在中学开设物理学史选修课的几点体会

在中学开设物理学史选修课的几点体会在中学开设物理学史选修课的几点体会上海市东辉外国语高级中学韩建平物理学发展的历史就是人类文明的发展史，重大物理理论的突破，在人类文明发展史上往往起到里程碑的作用。但是在中学物理教学中，由于种种原因，往往对习题教学比较重视，而对物理学史重视不够，教学中花时较少，学生了解得比较肤浅，更缺乏系统性。对于物理学史的认识大都只停留在阿基米德“王冠的故事”、伽利略“比萨斜塔实验”以及牛顿对“苹果为什么落地”的思考等等点滴之中，很难形成系统的认识。在中学开设物理学史选修课，既是对物理课堂教学的深化和补充，又是对学生实施素质教育的一条非常有效的渠道。利用大量的科学史实，让科学家的人格魅力感染学生、让科学家的思想方法深入学生心田，鉴于此，几年来本人开设了物理学史选修课，通过几年的教学实践，取得了良好的教学效果，下面谈几点体会。1.了解物理学史能使学生融会贯通知识的来龙去脉物理学既是一门古老的学科，又是一门发展十分迅速的学科，知识面广量大，体系严密，公式繁多。对物理公式同学们经常忽视适用条件，张冠李戴。其中根本原因是没有搞清知识的来龙去脉，割断了知识之间的内在联系，不能用一条清晰的线索将知识贯穿起来，靠对物理定理，物理公式的肤浅理解，甚至死记硬背去分析解决许多物理问题。这样必然会使学生学习物理带来许多困难。而实际上，在看似庞杂的物理知识之间有着必然的联系，也有一个发展完善的过程。在课堂教学过程中，如果对物理学史缺乏应有的重视，教学的重点放在定律、定理、公式的掌握、应用上，搞题海战术，则对学生综合素质的提高是极为不利的。其结果是学生对定律的认识只停留在其表面上。开设物理学史选修课，就可以弥补学生这方面的不足。以高中力学中动力学为例，在物理学史选修课上，我针对历史上人们对运动和力的关系的认识一直到牛顿定律的最终建立作了比较详细的阐述，在学生对牛顿定律有一定感性认识以后，又从物理学史的角度，阐述牛顿定律的局限性，说明人们对任何事物的认识是不断深化的，永远不会停止在一个水平上；任何公式、定律、定理都有一个适用条件力与运动的关系，古希腊哲学家亚里士多德的观点是：有力作用物体就运动，没有力作用物体就不运动。即：“力是使物体运动的原因”，或者说“力产生速度的原因”。日常生活中人们能见到这种现象：马拉车，车就运动，不用力拉，车就停下来；用力推桌面上的木块，木块就运动，不用力推它就停下来；等等。亚里士多德正以对这些常见现象的感性认识为基础，通过大量的观察，进行归纳和总结，最后得出的结论，这似乎符合人们的认知，所以在长达数千年时间里（时至今日也不乏其人）。亚里士多德的这种观点一直占统治地位。伽利略以于常人不同的洞察力，透过现象看本质，通过斜面实验能看到：沿斜面滚下的小球在水平面上运动一段距离要停下来；水平面越光滑，小球在水平面上运动的距离就越长；伽利略运用科学推理，如果水平面绝对光滑（即无摩擦），小球要在水平面上以恒定的速度持续运动下去，不会停下来，由此提出了物体的运动并不需要外力来维持，从而否定了亚里士多德的观点，伽利略的观点可以概况为：有速度未必有力的作用。物理学史的学习不仅使学生了解了物理史实，更重要的是使学生了解一种重要的科学研究的方法——“理想实验”，要使物体在水平面上以恒定的速度运动不停下来是无法实现的，但伽利略利用斜面实验再加上科学的推理是合理的，所以伽利略是开创科学物理研究方法的先驱。牛顿在总结他们研究成果的基础上，提出了“力是改变物体运动状态的原因”这一正确结论，也可概括为：“力产生加速度”。“我之所以看得更远，是因为我站在了巨人的肩膀上。”正是这段物理学史的真实写照。为了更好的理解他们的观点，再通过一道例题让学生体会一下。例题：一物块从高为h光滑斜面上滑下，进入水平面，物块与水平面间的摩擦因素为μ，求物块在平面上运动的位移。解：mgh=μmgss=h/μ问：若水平面光滑，则s等于多少？光滑即μ＝0，则s＝h/μ→∞即：物体会一直运动下去，这不正是伽利略的观点吗？2.物理学史的学习能培养学生的思维能力物理学科是一门对思维能力要求较高的学科，物理学家在分析、研究问题时独特敏锐的思维，能强烈的震撼学生的心灵。基于此，在物理学史选修课上可对科学家的思维方法与同学们进行相应的探讨：以伽利略对自由落体运动的研究为例，自由落体到底是一种怎样的运动？古代学者亚里士多德认为：物体下落的快慢由物体本身的重量决定，重的物体下落的快，轻的物体下落的慢。伽利略用简单明了的科学推理，巧妙地揭露了亚里士多德的理论内部包含的矛盾，伽利略指出：根据亚里士多德的理论，设单独下落时，较重的物体A速度大，较轻的物体B速度小，如果A与B之间用一根线连起来，由于A物速度比B物大，A物将拉着B物下落，使A物的速度比原来小，B物的速度比原来大；如果将A和B看作一个整体，则A和B整体比重的物体A更重，则整体的速度要比重的物体A的速度更大。伽利略用简单明了的科学推理否定了“重的物体下落的快，轻的物体下落的慢”的观点。伽利略的思维过程是怎样一步一步地向前推进，最终得出正确的结论的？我首先让学生考虑这么一个问题，伽利略在对自由落体研究中遇到的最大困难是什么？学生们有的回答说是：无法测量加速度，有的说是：无法测量瞬时速度，有的说是：无法测量很短的时间。实际上他遇到的最大困难正是，在当时的技术上是无法测量短暂的时间，那么怎么解决这个问题呢？一方面伽利略想出了各种各样的办法来测量短暂的时间。比如：用自己的脉搏，用滴水，用沙漏等等。另一方面他改用间接方法，通过在阻力很小的斜面上实验，使时间变长，易于测量，并将结论合理外推，设想斜面的倾角增大到900不就是自由落体运动了吗？伽利略用简单明了的科学推理，巧妙的解决了研究中碰到的难题。这对同学们是很有启发的。首先，在研究分析某一问题时必须先找准解决问题的关键在哪里，“短暂时间的测量”。然后，在技术手段不可能直接解决问题的情况下，通过间接的方法来解决问题，先证明斜面上物体的运动匀加速运动，当倾角是90°时即是自由落体运动。最后再运用科学推理得出结论。“自由落体运动仍然是匀加速运动”。一个普普通通的斜面，伽利略一次用在“理想实验中”，否定了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的观点，一次用在对自由落体运动的研究中，否定了亚里士多德“物体越重，下落越快”的观点，这位物理学发展中开辟道路的先驱者，他的思想方法对培养中学生思维能力，犹如绵绵春雨，润物细无声。3.物理学史的学习有助于培养学生正确的科学观和献身精神科学家能够在科学研究中取得成绩与他们正确的科学观是分不开的，培养学生正确的科学观是中学教学（特别是物理教学）重中之重的任务，物理学史学习便是培养学生科学观的绝好途径之一。譬如说：科学家都有一个共性：那就是“质疑”。我们应该培养学生的“质疑”精神。长期的应试教育使我们的学生都习惯满足于利用教师讲解的方法解决所给的问题，而不擅长发现问题、提出问题。对书本上的观点很少去怀疑它，面对权威缺乏挑战精神，简言之，学生缺乏“质疑”精神，这体现了学生缺少“创新”能力。通过在物理学史选修课中“原子结构”这段内容的学习，学生们深深感悟了科学家的“质疑”精神，“原子”一词，它的希腊原文意即不可再分割。它意味着人们历史上认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。而电子的发现彻底打破了这一神话，汤姆逊发现电子的过程是从“质疑”开始的。１９世纪末，一种叫“阴极射线管”的装置风行欧洲。它实际上就是今天电视机上显象管的前身。由于阴极射线发出的绿色荧光在黑暗中给人一种神秘的感觉，所以当时的有钱人争相把他们挂在客厅里，供客人们观赏。科学家对此也感兴趣，都想弄清楚从阴极发射出来的光究竟是什么？大多数科学家认为，阴极射线不过是一种特殊的光线，因为在抽成真空的玻璃管里空气已经不存在了，除了光线还会有什么东西横贯其中呢？有两位英国物理学家对此表示怀疑，他们认为阴极射线不是光线，而是一种带电的“原子”。这两位科学家是克鲁克斯和汤姆逊。接着，克鲁克斯做了一个实验，他把一块很大的马蹄形磁铁放在阴极射线管的中部，结果阴极射线偏转到一边去了，而原先它们是笔直的射向阳极正中的。汤姆逊改用电场，做了更精确的实验，再次证实阴极射线不是光线，而是一种带电的“原子”流。并测出了其荷质比，居然是当时认为最轻的带电氢原子（氢离子）的１８３６倍。一种新的粒子——“电子”被发现了。电子的发现打破了原子不可分割的神话，拉开了探索原子结构的序幕。设想克鲁克斯和汤姆逊没有“质疑”精神，人云亦云，是不可能取得这样重大的发现的。相反的例子则是小居里夫妇错失发现中子的良机。１９３０年，科学家们发现放射性元素钋（Ｐo）发出的α粒子轰击铍（Ｂe）时，会产生一种看不见的射线，这种射线的贯穿本领极大，当时认为这种不带电的粒子可能是能量很高的γ射线。１９３２年，小居里夫妇用这种射线轰击石蜡时，从石蜡中打出了高速的质子，经过计算，质子的能量是巨大的。然而，他们对这种“不带电的射线是能量很高的γ射线”的判断还是没有产生怀疑，出现在眼前的机会就这样丧失了。实际上，能从石蜡中打出了高速的质子这样巨大能量的“γ光子”，本身必须具有５５ＭeV（兆电子伏）的能量，γ光子是不可能具有如此大的能量的。后来，查德威克经过实验和研究，证实它就是卢瑟福预想的中子。物理学史告诉我们，任何重大科研成果的取得，都是科学家百折不挠的毅力和艰苦卓绝的付出的结果。通过物理学史的学习，能培养同学们不畏艰险，勇于攀登，追求真理，为科学献身的精神。而现在的中学生，大多都是独生子女，畏难、怕吃苦是通病。在学习中表现是：看到难题就头痛，碰到计算过程复杂就嫌烦，没有坚韧不拔的毅力，譬如：居里夫人发现镭的经历，可以说是给学生很好的教材。居里夫人为了找出新的放射性元素，她和丈夫在一间破烂不堪的小棚里，艰苦工作了四年。他们冒着刺鼻的浓烟把沥青铀矿烧融，然后用沉重的铁棒在大锅里搅拌几个小时，再一勺一勺的处理沥青，把里面放射性物质挑出来，一点一点地处理了成吨的铀矿，再对挑出来的东西加以提炼和浓缩。笨重的体力劳动加上刺鼻的浓烟，还有放射性射线辐射，对人的健康损害极大。但是，为了科学研究，居里夫妇以无比坚强的毅力和耐心，不分昼夜的工作，终于制得了0.1克新的放射性元素“镭”。从几百吨的沥青铀矿中，找出０.1克的物质，真可谓大海捞针，他们身上体现出为科学而献身的精神，正是当代中学生所要学习的。4．物理学史的学习能增强学生学习动力，激发报国热忱通过物理学史的系统学习，伽利略、牛顿、瓦特、焦耳、帕斯卡、欧姆、安培、法拉弟、居里夫妇、爱因斯坦……闪光耀眼的名字，激动人心的理论无不震撼着同学们年轻的心灵。然而，我国是有着五千多年历史的文明古国，有着能引以为荣的四大发明，但在近代物理学发展史上却难觅一席之地，象征着一个国家国力不强，正因为如此，近代史上国家倍受列强欺凌、国土惨遭践踏和瓜分、国民被侮为“东亚病夫”。当今的中学生正肩负着科技强国和中华民族伟大复兴的历史使命，也正处在世界观、人生观的形成和知识积累的关键阶段，我们要学习西方现有的先进科学文化知识，更重要的是通过类似于物理学史知识的学习，掌握科学研究和探索的方法，要有所创造、有所发明、争取对人类有所贡献，为使我国早日成为现代化强国贡献自己的聪明才智。综上所述，在中学开设物理学史选修课，既是课堂教学的补充，又是课程资源的开发；既是对学生科学知识的教育，更是对学生科学思想，科学方法，科学精神的培养。让科学精神感染着每一个学生，激励他们为科学而献身。