物理学史在中学物理教学中的应用.doc

键入文字键入文字 键入文字物理学史在中学物理教学中的应用摘 要现在国内外教育工作者越来越重视物理学史在中学物理教学中的应用，但是，我国目前在这一方面仍缺乏较深入、较系统的研究，特别是物理学史在中学物理教学中应用的理论依据和实证研究方面。素质教育在大力推进的过程中，对学生科学素养的培养受到了人们越来越多的重视，其中最新的基础教育课程改革中明确提出提高学生的科学素养是科学教育的最终目的。这样，如何通过物理教育来提高每个学生的科学素养成为了物理教育中的一个新课题。本文开篇即介绍了课题提出和意义，介绍了国内外在这一领域的研究现状，指出了在国内中学物理教学中引用物理学史的重要性，并从三个方面进行分析和介绍，首先介绍了科学史对科学本质的启示，包括科学素养对科学本质的强调和科学本质的内涵等，然后介绍了中学物理教学中引用物理学史的理论基础，最后介绍了中学物理教学应用物理学史的作用，从三个方面进行了阐述和分析。关键词：物理学史；中学物理；科学素养；作用第一章 绪 论1.1 课题的提出及意义1.1.1 课题的提出我国传统的教学模式在很大程度上忽视了学生创造力的培养，其主要以传授知识和灌输逻辑思维方法的教学为主。教师又多半满足于黑板上的数学推导，宣称课本上的物理知识就是对的、不容置疑的，但是学生对这不容置疑的物理知识是那么的抽象和不可理解，想要学习它，但是就像咬刺猬一样无处下牙，久而久之对物理也就渐渐失去了兴趣。理论与方法之间有着密不可分的联系，两者相互作用，但是传统的物理教学只注重传授给学生作为最后结果的知识，在很大程度上忽视了方法论教学，而不注重知识的获得过程，学生做了大量的人为设置的练习题，掌握不少解题技巧，可是对于实际的物理问题不知道该如何下手，所以说传统物理教学模式轻视了物理学研究思想方法的训练。教育目标分为认知领域和情感领域两部分，这是布卢姆(Bloom)等人在教育目标分类学中提出的。在情感领域，教育目标包括兴趣、欣赏、价值观、态度、情绪意向等；在认知领域内，教育目标包含知识与能力两个层次。这就是说物理教学应该培养学生学习物理的兴趣及自觉地将物理知识应用到生活实际中的能力，让学生深入了解物理学的思想方法特点和发展规律等。为了达到这一教学目的，传统的物理教学模式显示了它的不足，但是将物理学史应用于中学物理教学中能够很好的改善或解决这一问题。为了克服传统物理教学模式的弊端，物理教学中引入物理学史作为改革物理教学的一种手段正日益受到国内外学者的广泛重视。1.1.2 课题的提出的意义中学生正处于世界观形成的关键时期，物理学史中充满丰富的辩证唯物主义内容，物理教学与物理学史相结合能够使学生懂得科学真理是相对性和绝对性共存的，这有利于学生学会辩证的世界观，确立正确的人生观。物理学史在中学物理教学中引用适应学生的认知特点，有利于还原科学被认识的过程，有利于完善学生的认知结构，构建合理的知识网络体系，有助于激发学生学习物理的兴趣，发展学生终身学习能力，有助于培养学生良好的科学思维方式，这些都是推进素质教育的最终目的。1.2 国内外现状1.2.1 国外现状较早注意到科技史教育作用的有美国、苏联、英国等国家，其中要数美国是在物理教学与物理学史相结合方面做得较早也是做得较好的国家，大约在上世纪五十年代末，“科学事例的历史”这一概念被克洛尔夫(KLopfer)在对中学生的教育中提出；从六十年代起，美国国内又向传统教学发起了挑战，掀起了课程改造运动，强调让学生参与知识的获得过程和创造性教育的必要性；到了八十年代，美国物理学史分会的成立，极大地促进了物理学史的研究和物理学史与物理教学的结合。随着物理教学中引入历史的兴起与逐渐发展，出现了物理学史与物理教学相结合的争论，这方面的学者们基本上都承认物理学史具有十分重要的教育价值，但是在物理教学与物理学史相结合的问题上，意见并未达成一致，大体上可分为如下几种观点：1物理学史与物理教学不能结合，应当分开设置；2对于不同的学生，引入历史的效果不同；3物理教学必须结合物理学史。1.2.1 国内现状在国内，近几年来许多致力于物理教学的教师自觉利用物理学史资料充实课堂，培养学生的兴趣，活跃课堂气氛，并取得一定的成绩。在这基础上， 1990年10月首届物理学史与物理教学讨论会在北京召开了，学者们从多方面论述了物理教学中采用逻辑方法与历史方法的统一性和可行性，介绍了物理学史应用于物理教学中的具体做法和起到的效果，特别是在开拓和挖掘物理学史的教育功能方面，交流了不少成功的经验。在1997年，在江苏省苏州市召开了中国第九届物理学史学术年会，重点阐述了物理学史研究的意义，论述了古今中外物理学史渗透入大中院校的物理教学，对促进当今物理教学改革的重要意义。但是，总的说来，我国这方面的研究起步晚，与国外同类研究相比还存在一定的差距。我国广大物理学史和物理教育工作者虽然在一定程度上认识到了物理学史在物理教学中的教育价值，赞同物理教学与物理学史相结合，但是缺乏理论研究，大都是源于经验体会，缺乏广泛的调查分析和理论上的论证，对物理学史引入中学物理教学的作用缺乏具体实证性研究。1.3 本文的主要内容本文开篇即介绍了课题提出和意义，介绍了国内外在这一领域的研究现状，指出了在国内中学物理教学中引用物理学史的重要性，并从三个方面进行分析和介绍，首先介绍了科学史对科学本质的启示，包括科学素养对科学本质的强调和科学本质的内涵等，然后介绍了中学物理教学中引用物理学史的理论基础，最后介绍了中学物理教学应用物理学史的作用，从三个方面进行了阐述和分析。第二章 科学史对于科学本质的启示2.1 科学本质的内涵许多专家学者已做了许多关于科学本质方面的界定与评量，由文献显示学者们对于所谓的科学本质有相当多不同的意见或定义，存在一些差异及争议。科学本质的定义虽然很多，但李德曼（Lederman）认为科学本质最常被谈到的是科学知识里固有的根本价值及假设，也有人认为科学本质通常被用来表示科学的认识论、科学是一种认知的方式、或发展科学知识中本来具有的价值与信念。科学本质的内涵受到科学、哲学与史学的影响，因此科学本质的概念会因时代甚至学者、组织的不同而有不同的诠释。因为对于科学发展的认识论与方法论各有不同的诠释，所以对科学发展的本质没有达成共识并不足为奇。而对于中学的科学教学，我们应可以期望建立出某些明确的科学本质教学目标，李德曼（Lederman）认为对于中小学应该有一个可以普遍接受的科学本质内涵，例如：科学知识具有暂时性、经验本位(也就是以观察为基础)、主观性(理论负载)、科学知识包含人类的推论、想象力和创造力，以及科学受到社会和文化的影响等等。国内学者的研究大多也接受了这些观点。2.2 科学素养对科学本质的强调所谓科学素养是指了解和深谙进行个人决策、参与公民事务和文化事务、从事经济生产所需的科学概念和科学过程。科学素养是一个人终其一生的修养，是从一个人在其最初年月所形成的种种看法和价值观念开始逐渐培养起来的。具有科学素养何以如此重要呢?首先，懂科学能给人以惬意感和兴奋感，这是每一个人都应分享到的好处。其次，国民在自己的生活中所遇到的问题需要运用科学知识和科学的思维方式时，能够做出明智的抉择。有科学素养就意味一个人对能够观察日常所见所历的各种事物，能够解决因好奇心而引发出来的一些问题；有科学素养就意味一个人有能力描述、解释甚至预言一些自然现象；有科学素养就意味一个人能读懂通俗报刊刊载的科学文章，能参与就有关结论是否有充分根据的问题所作的社交谈话；有科学素养就意味一个人能识别国家和地方决定所赖以为基础的科学问题，并且能提出有科学技术根据的见解来；有科学素养的公民应能根据信息源和产生此信息所用的方法来评估科学信息的可靠程度；有科学素养还意味有能力提出和评价有论据的论点，并且能恰如其分地运用从这些论点得出的结论。长期以来，科学素养作为一个口号代表着中学理科课程改革的一面旗帜，引领着课程面向科学教育大众化的方向发展。据考证，从美国著名教育家科南特(Conant)提出科学素养一词到它成为一种口号流行于国际科学教育改革的各种课程文件中，科学本质都是其重要的内涵之一。我国的科学课程改革中，把对科学本质的认识作为建立科学课程的基础，众多的学者也认为“对科学本质的了解”是具有科学素养公民的重要特征。可见，科学本质是科学素养中的重要内涵之一。2.3 科学史对科学本质的启迪在20世纪过去的几十年中，科学史已被用于科学教学中，在不同的地区，不同的年代，基于不同的需要，无论是知识发展、社会需要、科学本质的了解、科学概念的学习，科学史以不同的方式被用于课堂的科学教学。根据傅丽玉对上个世纪有关运用科学史于科学教育的文献整理分析，科学史在科学教育上曾被认定的功能如下： 1儿童科学概念发展与科学史的发展类同。2科学史可以使科学教育具人文思想的文化价值。3科学史使学生了解科学对人类生活的贡献。4科学史有助于培养良好的公民。5科学史可替代实验室教学。6科学史有助于学生对科学本质的了解。7科学史有助于科学倾向与非科学倾向的学生从不同观点看科学的不同面。8科学史可帮助学生学习科学概念。9科学史满足学习认知的需要。科学史的例子可以协助学生了解科学方法的本质，国外有学者提出如果科学教学的目标是引发学生对于科学探究过程的理解，则科学史是科学教学的必备要素，可见科学史对科学本质具有启迪的作用。第三章 物理学史在中学物理教学中应用的理论基础3.1 构建主义学习理论建构主义认为，世界是客观存在的，但是对于世界的理解和赋予意义却是由每个人自己决定的。知识并不是对现实世界的绝对正确的表征，它们处在不断的发展之中，而且在不同情境中，它们需要被重新建构。学习是一个积极的意义建构过程，我们是以自己原有的经验、心理结构和信念为基础，在一定的情境即社会文化背景下，通过在认知的过程中其他人的协作和帮助，主动建构对事实和客观世界的意义认识。构建主义关于教学的基本观点有：学生是教学情境中的主角；教学是激发学生建构知识的过程；教师是学生学习的引导者、辅助者、资料者提供者；教学活动体现为合作、探究方式；教学活动的展开是一个过程；教学评价要趋于多元化；学生的学习不仅限于教科书等。3.2 皮亚杰认知发展理论与库恩科学发展理论3.2.1 皮亚杰认知发展理论皮亚杰(Plaget)是瑞士心理学家和哲学家，为了探讨认识发展规律，他进行了数十年的儿童心理研究，得出著名的儿童智力发展阶段论。皮亚杰认知发展理论（如图1所示）的重要概念是：同化、调节、平衡，所谓同化是指儿童把新的知觉要素或刺激整合到原有的认知结构中去。但是，当新的知觉要素或刺激不能整合到原有的认知结构中去的时候，儿童必须在下面两者中选择：一是创造一个新的认知结构，二是修改原有认知结构，目的都是整合新的知觉要素或刺激，这就是调节。同化使认知结构的细节更丰富，更准确，调节完成认知结构的变化与发展。同时，二者之间的相对平衡也是必要的。平衡既是一种状态，又是一种过程，是认知发展不可少的环节。没有平衡，认知结构不会得到协调发展，这里面存在着量的积累与质的变化的辩证关系。图1 认识原理图3.2.2 库恩科学发展理论库恩(Kuhn)是美国著名科学哲学家，其科学发展论如图2所示：图2 库恩科学发展模式在前科学阶段，各种学派假说间竞争激烈，没有同一的为大家所共同接受的观点；竞争的结果是某一种假说战胜了其它各种假说，上升为范式；到了常规科学阶段，科学的发展处于相对稳定状态，科学共同体在范式的指导下去解决范例，并试图解释遇到的新问题，这时会发生两种情况：一种是范例的学习和对新问题的解释使科学共同体成员不仅掌握了范式，而且在一定程度上使范式的细节更准确；一种是遇到的新问题不能用范式来解释，这称为反常。当反常的情况越来越普遍时，就会引起科学共同体成员中的部分成员对范式的怀疑，危机开始出现。至此，科学革命的钟声就要敲响了。尽管皮亚发生认识论告诉给我们的仅是认知发展的规律，没有告诉我们怎样发展认知，但是如果我们联想到教育的本质之一：教育要与人的身心发展规律相一致，那么可得出如下启示：教育实践要与科学发展的规律保持基本上的一致性，这正是物理教学中引入物理学史的强有力的理论依据之一第四章 物理学史引入中学物理教学的作用4.1 在知识与技能方面的作用物理教学时结合物理学史可以加深学生对基本概念和基本规律理解。对于物理学中的各个基本概念、基本定律和基本理论，只有了解它们的形成和发展的过程，才能深刻掌握它们的物理意义，而且有利于巩固和加深理解已学过的物理知识。在教学中如果适当安排一些物理学史的内容，就会达到上述效果。例如，在惯性定律的教学中，由于日常生活看不到惯性定律所描述的不受力的环境，学生没有感性认识，对定律的理解一般感到为难，所以教学中把历史上人们对力是不是物体运动原因的认识展现给学生，把伽利略的理想实验、推理、直至牛顿总结中惯性定律的历史过程讲授出来，学生自然就把错误的认识排除掉，逐步想出惯性定律所描述的状态，更深刻地理解这个定律。物理学是一门以实验为基础的自然科学，培养学生的观察力不但是学好物理学的关键，也是素质教育的要求。一些重大的科学发现看似偶然，其实这正是科学家们具有敏锐观察力的表现，然而，另外一些科学家由于忽视了这些细枝末节，而与这些科学发现失之交臂。比如在学习X射线前，可介绍X射线的发现过程，伦琴在实验室中做实验时，意外地发现离射线管不远的涂有亚铂酸钡的纸上有荧光出现，他没有忽视这一异常现象，经过几周的反复实验，确定这是一种新的、人类未知的射线，就定名为X射线。在此之前，也有科学家发现类似的现象而没有重视，最后后悔不已。关于科学家的轶事，一向都是学生十分感兴趣的事情，介绍这方面的物理故事一定会引起学生的重视，吸取前人的经验教训，注意观察力的培养，达到知识与能力的双重提高。4.2 在过程与方法方面的作用物理学的思想与研究方法是在物理学发展过程中，在物理学家长期的科学实践中逐步摸索、积累、形成和发展起来的，是人类智慧的结晶。因此在物理教学中应用物理学史，介绍物理学家的创造思维与研究方法，有意识对学生进行了一些科学方法教育和训练，是提高学生智力水平，培养科学素质，逐步树立科学世界观，促进学生发展的重要途径。在物理学的发展史上，许多伟大科学家的发明创造，都与他们找到了正确合理的方法密切相关。伽利略运用假说、实验与数学推理相结合的方法揭示了自由落体定律的奥妙。欧姆应用水流与电流相类比的方法总结出欧姆定律，法拉第由电能生磁逆向思考到磁能否生电，通过反复实验研究，最后概括出电磁感应定律，这是逆向思维启迪的结果。科学巨匠爱因斯坦从一个最平凡、最简单，且长期以来被人们认为是不成问题的问题，亦即“同时性”问题打开突破口，开创了新的理论相对论，这就是科学家创造性思维的启示。提高学生思维能力，掌握正确的思考方法，比单纯传授知识本身更重要。因此，把物理学史融入到教学中，使学生既学到知识，更学到求知的方法，这对他们今后的学习和工作都有很大的帮助。 古人说“读史可以明智”，智的意思是启迪、开发智力。在知识经济时代应偏重启发，诱导和培养人的创新精神。在物理教学中讲历史能增进物理教学的生动性和趣味性，培养学生的科学精神，这已被所有物理教师认同和重视。但运用物理学史对学生进行创新精神的培养，却未被清晰地意识到或引起足够重视。物理学的发展史就是不断创新的历史，一代代的科学家不囿于即定的、看似显而易见的、根深蒂固的观点，提出诘难，运用创造性思维挣脱旧框框的束缚产生一次次的飞跃。如果把中学物理教学方式进行类似于在MBA教学中成功应用的案例教学，将抽象的概念放入个案，进行分析，学生从中了解，从中领悟，将抽象概念具体化，这种教学方式目前实施起来有很大难度，但是不可否认这更符合中学生学习的心理特点。物理学史包含大量的创造性思维形成和发展的案例，且内容又与中学物理教材联系密切，容易激发学生兴趣，所以只要教师认真设计，穿插在教学中，不仅使教材内容更加生动，也是培养学生创新精神的好方法，当然也可考虑以课外知识讲座的形式，充分发掘对物理学史中具有典型意义的创造性思维的发展历程进行分析，把物理学史变成培养中学生创新精神的教材之一。4.3 在情感态度与价值观反面的作用物理学是研究物质运动的一般规律和物质的基本结构的一门学科，是实践和理论相结合的产物。各种概念、定律、公式、法则之间关系复杂，学生在学习时一时难以掌握，它们的物理意义以及它们之间的关系，久之则产生畏难情绪。因此，大多数学生觉得物理难学，有的甚至对物理课有一种恐惧感，所以在教学中适当加入一些物理学史知识，既可以使学生体会到自然界的奇妙，引发学生兴趣，又可以使学生了解物理学家长期探索，不断努力，刻苦钻研的奋斗过程，激发学生刻苦学习的决心。中学的物理教育不仅关注学生知识、方法、和能力等方面的培养，更要关注学生情感态度与价值观方面的教育。由于物理学史具有的丰富教育因素，决定它在培养学生的情感态度与价值观方面能够发挥出重要的作用。物理学史上大量事例表明，科学的探究过程不可能是一帆风顺，都是经过曲折和困苦的，这需要科学家顽强的意志甚至是献身科学的牺牲精神。伽利略被终身监禁而矢志不移；布鲁诺为捍卫科学真理走上火刑场；富兰克林为了研究雷电而冒险进行“费城实验”，科赫曼为此而遭雷击身亡；法拉第做了三百多次的实验，经过十年的不懈努力最终得出电磁感应的条件；居里夫妇为提炼镭元素而冒受放射性元素辐射的威胁等等感人的事例，这些物理学史对于培养学生的坚强勇敢的意志和忘我的奉献精神都很具有说服力。结 论物理学史在中学物理教学中的应用能使学生受到教育的熏陶，激发孜孜不倦、刻苦学习的自觉性和勇于探索、献身科学的精神。实践证明把物理学史与物理知识的教学相结合，是培养学生学习物理兴趣、活跃学生思想、发展科学思维和培养创造能力的有效手段，是提高学生科学素养的有效手段，也是是想素质教育的有效途径之一。参考文献1戢守志译.美国国家科学教育标准M北京：科学技术文献出版社，19992刘娟.我国初中科学教材中的科学史关于科学本质的分析D广州：广州大学，2006：73高慧莲.九年一贯课程提升学生科学本质能力指标表现可行教学模组之开发研究J科学教育学刊，2006，14(4)：402-4034刘娟我国初中科学教材中的科学史关于科学本质的分析D广州：广州大学2006：7-95刘娟我国初中科学教材中的科学史关于科学本质的分析D广州：广州大学，2006：106刘健智.寓思想素质教育于物理学史教学中J.齐齐哈尔社会科学.1999 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