高中物理教材中物理学史与教学思考.pdf

Vol.41No.10物理教学探讨2023年第1 0 期教材研究高中物理教材中物理学史与教学思考谭梅1,詹伟琴2*1.佛冈县第一中学，广东清远5 1 1 6 0 02.华南师范大学物理与电信工程学院，广州5 1 0 0 0 6摘要：基于普通高中物理课程标准对物理学史的内容要求，深入分析人教版教材中物理学史内容的呈现方式和栏目分布，挖掘物理学史的教育价值，力求在教学中利用物理学史培养学生的科学思维和科学态度与责任，提升学生的核心素养。关键词：物理学史；物理教学；科学素养中图分类号：G633.7普通高中物理课程标准（2 0 1 7 年版）（以下简称“新课标”)的教学目标强调培养学生的物理学科核心素养，物理核心素养是指学生在接受物理教育的过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力、必备品格和价值观念，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质 ,是学生科学素养的重要构成。了解物理学的发展进程是培养学生科学素养的途径之一。以人教版教材为例,2 0 1 9 年版教材在之前的版本基础上增加了部分物理学史的内容,凸显了物理学史在教学中的地位，通过渗透物理学史内容培养学生的物理思维和科学素养。1物理学史的课标要求和教材主题新课标对物理教学提出了新的要求，旨在教学中培养学生的物理学科核心素养。依据新课标要求，教科书关于物理史实作了补充和完善。通过对新课标进行解读，梳理出新课标对物理学史内容的要求,基于此整理了教材中物理学史的学习资源，如表1 所示。新课标对必修一、必修二、必修三中物理学史的内容要求是基于建立物理概念、物理规律和物理实验之中的,要求学生了解物理学的发展历史和物理学知识体系,认识物理背景，进一步培养学生的物理核心素养。新课标对选择性必修三中物理学史的要求是让学生了解物质的发展历收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 9作者简介：谭梅（1 9 9 7-），女，主要从事高中物理教学工作。*通信作者：詹伟琴（1 9 6 5-),女，副教授，主要从事物理教育研究。文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)1 0-0 0 1 9-5史，体会科学发展的意义，有助于引导学生形成正确的科学态度与责任。人教版教材充分体现了课程标准的要求，物理学史多在正文中渗透并利用学习栏目拓展物理史实的学习资源（比如，科学漫步、STSE、拓展学习）。2高中物理教材中的物理学史分析人教版教材中通过不同的形式展示了物理学史内容，并且将物理学史有效地与教材知识充分交融，体现出了物理学史的重要性和教育功能。在教材中物理学史的呈现形式多样化，主要出现在正文、科学漫步、STSE、拓展学习等学习或活动栏目,其中正文中的物理学史内容最多，约有1 4 1 处，其次是科学漫步和名人名言栏目，体现出了物理学史的教学价值，如表2 所示。正文中的物理学史呈现了科学家探索物理规律过程中所经历的科学思维、科学探究；名人名言栏目是叙述科学家的生平简介以及勇于挑战的精神；科学漫步栏目拓宽学科视野，让学生领略科学的魅力。物理学史内容主要集中在必修一、必修二、必修三和选择性必修三中。虽然新课标对选择性必修一和选择性必修二的物理学史内容没有具体要求，但是在人教版教材中还是有不少物理学史的内容，体现了物理学史在物理教学中的重要作用。-19-2023年第1 0 期教材了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学发展的推动作用。必修一结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。通过史实，了解万有引力定律的发现过程。必修二关注宇宙起源和演化的研究进展。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对必修三人类文明的影响。通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。选择性了解人类探索原子及其结构的历史。必修三了解人类对物质结构的探索历程。物理教学探讨表1 新课标中物理学史的要求和教材中的内容主题物理学史的要求Vol.41 No.10教材栏目教材中的内容主题序言物理学：物质及其运动规律的科学从伽利略的一生看科学与社会STSE交通工具与社会发展讲述伽利略的逻辑推理正文伽利略的理想实验科学漫步伽利略对自由落体的研究正文万有引力定律的发现过程科学漫步人类对行星运动规律的认识科学漫步宇宙的起源与演化、恒星的演化STSE指南针与郑和下西洋正文焦耳的实验探索能量守恒的足迹科学漫步探索热的本质正文电子的发现、原子的核式结构模型正文发现新粒子光谱分析科学漫步天然放射现象的发现拓展学习夸克与粒子物理标准模型表2 人教版教材中物理学史的栏目分布统计选择性教材内容栏目必修一序言6名人名言3正文19（注释、说明、问题引入）科学漫步拓展学习STSE课后习题合计选择性必修二必修三11463034241021023342选择性必修一必修二0245139350021004623合计必修三0436471221002350102614125492217-20-Vol.41No.10以万有引力定律为例，万有引力定律是科学史上最伟大的定律之一，揭示出复杂运动遵循的简洁的科学规律，“月一地检验”进一步验证了万有引力定律，体现出了科学论证的科学思维方式。必修二中万有引力定律的物理学史内容的课标要求是“通过史实，了解万有引力定律的发现过程”。教材中将万有引力定律科学史的内容从人物、发现由来、科学发展等方面进行呈现。科学漫步栏目中，首先描述了人类对行星运动规律的认识过程，学生初步认识了物理学家们对未知领域的科学推理和探索精神。在正文中,讲述了伽利略、开普勒、笛卡尔等人对行星绕太阳运动的研究,重点描述了牛顿的研究与思考和发现万有引力定律的过程，学生进一步认识科学思维的重要性，体会到科学研究的钻研精神。从第谷的数千个观察数据到开普勒行星运动规律,再到牛顿的万有引力定律，其科学探索的背后体现了“大道至简”这一哲学理念，启发学者们挖掘、探索物理理论的统一。于是,学生可以了解到诸多物理学家的研究历程以及万有引力定律的发现过程，体会物理学法则普适性的统一，认识到人类对物理规律探索的艰辛与不易，有效帮助学生形成正确的物理观念，体会物理学家们在发现万有引力定律过程中的科学思维，培养良好的科学态度与意识。3课堂教学中渗透与拓展物理学史人教版教材涉及了力学、电学、磁学、热学、光学的物理学史，选择了教育教学功能指向性强的物理学史内容进行科学渗透,其内容的呈现不仅满足课程标准对物理学史的内容要求,还符合高中生心理和思维的发展规律。教师在教学中可以充分利用教材中物理学史的史料开展物理概念和物理规律的教学，也可以拓展、补充物理学史，帮助学生认识、了解物理学的发展，体现出物理学的科学思维和科学探究的深度及广度。3.1注重还原物理学史，体现科学本质物理核心素养的“科学态度与责任”中明确提出“在认识科学本质，理解科学、技术、社会、环境(STSE)的关系基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感 。物理学史在教学中渗透，能充分凸显物理学的科学本质。教材中有些地方对科学家的实验过程描述较为笼统,学生没有经历科学家的研究过程,对这一过程的研究就不能深入地了解 3 。例如,在奥斯特物理教学探讨发现电生磁的介绍中，教材简要地描述了奥斯特在讲课中“偶然”发现通电时磁针转动，随后揭示了电与磁的联系。其实,奥斯特对电与磁的研究过程并不是这一两句话就能描述出来的，在奥斯特发现前和发现后都做了大量的研究，才宣布了电流的磁效应。在教学中教师可以结合教材中的内容较完整地补充奥斯特发现电流磁效应的历程。【示例1 磁现象和电现象是两个不同的现象，在最早的时候，这两种现象是分开进行研究的，吉尔伯特对磁现象和电现象进行深人分析得出电和磁是完全不同的现象，所以很多物理学家也认为电和磁没有联系。可是，生活中的一些现象似乎表示着电和磁是有联系的。1 7 3 1 年，一位英国商人发现雷击后的刀叉有了磁性；1 7 3 5 年，一名铁匠老板在雷雨过后发现铁钉粘在了铁墩上；1 7 5 1年，富兰克林发现莱顿瓶放电可使缝衣针磁化。电与磁的联系是偶然的还是必然的呢？当时安培、库仑等人认为电和磁是独立存在的,并没有联系，可是奥斯特坚信电与磁存在着某种联系，于是展开了大量的研究。奥斯特受到了富兰克林用莱顿瓶放电使针磁化现象的启发，他认识到电和磁的联系是必然的，电与磁转化的条件才是问题的关键。奥斯特参考了万有引力定律和库仑定律，受到了“纵向力”的影响，他总是把小磁针放在通电导线的延长线上，观察小磁针的偏转情况，结果实验均以失败告终。虽然失败了很多次，奥斯特并没有放弃，他分析了以往实验都是在电流方向上寻找电流的磁效应，认识到电流对磁体的作用不是纵向的，而是一种横向力，于是奥斯特继续进行新的探索。1 8 2 0 年4 月的一天晚上，奥斯特在讲课时，突然来了“灵感”，他把通电导线与磁针平行放置，接通电源，小磁针摆动了,这一现象正是奥斯特期待已久的。他又改变电流方向，观察到小磁针向相反方向偏转，这说明电流方向与磁针的转动之间是有联系的。奥斯特在研究电与磁的联系中做了大量的实验，花费了很大的心血。在奥斯特发现了电流的磁效应后,安培立即对电与磁展开了进一步的研究，发现了磁体对通电导体的作用力，即安培力，还发现了电流与电流的作用力。将奥斯特发现电流磁效应的过程在教材内容的基础上拓展给学生，让学生感受到物理学家们的钻研、奉献精神，有助于培养学生善于发现、-21-2023年第1 0 期2023年第1 0 期总结现象的科学态度与精神。在教学中，向学生拓展教材中未提到的物理学史，让学生体会人类认识物理的艰辛历程，提高学生的科学素养。3.2客观阐述物理学史，培养科学精神教材中呈现出的物理学史内容大多数是关于国外的，描述我国物理学发展历程的较少，这会导致学生片面地认为我国的物理研究是落后于国外的。新课标对必修三的物理学史要求是“了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响”。教材中主要介绍的是法拉第、奥斯特等人对电和磁的研究，,只是在问题和科学漫步栏目中提到了我国古代对磁现象的运用，并未介绍我国古代在磁现象方面的研究成果。在教学中，教师可以在科学漫步中介绍的指南针与郑和下西洋内容的基础上拓展我国古代在磁现象方面的研究。【示例2 在中国古代，古人对磁的研究最早记录的是公元前3 世纪吕氏春秋精通篇：“慈石召铁，或引之也”。韩非子，有度中记载：“夫人臣之侵其主也，如地形焉，即渐以往，使人主失端，东西易面而不自知。故先王立司南以端朝夕”。在战国时期，就出现了磁石指示方向的仪器一一司南。到了宋代，指南针的发展到达盛况。中国古代磁学知识和指南针技术的集大成者是北宋时期政治家、科学家沈括，沈括在梦溪笔谈中写道：“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东，不全南也这条记载概括了沈括对磁学的主要贡献。并指出了指南针的四种安装方法：水浮法、指甲法、碗唇旋定法、缕悬法。水浮法是将磁针上穿几根灯芯草浮于水面进行指南(图1),这就是初始的水罗盘,后来广泛用于早期航海，水浮法指南针虽然比较平稳，但容易动荡不定。指甲法是将磁针置于光滑的指甲盖上（图2），磁针转动灵活，但是较容易滑落。碗唇旋定法是将磁针置于碗口边上（图3），磁针转动较灵活，但是也容易滑落。缕悬法是用蚕丝将磁针悬挂起来（图4），磁针转动灵活又相对稳定。S图1 北宋水浮法指南针-22-物理教学探讨S图2 北宋指甲法指南针NSN图3 北宋碗唇旋定法指南针图4 北宋缕悬法指南针在库仑定律发现之前，中国古代对磁现象的认识丝毫不弱于西方，可以说是略强于西方 4 。教学中可以拓展中国古代对磁的研究,加深学生对古代磁学的认识，并让学生反思：中国很早发现了磁现象，为何没有揭示出电和磁的联系呢？学生可以从文言文的角度体会古人在磁方面的应用，认识古人的智慧，了解中国古代对磁研究的成果。中国古代是较早发现磁现象的，并将磁现象应用在了生活中，但是却没有深入研究，没有揭示出电与磁的联系。让学生认识到物理学研究的深度与广度,认识到物理现象背后的物理规律需要我们去仔细钻研与总结，有助于帮助学生养成良好的科学态度与责任。物理学是一门以实验为基础的极具逻辑性的学科，当我们发现某种现象时要深人研究其内在本质和规律。【示例3 教材“弹力”的内容中物理学史部分只写了Vol.41 No.10NVol.41No.10胡克的研究，但是我国古人对弹力也有深刻的认识，东汉郑玄曾提到弹力的运用，学术界认为中国古人在制造弓的过程中应用了弹性定律的知识。弹性定律在西方称为胡克定律，由英国物理学家胡克于1 6 6 0 年左右发现，而这比郑玄晚了近1 5 0 0 年。教学中可适当增加一些中国古代对弹力的研究与应用的记录，以便学生了解古人在弹力方面的贡献。将中国的物理学史合理地呈现给学生，可以增强学生的爱国情怀和民族自豪感，培养学生的探索精神，对我国的物理学家持有敬佩之情。3.3呈现物理学家的错误与纷争，全面了解物理学发展自由落体运动和牛顿第一定律中都提到了亚里士多德的错误观点，这会使学生片面地理解亚里士多德对物理学的贡献，认为亚里士多德在物理学上的观点都是错误的。其实，亚里士多德的研究范围是非常广泛的，不仅仅是在物理学上的研究，还有哲学、自然科学、经济等领域的研究。在教学中教师可以拓展相关物理学史帮助学生全面地认识物理学家。【示例4 亚里士多德最早研究了物体下落运动，并认为物体下落的快慢与轻重有关。通过物理学史我们了解到他得出了力是物体运动原因的错误结论。很多同学认为亚里士多德在运动和力方面的贡献是没有价值的。虽然亚里士多德在自由落体和物体运动方面提出了错误的观念，但不可否认的是，正是他的观点和结论推动了后面物理学家们的研究，揭示出运动和力的关系的本质。并且亚里士多德的研究范围是十分广泛的，他几乎对每个学科都作出了贡献，他的研究涉及自然科学、教育学、政治学、心理学等，是一位伟大的值得我们崇敬的前辈。课后请同学们查阅相关资料进一步了解亚里士多德的个人经历与成就。教科书中渗透的物理学史绝大部分是正面物理教学探讨的，这可能会让学生对物理学有片面化和简单化的认识，导致学生认为物理学家发现物理规律的过程简单容易，认为物理学的发展一帆风顺。事实上，每一个物理定律、理论的发现，都经历了物理学家反复对其进行研究、探讨甚至于激烈的争论。比如，教材中关于万有引力定律的内容大概介绍了伽利略、开普勒、哈雷、牛顿等人的研究历史，但是没有提到著名的牛顿与胡克关于引力的纷争，牛顿与胡克的争论在当时是很激烈的，也正是不同的看法和争论，才促进了牛顿在万有引力的研究，物理学上才有牛顿发现万有引力这一历史壮举。在教学中适当地呈现一些物理学家争论的历史，有助于学生了解物理学家研究的艰辛历程，帮助学生从不同的角度认识物理学史，有助于培养学生正确的价值观和学史观。4结束语物理学史不仅仅是对人类研究自然界中物理现象的记载，也是自然界中物理发展规律的重要体现。教材中呈现的物理学史有着重要的教育价值，教材中未叙述出来的物理学史如能培养学生的学科核心素养，也应被重视。挖掘物理学史，将物理学史融人物理教学，体现出物理学史的教育功能，让学生经历科学发现之旅，了解科学思维与探究，掌握、理解物理概念与规律,形成正确的物理观念、提升学生科学素养，符合物理课程标准提出的培养学生学科核心素养的课程目标。参考文献：1中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2 0 1 7年版)S.北京：人民教育出版社,2 0 1 8.2黄晓.体现科学本质的科学教学一一基于HPS的视角D.上海：华东师范大学，2 0 1 0.3李婷婷,刘茂军.科学本质在物理教科书科学史部分的呈现与启示一一以2 0 1 9 年人教版高中物理必修系列教科书为例 J.中学物理,2 0 2 1,3 9(3):2 1-2 3.4杨玉岗磁学起源与发展历程概述 C.2014年第六届中国功率变换器磁元件联合学术年会、中国电源学会磁技术专业委员会第9 届学术年会暨中国电子学会元件分会电子变压器技术部第1 6 届学术年会论文集，2 0 1 4:6 4 一72.2023年第1 0 期(栏目编辑刘荣)-23-