引入物理学史可以提高学生的科学素质

摘要:提高学生的科学素质是中学物理新课程标准的重要内容之一。在中学物理教学中引入物理史,不仅有利于学生理解、掌握物理知识,也有利于学生养成科学的态度、学习科学的方法、提高创新的素质。
　　
　　关键词:物理教学物理学史科学素质
　　
　　素质教育要求的是科学教育,科学教育则以提高学生的科学素质为根本目的。所谓科学素质是指包括科学知识、科学思想、科学态度、科学方法及创新意识等多方面的素养。在中学物理教学中引入物理学史会对提高学生科学素质起到积极的作用。
　　
　　1.引入物理学史有利于学生理解和掌握物理知识
　　
　　物理知识包括物理现象、物理概念、物理规律及其应用等几方面。而物理学赖以形成的物理概念,以及构成物理学基本框架的物理规律是物理教学中的重点。在以往的物理教学中,对物理学概念、规律的教学标准主要是放在讲清内涵、外延以及相关概念、规律间的联系与区别上。这种教学方法,注重的是教学的状态,着眼的是教学的结果,而忽视了教学的过程,即忽视了物理概念、规律的形成和发展过程及方式。这不仅不利于培养学生的正确思维方法,也不利于能力的培养,对物理概念、规律的深刻理解也是不利的。比如学生对运动的两种量度(动量与动能)的认识,即使在物理力学部分学完之后,也很难有一个清醒的认识。但若能将历史关于这两个量的争论(长达半个世纪之久)引入教学,可以使学生轻松地理解、掌握这两个概念,清楚动量是以机械运动形式来量度机械运动;动能是以机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力来量度机械运动。也就是说,动量适用于量度持续的机械运动,没有发生运动形式的转化(包括动能向势能的转化);动能则适用于量度消失了的机械运动,以相当的其他运动形式的能量出现。还可以使学生认识到运动的不灭，不能仅仅从数量上去把握,而且要从质量上去理解,必须从运动形式的多样性、运动形式之间的相互转化及转化能力的无穷上去理解[1]。这样的教学还使学生认识到只有以辩证的思维为指导,运用基于科学事实的科学分析方法,才能使问题得以解决。
　　
　　2.引入物理学史有助于学生了解物理思想及物理观念的变革
　　
　　对物理学史的研究表明,物理学的每一个重大理论的发展,多数是建立在基本观念和思想方法的演变基础之上的。20世纪是物理学发展最快的世纪,这一时期的物理思想和观念的变革最为引人注目。有人曾将其总结为六个大的方面:①由牛顿力学所引发的认为所有的事物都精确的、有规律的运动着的确定性向由统计规律和概率随机性等的不确定思想转变;②由经典物理规律中物理量的连续性向以量子假说所揭示的能量等的分立性转变;③由认为万物都由极小物质单元的原子所组成的“构成论”向粒子相互作用而产生新物质的“生成论”转变;④由原来的试图用孤立的力学、能学、电磁学等分别独立归一的物理世界图景向用物理相互作用统一的物理世界图景的转变;⑤由经典物理追求“简单”的思想向与非线性、非平衡、不稳定性、涨落、分岔、无序等相联系的复杂性转变;⑥由原来的主体与客体相对孤立的“静观”思想向主、客体相互作用的“参与”思想的转变[2]。这些思想方法的转变,若不从历史发展的角度,而单从静态的物理结论是很难看出来的。例如人们对光的本性的认识,从人类认识的发展过程中就很容易看出物理观念的转变过程。开始牛顿、惠更斯等人在经典物理学的框架内分别提出了“粒子说”和“波动说”,分别认为光是实物粒子和机械波,它们虽然都能解释一些光学现象,但在解释另一些光学现象时却遇到很大困难,致使两种学说争论长达一个多世纪;杨氏双缝实验使波动说略占上风,但不久就被新的物理现象--光电效应所否定;直到爱因斯坦大胆地将量子观点引用过来,提出光量子说,才成功地解释了光电效应和以上矛盾,人们不得不转变观念,将经典物理中无法统一的波与粒子在微观世界里统一起来,形成了现在人们认识到的“波粒二象性”,即微观粒子是具有粒子性又具有波动性的(但不是经典的波,也不是经典的粒子)特殊的客体。
　　
　　科学发现是一个非常复杂的过程,直到现在也很难说已经把它弄得十分清楚。但有一点可以肯定,那就是由于科学发现往往是具有创造性的新东西,所以往往在科学发现的过程中,并没有什么逻辑推理可言,因而也很难归纳出逻辑推理过程。越是具有创造性的东西,越是如此。对于那些根本性变革的创造,就更无逻辑推理可言了,如能量子概念、相对论、电流磁效应、电磁感应、大统一理论等,有许多是建立在科学信念或人的思想观念上的。将物理学史引入中学物理教学,将会使学生了解到很多这方面的例子,对培养学生的创新意识,将来从事其他科研工作都是非常有意义的。
　　
　　3.引入物理学史有助于培养学生的科学态度
　　
　　科学态度是指人对自然、对科学本身的基本看法,包括科学的自然观、世界观、价值观与审美观等。科学态度对人的认识与实践活动有决定性的导向作用,是科学素质的核心要素。如果只是通过单纯的说教或灌输的方式将很难达到培养学生正确的科学态度的目的,而通过物理学史中大量的科学家们的生动事例来启发、感染学生将是一个良策。
　　
　　例如,开普勒尽管十分喜爱哥白尼的圆运动模型的美,但他还是抓住哥白尼关于火星偏心圆轨道理论与第谷观测数据8弧分的误差不放,以科学家一丝不苟的态度,宁可痛苦地放弃天体运动一定是匀速圆周运动这一古已有之的美学原则,也不允许自己用一些无根据的假设去掩盖这个矛盾,最终正确勾画出天体运行的宏伟蓝图。若给学生介绍开普勒所处的时代,在所谓的“理论”中根本没有测量的地位,测量只不过是三教九流之间流传的“技艺”而已,是不能入“理论”大雅之堂的,学生就会更加佩服开普勒,认识到他相信测量事实的科学态度是何等的难能可贵了。
　　
　　4.引入物理学史有助于学生学习科学方法
　　
　　科学素质的核心是学习能力,而能力与方法是密不可分的。掌握科学方法的过程往往也是培养能力的过程,解决问题的过程也正是能力外显的过程。比起任何特殊的科学理论来,科学的方法论对人类的价值观影响极大。英国物理学家波恩在获诺贝尔奖时曾说:“我荣获1954年的诺贝尔奖与其说是我工作里包括了一个自然现象的发现,倒不如说是那里面包括了一个自然现象的新的思想方法基础的发现”。科学技术的发展充分证明了物理学的方法与理论形式一直是其他学科效仿的榜样。物理教材涉及到几十位物理学家,他们在取得伟大成就的过程中,所运用的科学研究方法和实验构思精巧绝伦,为我们提供了取之不尽的科学方法教育素材。结合教学内容介绍物理学史上科学家研究物理学的科学方法,作为学生学习的范例,无疑是实施科学方法教育的一条重要途径。物理学中的方法丰富多彩,除了观察和实验以外,还涉及到科学的抽象、理想实验的方法、基本的一些逻辑方法、假说和模型方法、数学方法,当然也少不了理论思维的方法。
　　
　　比如,伽利略对落体的研究,是用逻辑推理与理想实验的研究方法得到落体运动规律,从而否定了统治人们上千年的亚里士多德的观念。库仑定律是在借鉴了万有引力定律,事先有了平方反比的概念后采用类比方法得以建立的;欧姆用水流和电流进行类比的方法总结出欧姆定律。电的同一性的实验论证是比较性推理和实验性比较的一个典型例子。普朗克量子假说的提出采用了溯因推理法即他从一个正确的推论出发,一步步寻求得出这个结论最初的理论依据。海王星的发现则是理论预言在前,观察实践在后,演绎推理指导观察实践所取得的辉煌成果。能量守恒和转化定律的确立,是从个别的理论和实验,通过个性(即特殊性)揭示出自然界最一般规律(即共性)的,是归纳推理的具体应用。中微子的发现又是泡利成功地应用演绎推理的结果。开普勒行星运动三大定律的发现,是和谐的思想加数学方程的结果,也正是他开创了用数学方法表达物理定律的数学物理时代。我们将这些方法灵活机动地在教学中适时引入,可以使学生在掌握知识的同时掌握科学方法,提高学生的科学素养。
　　
　　5.引入物理学史有利于培养学生的创新素质
　　
　　物理学的发展史,就是一部创新史,它的每一个新发现,新理论的形成,都蕴涵着科学家的创新活动。教学中引入物理学史,可以使学生领略科学家们的一系列创造性活动,对培养他们的创新素质将起到重要作用。
　　
　　人类对原子结构的认识可以很好地说明这个问题。1897年,汤姆生发现了电子。这一重大发现使人们认识到原子是有结构的,它不是最小的终极粒子。因此人们创造性地提出了各种原子模型,其中较有影响的是汤姆生的蛋糕模型。这一模型被卢瑟福的α粒子散射实验所否定,于是出现了卢瑟福的核式结构模型,该模型虽然解释了一些现象,但在对原子的稳定性进行解释时却发生了与经典电磁理论的矛盾。为此,玻尔又创造性地将普朗克的量子概念引入原子结构理论,提出了著名的玻尔原子模型。但由于这一模型是半经典,半量子化的,所以在解释比氢原子稍复杂的原子行为时遇到了很大困难。是索末菲创新性地将经典理论完全抛弃提出了完全量子化的原子结构理论才使这一问题得到解决。可见,人们对原子结构的认识经过了不少人的创新活动,才使问题的认识一步步接近真理,离开了任何前人的创新成果都是行不通的。
　　
　　以往的教学不注重培养学生提出问题、解决问题创新能力,往往只教给学生确凿的定论,只注重运用现成的物理知识去解决抽象的,脱离实际的习题的能力,很少将注意力集中在“思”的方面,忽视科学内在的精神气质的作用和影响。这样的教育极大地限制了学生的创造性,学生不会也不能够创新。在物理学发展过程中,人类对每一个物理现象的认识过程,都可能有充满失败的艰辛,由于错误观念而引发的弯路,还有科学思维火花的闪现而带来的成功的喜悦。物理学史体现出真正的富有人情味儿的研究过程,具有丰富的创新思想,创新精神和智慧,将其引入教学无异会对培养学生的创新素质起到潜移默化的积极作用。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]张瑞琨,谭树杰,陈敬全著.物理学研究方法和艺术,上海教育出版社,1995,8.
　　
　　[2]程民治.论20世纪物理科学思想的进化,现代物理知识,12卷2期.