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物理学史记录了物理概念、物理规律的形成与发展过程,解释与分析了物理学的形成背景与发展规律,它不仅包含物理科学知识体系逐步成熟与发展的过程,也包括科学家们探索与追求真理的历史事实.过去的教材将这些内容均作为阅读材料来处理,而新课标将其提到了一个新的高度,增加了材料、充实了细节,使物理学史的内涵大大丰富,有些地方甚至已单列一节,如“伽利略对自由落体运动的研究”、“划时代的发现”,现以这二节为主,谈谈教学实践中的感受.
1体会实验的作用,感受逻辑的力量
实验探究是物理学永恒的一个主题,在物理学发展过程中,实验的作用无可替代,这一点新课标仍占了大量的篇幅,但新课标与老教材的一个重要区别是同时还强调了逻辑的线索.新课标强调了教学的环环相扣,强调了思维的有理有节,而这一点,其实在物理前辈们的探索历程中,体现得尤为突出,相关教材内容的编排,更让读者体味到编者的用心良苦,体会到科学探究的真谛.
1.1逻辑的力量推翻了绵延两千年的错误
在伽利略对亚里士多德的“下落快慢与物重有关”这一绵延两千年的经典错误的质疑中,教材不吝篇幅,引述了伽利略在1638年所著的“两种新科学的对话”的精彩推论:如果重物下落快,假定大石头的下落速度为8,小石头的下落速度为4,当我们将两块石头捆在一起时,大石头会被小石头拖着而减慢,结果整个系统的下落速度应该小于8;但两块石头捆在一起,总的重量比大石头还要重,因此整个系统的下落速度应该比8还大.这样,就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论.读到这里,让同学震撼的正是这逻辑的力量!
1.2巧妙的实验探究是理想推论的理论基础
在分析教材的斜面实验的过程中,许多同学容易搞不清这样二个问题:伽利略为何要在斜面上做这个实验,直接自由落体不更好吗?为何要让倾角不断增大?其实这正是体现伽利略在研究自由落体运动规律时采用的二个重要思想:“冲淡”重力的巧妙思想和理想推论的思想.
在伽利略的时代,没有时钟、秒表,更没有打点计时器、抽气泵,今天真空管中“鸡毛和石块同时落地”的结论,不过是后人对伽利略结论的“现代化验证”.那时的时间估算手段是非常原始的滴水计时方式,一来不方便,二来误差很大,尤其是应对短时间计时的时候.因此如何“冲淡”重力,从而“拉长”时间,方便测量或比较,成为伽利略首先考虑的问题,斜面成了他巧妙解决这个问题的工具,从我们今天的观点来看,重力转换成了重力的分力,加速度可以大幅减小,实验过程对应的时间得以明显“延长”,教学中可以让学生通过阅读、讨论、评议等手段来体验伽利略在研究自由落体运动规律时采取的几个重要步骤:
①从“自由落体运动应该是简单的”认识出发,猜想v∝x和v∝t两种可能性,但经过推理判断v∝x不正确,应为v∝t
②从逻辑推理得出检验v∝t即是检验x∝t2
③巧妙设计斜面实验检验x∝t2
从而领会这样的实验探究所带来的二个重要的结论:
①不同质量的小球在同一倾角的斜面上通过相同位移所需时间相同(本质为加速度相同)
②随着斜面倾角的增大,加速度不断增大.
在上面二个关键结论的基础上,伽利略作了划时代的理想推论:当不计阻力且斜面倾角为90°即竖直自由下落时,不同质量的物体将以同一加速度下落.
2学习“物理学史”,更是领会“方法史”
对教材物理学史的解读和体会,并不仅仅停留在前辈的探究历程的重现上,而应上升到总结方法、运用方法、创造方法的层面.
2.1学习“物理学史”,重在总结前人的科学方法
通过教材内容的解读和探究,可以让学生明白:伽利略的探索研究方法,是一种逻辑和实验相结合的科学方法,从而也发展了人类的科学思维方式和科学研究方法.伽利略对运动的研究,不仅确立了许多用于描述运动的基本概念(速度、加速度),而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的科学方法,或者说给出了科学研究过程的基本要素,这些要素之构建正如教材所描述:对现象的一般观察→提出假设→运用逻辑(包括数学)得出推论→通过实验对推论进行检验→对假说进行修正和推广.
2.2要“以史为鉴”,更要“以史为器”
学习物理学史就是为了搞清物理思想、规律的形成脉络,以史为鉴.但要有效地学习和运用物理知识,更需要以史为器,不断创新、发展.物理学上的每一次重大的发现或创造并不是前人研究内容的简单重复,而往往是前人研究手段、思维方法的灵活运用,更多甚至是改革或创新.前辈的经验是一种启迪,是通向成功的一个台阶,但不一定是成功的保证.物理学的核心之一是科学思想方法,前辈在科学探究中为我们留下了许多有实践意义的科学思想方法,学习物理学史要和学习科学思想方法论结合起来,并突出科学思想方法论的教育.
2.3从“小方法”到“大方法”,形成物理思想方法
“学以致用”,科学方法教育在中学物理中的一个重要落点无非是解题和运用的能力.现在中学物理的方法总结得很多,大体有:“整体法、微元法、等效法、对称法、映射法、作图法、补偿法、逆向法……”,举不胜举,这些直观、具体的方法固然重要,但笔者认为,仅关心这些是不够的,许多同学面临实际问题时,还是会束手无策的,心中纵有方法种种,但毫无用武之地,一筹莫展.
其实,物理学科有自身的特点,“图景、模型”是其最大的特点.遇到实际问题时,往往先要考虑问题的性质,弄清物理过程的图景,还原物理模型,分析所给条件,再选用适当的规律.而在这一步之前,也谈不上什么“极限法、特殊值法、微元法”等具体方法的运用.要完成这一步跨越,就要去掌握学习物理过程中所必须掌握的最基本也是最必要的科学方法,这就是要抓住实际问题中的主要矛盾方面,而忽略次要矛盾方面,实现具体事物具体过程的模型化,实现从具体到抽象的飞跃,学会建立理想的物理模型,学会运用概念去设计理想化实验.在具体的解题指导中,侧重于物理过程的分析,侧重于物理条件的讨论,要重分析、重引导、重讨论、重总结,用一系列最基本的思想方法去解决一般乃至于最困难的问题,形成一套行之有效的“物理思想方法”,从这个高度去看各种具体解题方法,不过是掌握了“物理思想方法”之后的必然产物,而这一切,正是科学方法教育的最终目的.
3凸显“科学文化”,渗透“人文文化”
从文化的视角来看,物理学史表示了物理学的思想渊源以及它的传递、发展和继承.它蕴含了具有自然科学特征的科学文化,带有归属于科学范畴的无形思想,有着丰富多彩的内涵,
区别于其他的人文科学与人文文化,尤其是在思维方式上;但正由于科学文化与人文文化的显著区分度,又会令许多教师错误地认为,物理教学只需抓好科学文化教育,无需另外再进行人文文化的教育.
3.1物理学史凸显的是一种科学文化
文化是在不同的历史时期依靠教育来进行传承的.老一辈物理学家创造的科学成果为我们积淀了璀璨的科学文化遗产,通过物理学史的学习,被我们当代人有选择地接受.而这种带来浓郁自然科学特色的文化,其特点主要体现在其传承形式、探究方法、学习手段等方面:
物理学作为一门迅速发展起来的学科,已形成严密的成熟理论、系统的研究方法、独特的思维特性等一整套完整的科学体系,而物理学史正是诠译这一体系的有效平台,借助于教材和史料,可以系统地向学生讲述物理知识,介绍物理方法和历史;与老教材不同的是,新课标的史实分析中,穿插了许多实验细节,教师可以一改往日干巴巴讲解史实的方法,让学生实验探究、观察模拟,使他们从实践中体验先辈的探究历程,体验物理方法的形成,接受物理文化的熏陶,从而使物理学史的教学附属于这些有形的载体;与单元知识章节中只着重体现某一思想不同的是,物理学史的学习中,机械观、时空观、因果观、和谐性、永恒性、对称性、以及绝对与相对、无序与有序等这些无形的科学文化思想的系统体现,清楚地凸显了物理学丰富的科学文化内涵,它是明显有别于人文文化的.
3.2让物理的课堂也充满“人文”的精彩
著名物理学家吴健雄曾指出过:“为了避免出现社会可持续发展中的危机,当前一个刻不容缓的问题是消除现代文化中两种文化……科学文化和人文文化……之间的隔阂.”相比于以往的教材,新课标下的物理学史,也渗透着丰富的人文文化,尤其对体现物理前辈们只争朝夕、百折不挠和献身科学的牺牲精神,谦虚无私、团结互助、共同进取的合作精神,实事求是、一丝不苟的科学精神,这里摘录几段新课标中的相关文字:
牛顿:“我不知道世人怎么看,但在我自己看来,我只不过是一个在海滨玩耍的小孩,不时地为比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴,而在我面前的真理的海洋,却完全是个谜”(必修2之P52).
哥白尼38岁提出日心说、牛顿22岁发明微积分、爱因斯坦26岁提出狭义相对论…许多科学家的重要发现和发明,都产生于风华正茂、思想敏捷的青年时期.富有创新精神的青年,正是科学创新的主体.(必修1之P7).
麦克斯韦对法拉第著作的评价:“他既告诉我们成功的经验,也告诉我们不成功的经验…读者的能力可能远不如他,但是感到的共鸣却常多于钦佩,并且会引起这样一种信念:如果自己有这样的机会,也会成为一个发现者.”(选修3-2之P4).
如果我们对教材中处处流淌着的“人文元素”视而不见,那也是对学科教育资源的一种浪费!而反之,则会让物理的课堂也充满“人文”的精彩!
1体会实验的作用,感受逻辑的力量
实验探究是物理学永恒的一个主题,在物理学发展过程中,实验的作用无可替代,这一点新课标仍占了大量的篇幅,但新课标与老教材的一个重要区别是同时还强调了逻辑的线索.新课标强调了教学的环环相扣,强调了思维的有理有节,而这一点,其实在物理前辈们的探索历程中,体现得尤为突出,相关教材内容的编排,更让读者体味到编者的用心良苦,体会到科学探究的真谛.
1.1逻辑的力量推翻了绵延两千年的错误
在伽利略对亚里士多德的“下落快慢与物重有关”这一绵延两千年的经典错误的质疑中,教材不吝篇幅,引述了伽利略在1638年所著的“两种新科学的对话”的精彩推论:如果重物下落快,假定大石头的下落速度为8,小石头的下落速度为4,当我们将两块石头捆在一起时,大石头会被小石头拖着而减慢,结果整个系统的下落速度应该小于8;但两块石头捆在一起,总的重量比大石头还要重,因此整个系统的下落速度应该比8还大.这样,就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论.读到这里,让同学震撼的正是这逻辑的力量!
1.2巧妙的实验探究是理想推论的理论基础
在分析教材的斜面实验的过程中,许多同学容易搞不清这样二个问题:伽利略为何要在斜面上做这个实验,直接自由落体不更好吗?为何要让倾角不断增大?其实这正是体现伽利略在研究自由落体运动规律时采用的二个重要思想:“冲淡”重力的巧妙思想和理想推论的思想.
在伽利略的时代,没有时钟、秒表,更没有打点计时器、抽气泵,今天真空管中“鸡毛和石块同时落地”的结论,不过是后人对伽利略结论的“现代化验证”.那时的时间估算手段是非常原始的滴水计时方式,一来不方便,二来误差很大,尤其是应对短时间计时的时候.因此如何“冲淡”重力,从而“拉长”时间,方便测量或比较,成为伽利略首先考虑的问题,斜面成了他巧妙解决这个问题的工具,从我们今天的观点来看,重力转换成了重力的分力,加速度可以大幅减小,实验过程对应的时间得以明显“延长”,教学中可以让学生通过阅读、讨论、评议等手段来体验伽利略在研究自由落体运动规律时采取的几个重要步骤:
①从“自由落体运动应该是简单的”认识出发,猜想v∝x和v∝t两种可能性,但经过推理判断v∝x不正确,应为v∝t
②从逻辑推理得出检验v∝t即是检验x∝t2
③巧妙设计斜面实验检验x∝t2
从而领会这样的实验探究所带来的二个重要的结论:
①不同质量的小球在同一倾角的斜面上通过相同位移所需时间相同(本质为加速度相同)
②随着斜面倾角的增大,加速度不断增大.
在上面二个关键结论的基础上,伽利略作了划时代的理想推论:当不计阻力且斜面倾角为90°即竖直自由下落时,不同质量的物体将以同一加速度下落.
2学习“物理学史”,更是领会“方法史”
对教材物理学史的解读和体会,并不仅仅停留在前辈的探究历程的重现上,而应上升到总结方法、运用方法、创造方法的层面.
2.1学习“物理学史”,重在总结前人的科学方法
通过教材内容的解读和探究,可以让学生明白:伽利略的探索研究方法,是一种逻辑和实验相结合的科学方法,从而也发展了人类的科学思维方式和科学研究方法.伽利略对运动的研究,不仅确立了许多用于描述运动的基本概念(速度、加速度),而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的科学方法,或者说给出了科学研究过程的基本要素,这些要素之构建正如教材所描述:对现象的一般观察→提出假设→运用逻辑(包括数学)得出推论→通过实验对推论进行检验→对假说进行修正和推广.
2.2要“以史为鉴”,更要“以史为器”
学习物理学史就是为了搞清物理思想、规律的形成脉络,以史为鉴.但要有效地学习和运用物理知识,更需要以史为器,不断创新、发展.物理学上的每一次重大的发现或创造并不是前人研究内容的简单重复,而往往是前人研究手段、思维方法的灵活运用,更多甚至是改革或创新.前辈的经验是一种启迪,是通向成功的一个台阶,但不一定是成功的保证.物理学的核心之一是科学思想方法,前辈在科学探究中为我们留下了许多有实践意义的科学思想方法,学习物理学史要和学习科学思想方法论结合起来,并突出科学思想方法论的教育.
2.3从“小方法”到“大方法”,形成物理思想方法
“学以致用”,科学方法教育在中学物理中的一个重要落点无非是解题和运用的能力.现在中学物理的方法总结得很多,大体有:“整体法、微元法、等效法、对称法、映射法、作图法、补偿法、逆向法……”,举不胜举,这些直观、具体的方法固然重要,但笔者认为,仅关心这些是不够的,许多同学面临实际问题时,还是会束手无策的,心中纵有方法种种,但毫无用武之地,一筹莫展.
其实,物理学科有自身的特点,“图景、模型”是其最大的特点.遇到实际问题时,往往先要考虑问题的性质,弄清物理过程的图景,还原物理模型,分析所给条件,再选用适当的规律.而在这一步之前,也谈不上什么“极限法、特殊值法、微元法”等具体方法的运用.要完成这一步跨越,就要去掌握学习物理过程中所必须掌握的最基本也是最必要的科学方法,这就是要抓住实际问题中的主要矛盾方面,而忽略次要矛盾方面,实现具体事物具体过程的模型化,实现从具体到抽象的飞跃,学会建立理想的物理模型,学会运用概念去设计理想化实验.在具体的解题指导中,侧重于物理过程的分析,侧重于物理条件的讨论,要重分析、重引导、重讨论、重总结,用一系列最基本的思想方法去解决一般乃至于最困难的问题,形成一套行之有效的“物理思想方法”,从这个高度去看各种具体解题方法,不过是掌握了“物理思想方法”之后的必然产物,而这一切,正是科学方法教育的最终目的.
3凸显“科学文化”,渗透“人文文化”
从文化的视角来看,物理学史表示了物理学的思想渊源以及它的传递、发展和继承.它蕴含了具有自然科学特征的科学文化,带有归属于科学范畴的无形思想,有着丰富多彩的内涵,
区别于其他的人文科学与人文文化,尤其是在思维方式上;但正由于科学文化与人文文化的显著区分度,又会令许多教师错误地认为,物理教学只需抓好科学文化教育,无需另外再进行人文文化的教育.
3.1物理学史凸显的是一种科学文化
文化是在不同的历史时期依靠教育来进行传承的.老一辈物理学家创造的科学成果为我们积淀了璀璨的科学文化遗产,通过物理学史的学习,被我们当代人有选择地接受.而这种带来浓郁自然科学特色的文化,其特点主要体现在其传承形式、探究方法、学习手段等方面:
物理学作为一门迅速发展起来的学科,已形成严密的成熟理论、系统的研究方法、独特的思维特性等一整套完整的科学体系,而物理学史正是诠译这一体系的有效平台,借助于教材和史料,可以系统地向学生讲述物理知识,介绍物理方法和历史;与老教材不同的是,新课标的史实分析中,穿插了许多实验细节,教师可以一改往日干巴巴讲解史实的方法,让学生实验探究、观察模拟,使他们从实践中体验先辈的探究历程,体验物理方法的形成,接受物理文化的熏陶,从而使物理学史的教学附属于这些有形的载体;与单元知识章节中只着重体现某一思想不同的是,物理学史的学习中,机械观、时空观、因果观、和谐性、永恒性、对称性、以及绝对与相对、无序与有序等这些无形的科学文化思想的系统体现,清楚地凸显了物理学丰富的科学文化内涵,它是明显有别于人文文化的.
3.2让物理的课堂也充满“人文”的精彩
著名物理学家吴健雄曾指出过:“为了避免出现社会可持续发展中的危机,当前一个刻不容缓的问题是消除现代文化中两种文化……科学文化和人文文化……之间的隔阂.”相比于以往的教材,新课标下的物理学史,也渗透着丰富的人文文化,尤其对体现物理前辈们只争朝夕、百折不挠和献身科学的牺牲精神,谦虚无私、团结互助、共同进取的合作精神,实事求是、一丝不苟的科学精神,这里摘录几段新课标中的相关文字:
牛顿:“我不知道世人怎么看,但在我自己看来,我只不过是一个在海滨玩耍的小孩,不时地为比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴,而在我面前的真理的海洋,却完全是个谜”(必修2之P52).
哥白尼38岁提出日心说、牛顿22岁发明微积分、爱因斯坦26岁提出狭义相对论…许多科学家的重要发现和发明,都产生于风华正茂、思想敏捷的青年时期.富有创新精神的青年,正是科学创新的主体.(必修1之P7).
麦克斯韦对法拉第著作的评价:“他既告诉我们成功的经验,也告诉我们不成功的经验…读者的能力可能远不如他,但是感到的共鸣却常多于钦佩,并且会引起这样一种信念:如果自己有这样的机会,也会成为一个发现者.”(选修3-2之P4).
如果我们对教材中处处流淌着的“人文元素”视而不见,那也是对学科教育资源的一种浪费!而反之,则会让物理的课堂也充满“人文”的精彩!