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生动、真实、人文的物理学
2008-08-22 17:00   点击次数:160
  摘要:物理教学不仅要给出物理事实,物理规律,而且要对学生进行科学思想与科学方法教育,同时还有人文教育。本文重点旨在阐述物理学史在培养学生兴趣、习惯、科学精神、和帮助学生领会物理知识等方面的功能,在落实新课程标准中的三维目标的独特作用。由此阐明物理教学中进行物理学史教育的必要性。
  关键词:物理教学 物理学史 兴趣 习惯 科学精神 人文教育
  物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程.任何一个具体的物理知识和理论体系都是汇集许多人的研究成果而建立起来的,常常是几十年、甚至上百年的努力才能迈出有意义的一步,它包含着认识论和方法论的因素,包含着探索者的艰辛与悲欢,又体现着认识过程中理论与实践、继承与突破、理性与非理性的辨证统一,因而也包含着丰富的"教书育人"的教育因素,很多物理教育家指出,物理教学不仅要给出物理事实, 物理规律,而且要对学生进行科学思想与科学方法教育。由于物理事实,物理规律具体,较容易把握,而科学思想与科学方法隐含在其中,较为抽象,因此容易被我们忽略。物理学史含有的极为丰富的科学思想,科学精神与人文思想,是进行素质教育的极好的内容,能够培养学生多方面的能力,是进行物理教学十分必要的一部分。因此,在高中物理教学中引入物理学史教育具有非常重要的意义。
一、有助于激发学生学习物理的兴趣,培养良好的学习习惯,树 立勇于探索的献身精神。
  只有当学生对学习有了兴趣,才能表现出学习的自觉性、主动性,才能在学习中发扬开拓和探索精神,以顽强的毅力去克服学习中遇到的困难。这就要求我们在教学中,不仅要把日常生活、生产劳动中发生的现象、问题与教材紧密联系起来,使学生认识到学习的现实意义。还须把历史引入教学中讲清科学发展的曲折性,让学生们充分认识到,科学的道路是不平坦的,科学家成功之路是艰险的,要准备付出比常人更多的精力和代价,必须有热爱科学、献身科学的精神,要善于继承又勇于创新,才有可能取得成功。把科学理论的建立,科学发现的过程,科技发明对人类社会发展的贡献用生动事例展示给学生。并通过了解物理学家的生平、各学派间的争端以及尚未解开的物理课题来激发学生学习物理的兴趣,让学生从中学习到物理学家严谨的科学态度和科学的思维方法,不断提高自身科学素质、养成良好的学习习惯,变被动学习为主动获取知识。例如,牛顿是举世公认的伟大科学家,在高一一开始以专题讲座的形式,介绍牛顿的生平及其科学研究历程,从而消除了科学研究的神秘感,拉近了科学家与学生的距离,激励他们把对科学家的崇拜转化为刻苦学习的动力。科学的精神是创新的精神。“创新是民族的灵魂。”创造是人的本质。第三次教育工作会议明确指出创新精神与实践能力的培养是实施素质教育的重点同时,通过对物理学史的回顾,使学生消除对已有物理知识来源的神秘感,了解科学技术发展的过程,懂得任何一个定律的发现和理论的建立既与社会生产力密切相关也受到物理学发展内在规律的制约,任何一部分物理知识的获得都离不开实验,可靠的、精确的、可重复的实验是物理学中决定一切的基础。科学的态度是实事求是,一丝不苟的态度。卢瑟福在用 α 粒子从氮14 中打出质子后,为了证实这实验结果,英国物理学家布拉恺特在充满氮的云室里重复了这个实验,拍摄了两万多张云室照片,他又从四十多万条α 粒子径迹的照片中寻找到了8 万条径迹产生了分叉,再对径迹分叉情况进行了分析,方才确认为卢瑟福实验的正确性。卢瑟福及其助手在做α 粒子散射实验时发现,平均八千个入射的 α 粒子中只有一个获得大角度的偏转,从而得出了“绝大多数”,“少数”,“极少数”的结论,进而提出原子的核式结构模型。居里夫妇在成吨的沥青铀矿中寻找微量的放射性元素,结果他们发现了钋和镭,获得了诺贝尔物理学奖。再如,在进行牛顿运动定律的教学过程中,讲述运动定律的建立时,在教学中介绍除牛顿外,许多物理学家作出了骄人的贡献,并引用了牛顿的一句话:"之所以有如此巨大的成绩是因为我站在了巨人的肩膀上"。最后向学生提出一个问题:你们说这句名言说明了什么?学生们反应极为活跃。"牛顿具有极谦逊的精神";"牛顿揭示了科学理论和规律的连续性";"牛顿有着我们今天常说的实事求是的态度"……虽然学生的反应不一、见仁见智,学生们思维活跃起来,思想上受到了自然而然的启发。
  因此,了解物理学史可提高人们进行科学创造的自信心和自觉性,这对于培养学生实事求是的科学态度和创造力有着十分重要的意义。同时,物理学史中有许多科学家为真理献身的动人事迹,如伽利略为宣传哥白尼的日心说而被教会终身监禁,利赫曼为引雷电而捐躯,居里夫人为研制放射性而作出了巨大的牺牲,法拉第舍弃荣华富贵,几次拒绝接受封爵而甘心做一名"平民法拉第",亚里士多德富有批判和怀疑精神等。在讲述天体的运动时,给学生讲解布鲁诺这位出身贫苦,但具有顽强意志的科学家,因受到当时欧洲文艺复兴思想的影响,他极力倡导思想自由,宣扬无神论,坚持哥白尼的日心说而激怒了当时的教庭,教庭对其进行了长达七年的审讯,最终被判处火刑。布鲁诺在临刑前,坚毅地走向火堆。他留下的最后一句话是:"他们宣判时的恐惧,胜于我走向火堆"。学生听后深受震撼。一位学生在笔记中写道:从布鲁诺的故事中,我深刻地认识到,科学家的伟大之处不仅在于他发现了什么和发明了什么,更重要的是他们都具有的追求真理的执着精神和崇高的境界。这些科学家不畏艰险,不惜生命,不慕利禄,不怕权威,追求真理的高尚品质,有利于培养学生实事求是的科学态度、献身科学的探索精神,为以后的学习和研究打下良好的基础。
二、有助于对物理知识的理解和把握。
  光记住一些物理概念,数据,定律和公式,并不表示真正理解了物理学,因而科学的主体并不仅是它所获得知识的多寡与深度,更重要的在于“探索”,对物理学知识的实质的全面理解,包含着对物理学理论发展的动态性以及对物理学理论的相对真理性的认识。正像钱三强教授在为《物理学史》作序时所写:“科学上没有平坦的大道。我们要通过物理学史的介绍,向学生讲清楚,科学经历的是一条非常曲折、非常艰难的道路。然而,我们的教师在对学生进行教育的时候往往是应用经过几次消化了的材料来讲授,或者经过抽象的理论分析加以表述,把已有的知识系统归纳,形成简明扼要的理论体系,这当然是必要的,但是这样的教学方法,往往会使学生对科学概念的产生和发展引起误解,以为什么结论都可用数学推导出来,失去了对观察和实验的兴趣。这样的结果使学生们不了解科学是怎样来的,时间长了,等到他自己从事教学时就很容易把科学当作一门死科学来教。今天我们科学界有一个弱点,这就是思想不很活泼,这也许跟大家过去受的教育有一定关系。”
  在物理教学中,应该结合物理学史讲清理论的由来和发展,讲述它的成功,讲清它解决了哪些问题,但也要讲清它的缺陷和局限,讲清它存在的矛盾和发展前景。在现代物理学发展的各个领域和各个时期历来都有人做出发现已进尾声的预言,但物理学发展的历史却表明每一个领域都会涌现出激动人心的新发现。可以肯定,在今后的年代里,一定会更加频繁的出现人们难以预料的新发现,物理学史永远是一个充满生机和活力的学科,它永远不会老化和僵死,永远不会停止探索的步伐。根据教材编排特点,分单元讲解、分析发展史不仅有助于学生了解各概念、定理、定律的来龙去脉和科学知识的运动过程,而且有助于学生按现有的形式和体系来理解和把握物理知识,从而逐步掌握正确的科学思维方法。例如,在讲到力的概念时,从古希腊的亚里士多德,到伽利略、牛顿,循着伟人的研究历程,从而加深学生对力的概念的理解,在讲高二年级"电磁感应"的时候,以奥斯特发现电流的磁效应为线索,向学生介绍人类对磁及电和磁关系的认识过程。通过讲解安培、法拉弟、楞次和麦克斯韦等人在揭示电磁关系工作中的艰辛努力和所取得的成果,使学生在有了对电磁发展总体认识的基础上,加深对教材的理解和对左、右手定则、法拉弟电磁感应、楞次定律等关键点的把握。物理学是一门以实验为基础的科学。通过实验,形成假说,构建模型,再经实验的检验, 修正假说与模型,使其逐步完善。如汤姆逊的枣糕式原子模型,卢瑟福的核式原子模型,玻尔的半经典半量子的氮原子模型都有其实验基础,因而都有可取的一面,但是由于它们解释不了新的物理事实,因而前一原子模型被新的原子模型取代,人类对原子结构的认识得到深化。
三、有助于对学生进行爱国主义教育
  我国是世界四大文明古国之一,在物理学的理论和实践上有着辉煌的成就。例如,在理论著作方面,《墨经》中对力学、光学的论述;《天工开物》中关于简单机械的记述;《梦溪笔谈》对地磁偏角的论述,《论衡》中关于简单电现象的记述《考工记》中关于工程技术,声音传播的记载等在当时都是遥遥领先于世界各国,就是在今天仍有参考价值。在实用技术方法,更是举不胜举。指南针、地球仪、浑天仪、船闸、石拱桥、火箭等,都是我国最早发明的。教学中结合教材内容,介绍我国在物理学方面对世界的杰出贡献,可以使学生了解祖国古代灿烂的文化,激发他们的民族自尊心和自豪感。
四、有助于学生树立辩证唯物主义观点。 
  物理学发展的历史表明:物理学的发展与人类哲学理论的发展有着极为特殊的密切关系,中学物理教学内容中,概念、定理、定律充满了辩证唯物主义内容。在教学中,有意识地用辩证唯物主义观点去分析物理学发展历史,阐明概念、规律。结合物理学特点,进行物质第一性、物质的运动性和对立统一、量变与质变、否定之否定规律的教育,可以使学生从中领会其中所包含的辩证唯物主义观点。例如介绍爱因斯坦的相对论时,我们就可以把"新生事物不可战胜"这一哲学观点渗透进去,讲到万有引力定律时可将"物质是普遍联系的"这一哲学观点渗透进去。
五、物理学史对学生人文精神的提高将产生十分深远的影响
  人文精神是“爱”的精神:热爱科学,热爱科学事业,热爱自己的祖国。居里夫人和她的女儿长期从事核物理研究,将自己毕生的精力奉献给了科学事业,并三次获得了诺贝尔奖,最后均因长期接触放射物质而死于白血病,因而人文精神也可以说是一种献身精神。爱因斯坦就曾说过:“人只有献身于社会,才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。
  人文精神还体现为团结,合作,民主的精神。曾任卡文迪什实验室主任的汤姆孙总是把他所知道的和所能想到的全部告诉助手和学生,甚至把他自己设计的方案无代价的给予学生。他创立了每两周一次的学术讨论会制度,在他任期内共培养了84 位物理学教授,27 名英国皇家学会会员,诺贝尔奖获得者7人。
  当前,从世界范围来说,教育已进入了一个新的发展时期。随着社会信息化步伐的加快和高科技的加速发展,教育从人文科学到科学化再走上科学化与人文兼容互补的历史发展轨迹。在现代科学教育与人文教育的结合上,科学史是可以起到桥梁作用的一门科学。
  物理学史本质上是一门历史科学,它以人类与物理世界对话的历史为研究对象,所以它必然融合了与物理学有关的自然科学以及与人类思想,社会历史发展有关的文史哲的多学科知识,是一门自然科学,人文科学,社会科学,思维科学紧密交叉渗透的综合学科。正是这种特性,决定了物理学史在进行科学教育与人文教育的特殊作用。
  人类在这个世界上主要是通过认识自然,改造自然和利用自然而求得自身的生存和发展,所以包括物理学史在内的科学技术史——人类认识自然,改造自然和利用自然的历史,才是人类历史的核心和真谛。科学技术史是人类文化发展的一个重要组成部分,它使人们对过去感到自豪,对现在怀有责任感,对未来充满信心。在物理教学中,应使学生正确认识物理学的进步对人类社会发展的重大作用,从而激发起对物理学的兴奋感情,确立顽强学习刻苦钻研物理知识的决心,一个有效的方法就是学生对物理学发展的历史有所了解,对物理学上的重大突破在人类认识史上所产生的震撼人心的冲击以及在人类社会发展史上所引起的重大技术变革有所了解。从另一方向来看,科学技术的进步也带来了一些人们当初不曾料到的负面效应,如环境污染,生态失调,自然资源过度消耗等;原子能的实际应用,最初是以毁灭性的杀人武器的形式出现的。对这些史实的了解,必将增强学生的社会责任感,使他们“学会关怀”,关怀社会,关怀全球的发展,关怀人类的命运,关怀人类社会的持续发展问题。
  教学实践告诉我们,不仅要教给学生现代科技所必需的系统的物理知识,还应教给学生科学的学习和研究方法,科学既是一种人类的知识体系又是人类认识世界的一种方式和探索过程,而通常的科学方法都贯穿在物理学发展的过程中。物理学具有很强的继承性,许多科学家就是从对本学科的历史研究中,开始自己的创造活动的,牛顿说过:"如果说我比别人看的远一点,那是因为我站在巨人的肩上"。不仅牛顿如此,凡是作出重大贡献的物理学家都是善于批判和继承的,学习物理学史有助于活跃思维,增强胆识,使学生更自觉地继承前人的事业,有效地进行学习研究,现在,高中课程设置已将"研究性学习"纳入新的课程体系,通过物理学史进行科学方法教育变得尤为重要。
 参考文献
(1)柴永泉,《著名物理学家的教育思想》,《物理通报》,1998年5月。
(2)李艳平,《物理学史与科学素质的培养》,《物理通报》,1998年10月。
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