新课程背景下物理学史的教育功能

一、物理学史的引入可激发学生尝试科学探究与实践的兴趣

新课程重视科学探究对激发学生的求知欲,使学生受到科学方法的训练,培养学生良好的科学素质、创新意识和创造能力方面的重要意义.科学探究的要素包括:提出问 题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作.物理学史中这方面的例子很多,如在讲到法拉第电磁感应定律时,通过相关物理学史的介绍,使问题的引入自然.1820年,奥斯特发现电流的磁现象不久,英国实验物理学家法拉第从朴素的辩证法思想出发,于1821年提出“磁”能否产生“电”的想法.经过十年的精心实验研究,终于在1831年发现了电磁感应现象:只要穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化,回路中就会产生感应电流,总结出了电磁感应定律.这一定律成为发电机的理论基础,开创了人类利用电力的新时代.

二、物理教学中穿插物理学史有助于学生全面理解物理规律

物理规律(包括物理定律、定理、原理、法则、公式等)反映了物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的规律.在进行物理教学时,为了让学生最有效地掌握好物理规律,应使其对物理规律的建立过程有一定的了解,这就需要教师经常把物理学史知识渗透到物理教学之中.这是由于物理学的创立和发展是具有连续性的,后人的研究工作总是以前人的研究成果为基础,重要的物理规律都是经历了艰难和曲折的历史发展过程的.让学生了解这些规律的发现过程,会对学生学习物理规律、形成严谨的工作态度和作风产生重大的影响.例如在讲述万有引力定律和牛顿运动三定律时,可以给学生介绍当时的社会背景:l6世纪以后的欧洲,由于航海、战争和工业的需要,大大地促进了力学的发展,推动了对天体的观测和研究.波兰的天文学家哥白尼对天象进行了长期的观测,获得了大量的观测资料,在对这些观测资料进行了整理和分析后,提出了“日心说”的理论体系,推翻了统治天文学领域一千多年的托勒密“地心说”体系,打开了自然科学的大门.继哥白尼之后,丹麦天文学家第谷以他惊人的毅力和毕生的精力对行星的运动进行了精确地观测,并采集到大量的观测数据,这为他的学生开普勒的进一步研究打下了良好的基础.开普勒有着丰富的想象力和杰出的数学才能,在整理和研究第谷所观测到的数据中总结出了开普勒三定律.

伽利略在研究落体实验中创立了运动学的基本理论,并把观察实验、数学推算和逻辑论证有机地结合起来,揭示了力和运动的本质联系,得到了落体定律和惯性定律.伽利略创立的这种研究方法有力地促进了物理学的发展.惠更斯继承了伽利略的研究工作,导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式,并对碰撞问题作了详细的研究,为作用和反作用定律的建立准备了条件.从哥白尼开始,经过第谷、开普勒、伽利略、惠更斯、笛卡儿等人前后约两百年的探索,才有牛顿站在巨人的肩膀上,天才地、创造性地总结出了万有引力定律和牛顿运动三定律.至此,完成了物理学上的第一次大综合,把自然界的机械运动归为一体.

三、物理学史加强科学研究方法教育,可培养学生的辩证唯物主义世界观

物理学是一门实验科学.正如丁肇中教授所说:“物理学是从物理实验中产生的.”在实验课中引入物理学史,一方面是提高实验效果;另一方面是从历史上道出相关理论的产生、发展、验证和形成的过程,通过史料知识把相关的理论知识连成网络,形成知识面,从而可以使学生更好地理解物理学中理论和实验的辩证关系,物理学发展与社会生产和科学技术发展的辩证关系,使学生不仅理解物理概念、定律和原理这样一些科学成果,而且理解获得这些科学成果的基本过程.

物理学最基本的研究方法是:假说——实验——理论(或新假说).科学家在研究问题时,一般根据以往的观察、实验或各种实验得来的知识进行推断,得出初步的结论,这就是“假说”.为了验证假说是否正确,需要进一步“实验”,如果大量的实验结果证明假说是正确的,这种“假说”就上升为“理论”;否则,就要被修改、补充或放弃“假说”而提出“新假说”.“新假说”还要接受新的实验的检验,一旦新的实验证明“新假说”在某一领域不正确,就要被“更新的假说”所取代,这就是科学发展的一般规律.利用物理学史知识,结合教材,可以加强这方面的教育.如20世纪初关于原子结构模型的探讨就经历了这样一个历程.首先根据十九世纪末自然科学的三大发现,1904年汤姆生提出了原子结构的“葡萄干蛋糕模型”(假说);1909年卢瑟福做著名的a粒子散射实验(实验),否定了汤姆生的假说,于1911年根据其实验提出原子结构的“太阳行星式模型”(新假说);这个假说在解释原子结构的稳定性时遇到了困难,被玻尔的“能级模型”(更新的假说)所完善;玻尔的假说在解释较复杂的原子光谱时,又遇到了困难,不久又被“量子论模型”进一步完善(理论).


另外,每位科学家又有其研究问题的独特的科学方法.结合物理学史加强科学研究方法教育,可以逐步培养学生的辩证唯物主义世界观.

总之,物理学的发展史,是辩证唯物主义世界观和科学方法论的发展史,在物理教学中穿插物理史知识,具有重要的教育功能,不仅能激发学生学习物理的兴趣,帮助学生全面理解物理规律,还能从中学到严谨的科学态度,科学的思维方法,逐步树立科学的世界观和方法论.

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