以鲜活的资料弘扬科学精神和献身于科学的意志品质，使学习者受到生动的情感、态度与价值观的熏陶和感染，以求有利于他们健全人格的养成。
　　
　　(作者单位：安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖，241000)

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