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最新物理学论文 物理学史融入中学物理教学的应用研究

2018-12-21 10:16:07来源:组稿人论文网作者:婷婷

  [摘要]自科学教育中引入科学史,物理史教学日益引起了人们的重视,物理学史的教育功能得到了肯定和强调。将物理史融入中学物理教学是行之有效的,是前人追寻真理的过程,是实事求是的科学态度。本文通过对物理史在中国教育中的情况分析,指出了存在的问题;陈述了物理史与物理教学相融合的原则;结合教育工作者的实践,分析了物理学史融入物理教学的主要方式;并以高中“牛顿第一定律”的教学设计为例做出了说明。

  [关键词] 物理学史;物理教学;牛顿第一定律

  引言

  科学史科的奠基人George﹒Sarton说,科学史是人类研究整个自然界的工具,它可以帮助学生揭示自然界的现象和掌握这些自然现象的规律或实质,从而全面理解科学与人类文化的关系。基本上,科学史是是解放思想的历史、是科学与迷信斗争的历史,是人类发现错误、纠正错误的历史。物理学是现代科学技术的核心学科之一,它探索的是大自然的现象和规律。对于物理学的界说,古人并无明确的的阐释,歌德曾说:“科学的历史是科学本身。”美国科学史家G﹒Sarton说:“如果科学的定义是一个系统的经验或在不同的时间和地点被系统化的知识,那么科学史就是对这种知识发展进行的描述和说明。”简而言之,物理学史就是研究物理知识、理论和方法发生发展规律的历史科学。

  德育是教育者义不容辞的责任,而物理教学中的思想培养关键是辩证唯物主义思想和爱国主义思想。培养爱国思想就是学习我国的历史和科学的发展,了解我国的科技成果,描述建设的发展前景,引导学生树立民族自尊心和自信心,树立对自己祖国的高度责任感和祖国利益高于一切的思想,树立为祖国、为人民勇于献身的精神。这也在高中物理教学大纲中提到,如万有引力定律:我们需要重点讲解人类是如何认识天体的,理解万有引力定律及其运用和发展的意义。

  上个世纪我国的教学大纲中加入了科学史教育,教育部在2001年制订的《全日制义务教育物理课程标准(实验稿)》在前言中的课程性质指出:通过对物理史的学习,可以培养学生的物理思维方法和实事求是的科学精神,培养科技意识、创新意识,全面提升自身的科学涵养与人文素质。《普通高中物理课程标准(实验)》在课程目标的知识与技能中要求学生需了解物理学的发展,关注科技的重大成果和发展趋势以及物理学对生活的影响。由此可见,物理学史对物理教育的益处不言而喻,即物理史在物理教学中的正确运用对物理教学具有重要的价值!

  2.物理学史融入中学物理教学的依据

  2.1现状分析

  新课程改革的目标是以学生为主体,加强学生的思想教育,教师转变传统的教学方法,真正地实现素质教育。虽然高中新课程改革已于2013年在全国全面展开,但是高考仍然是学校的“重中之重”,为了应对高考,且通过合格率和高等教育率作为评价教师和教师素质的标准,使得教师放弃传统的应试教育方式是很困难的。目前仍有部分教师为了毕业率、高分数,年终考核等而采用“题海战术”,这就是所谓的“换汤养生”,不能真正为学生实施素质教育。为了让学生更好地回答问题,教师只能掌握课堂时间来进行考试教学,没有更多的时间来解释物理史的内容给学生,甚至一些老师认为在教学中解释物理学的历史是浪费时间。

  2.2物理学史融入物理教学的意义

  物理学由物理知识和物理史两个部分构成,在物理教学中,物理学史不是物理课堂教学的一个粉饰,而是物理教学中不可或缺的一部分。物理教学中物理理论的讲解能让学生获得知识,研究物理学史能让学生的精神和智慧得以提高。是以,在中学物理教学中,融入物理学史可以提升课堂的趣味性,增强学生的能动性;增加学生的见识,散发学生的想像力;使学生养成严密的思考问题的习惯,做起事来力求精确无误的科学态度;培养学生建立SPIR的能力。这样,科学知识和科学体系的形成过程与学生的智力发展、创造性的思维得到统一,进一步加强了受教育者的科学素质、创新素质和人文素质。可见,将物理学史融入中学物理教学中势在必行,是普及素质教育重要的一部分。

  2.3物理学史融入物理教学的实施原则

  物理史融入物理课堂教学成败的关键在于具体实施,为了使物理学史与物理教学完美融合以达到预期的教学目标,教育者应有目的选择物理学史,选择建立在可验证的基础上的史实,易于学生接受、帮助学习的历史。

  (一)目的性原则

  将物理史融入课堂教学的根本目的是克服传统教学的弊端,一些教师还没有充分认识到物理学史的教育功能,在物理教学中运用物理学史的目的不强,比如在讲课的时候,有时它只是因讲新课的需要,被用为介绍与新知识相关的历史的工具,有时只是为了让学生集中注意力,但没有一点教育作用。然而把物理史融入课堂教学不是任何地方都适用的,整合物理学史的宗旨是构建高效课堂,它应发挥以下作用:激发学生的能动性;有效的减少教学与学习的难度;学习物理知识的同时掌握物理思维方法。

  (二)科学性原则

  物理是一门严谨的科学,在教学中引入的历史不能随意改动,也不能随意捏造,在教学过程中,有时为了力求知识的连贯性和授课的便利性,真实的历史被简单化或抽象化,且老师没有告诉学生这不是真正的历史,这样往往使学生分不清真假,产生错误的历史观。物理是经得起实践检验的科学真理,它反映了物体的本质与规律,在教学时,教育工作者需要培养学生的科学态度与物理思维,因此,为了科学的传授知识,被运用于教学的历史必需是符合客观实际的。

  (三)可接受性原则

  物理学史的是繁琐而又杂乱的,如果我们脱离现实,在教学中忽略学生的知识水平和理解能力,采用“嫁接主义”而不进行分析,不但不能发挥很好的功效,还会成为学生学习的累赘。我们的教学目的是让学生了解物理现象、学习物理原理以及培养科学思维。内容必须服务于目的,所以当我们将物理史融入物理教学时,首先要考虑的是学生能否理解与接受,并通俗的解释原理和思想。因此,教师所引入的物理史必需是浅显易懂的,不包含学生还没有掌握的知识。然而,在中学科学语言中,有些部分很难准确表达。此时,应该从中学生的理解能力准确地处理相关的物理和物理历史的内容。例如,在学习场和电场的概念时,我们应该尽量考虑学生的理解能力,只浅易地说明它是客观存在的,是电荷间相互作用的媒介,从而充分发挥物理史的教育功能。

  (四)趣味性原则

  在新课导入时融入物理学史,能够让学生主动去学习,避免了老师去叮嘱或督促。譬如,在高中物理“自由落体运动”这节课的课前导入时,教师问:“一个大西瓜和一个小西瓜从30层楼同时扔下,哪个最先到达地面?”学生大都回答:“大西瓜”。教师接着说:“科学家亚里士多德也认为大西瓜最先落地。”“直到300多年前,伽利略提出了与亚里士多德不同的意见——大西瓜和小西瓜同时下落,并通过比莎斜塔实验辩驳了亚里士多德的观点。本节课我们就来认识什么是自由落体运动,学习伽利略探究自由落体运动的方法。”这样,通过趣味十足的引入,激起了他们的学习兴致,引发了他们的求知欲望。

  2.4物理学史融入物理教学的方式

  在我国,物理学者和物理教育者多年来不断的在探索如何将物理学史与物理教育融合,并渐渐地摸索出一些有价值的经验和实践方法,并获得了可喜可贺的成效。例如:

  (1)北京大学田光善老师的立体化教学;

  (2)江苏省海门市证大中学王九琴老师的整合图片资源,渗透物理史;

  (3)多伦多大学以讨论班的形式授课,学生自己查阅资料,定期交流答疑。

  根据近年来的实践,物理教学融入物理学史的方式主要有:

  (1)在新课导入时融入物理学史,可以从中提出启发性的问题,也可以从历史环境中透析出课题。

  (2)在课堂总结时,可以引导学生从物理历史发展的角度去回顾,了解所学知识之间的联系。

  (3)运用历史探究教学,透视概念及重要实验的产生和发展,使学生能够理解科学研究方法,并参与获取知识的过程。

  当物理知识符合生活经验时,适合运用接受是学习方法,如(1)、(2)。首先,这部分知识与生活经验类似,很容易被学生接受,此时可以在物理教学中引入认知同化理论,引导学生在已有的经验上学习新知识,从而最大限度的提高学习效率,如图1所示

  (更准确、更详尽)

  同

  化

  新知识

  认知体系

  社会感情

  (能被整合)

  图1 接受式学习

  此时,新的物理知识与生活经验相似,即它可以被社会情感所接受,可以整合和同化到现有的学生认知体系中,使现有的认知体系更准确和详细。此时,通过让学生了解历史而快速的进入学习情境,进而提高教学效率。

  当物理知识来源于生活而高于生活时适合使用发现式学习方法(3),此刻学生的认知体系无法理解新的物理知识,就必须突破原来的认知体系,以学习理解新知识。如图2所示

  社会感情

  新认知体系

  认知平衡

  调整

  认知不平衡

  新知识

  认知体系

  (不能被整合)

  图2 发现式学习

  此时,同化理论是不适用的,教师应以历史进程为线索教学,透视概念及重要实验的产生和发展,使学生能够理解科学研究方法,并参与获取知识的过程。从历史进程来看,定律的思想和发展具有重要的理论意义,引入物理史可以让学生拥有更广阔的见识,激发学生的思考问题的能力,培养学生的观察力。但是物理史的引入是服务于教学,不能因教学而捏造历史,它必须与教学内容紧密结合,恰当地、适度地引入物理史,才能让学生在学到知识的同时又保证了素质教育的实施和素质的提升。

  3.物理学史融入物理课堂的教学设计——牛顿第一定律

  3.1设计思想

  本节课是围绕力与运动的关系,以其发展历程为线索而展开的。通过实验说明亚里士多德的观点是错误的,着重讲解伽利略的理想实验,而后讲述牛顿第一定律,引入惯性的概念。以此展开教学,可以让学生在问题中学习,学习中回答问题,培养了让学生如何从物理的角度去思考的思想,让学生总结生活中的现象去发现问题的能力、以及自已动手去验证自己的猜想的实验能力。

  3.2教材分析

  这节课是本章的第一节,是学习了力和运动后探究力和运动关系的第一节课。这节课是传统运动力学的代表,首先回顾了科学家认识力与运动状态关系的历史过程,着重讲述了伽利略研究力与运动状态的思想方法,而后引出了牛顿第一定律,最后介绍了物理的惯性及惯性的应用。

  3.3教学方法

  探究式教学,以历史进程为线索,透视概念及重要实验的产生和发展。

  3.4教学过程

  ①创设情景,引入新课

  通过生活经验举例:

  乘车时,如果突然刹车,人会向前冲,这是为什么?

  踢足球时,足球离开脚后不会立即停止,而是运动一段时间后才停止,这是为什么?

  通过生活中常见的现象引起学生的求知欲望,同时也为惯性的教学打下了基础。

  ②历史回顾,新课教学

  首先老师演示一个实验:轻轻地拉木块,木块运动;停止用力,木块停止。

  提问:你还能从生活中举出与它们相似的现象么?

  学生答:对匀速运动的物体施加一个外力,物体速度发生改变,撤去外力,恢复匀速运动;用力压缩弹簧,会发现弹簧的长度变得短了,松开手后弹簧又回到最开始的长度。

  (1)历史回顾:

  两千年前希腊的学者亚里士多德提出“力是维持物体运动的原因”,他的看法可以表述为:有外力的作用才有速度,要保证物体的运功速度没有改变就需要外力来维持。如果仅靠自己的直观感觉,我们是不是觉得他的观点似乎是正确的,但是在三百年前,人们对这个观点产生了疑问,伽利略和牛顿对力与运动的关系做出了新的认识。伽利略的结论是这样的:物体运动不需要力,只有受到外力的作用,物体的状态才会发生变化,换言之力是改变物体运动的原因。

  提问:对于两位科学家的观点,你有什么看法?

  提问:现在假设你是伽利略,你怎么设计实验证明来亚里士多德的观点是错误的?为什么亚里士多德会认为物体运动需要力来维持?

  (2)实验探究—阻力对运动的影响

  以小组的形式进行探究,每6人一组,利用桌上的器材证明自己的猜想。在证明猜想前,我们想一想用什么方法来探究阻力对运动的影响?(学生思考后回答:控制变量法)接下来让学生对变量与不变量进行了方案的研讨和交流。

  师:为了证实自己的猜想,你设计的实验需要解决这些问题:选择哪些实验器材?哪些物理量是需要测量的?如何测这些物理量?各个小组交流总结出实验方案,然后每个小组组长进行说明,教师进行指导和纠正。

  探究1(“有力则动,无力则静”)

  ①在玻璃板上用不同的拉力拉小车,小车运动后剪断细线

  ②在粗糙的木板上用不同的拉力拉小车,小车运动后撤去外力

  探究2(“运动停下来是由于受到阻力”)

  ①在同一斜面同一高度处释放小车,观察小车运动的距离。

  每个小组组长说明自己组的设计方案,其他组做出评价

  这样,可以丰富和完善实验计划,让学生学会合作与交流,激发学生在设计活动中的思维力,教师给予激励性的评价,并增加一定的补充。

  老师总结:同学们的设计方案非常棒,都体现出了控制变量法的思想,最后我们总结下,实验方案如下:

  (1)在同一块木板上拉小车,小车运动后,撤去外力。

  (2)将小车在同一斜面的相同高度处静止释放,使小车到达斜面底端的速度相同,然

  后让其在五种粗糙程度不同的木板上运动。

  师:完成实验后分析我们的实验数据,验证我们的猜想是否正确。

  学生自己动手设计实验并完成实验,提高了学生间的沟通能力与协作能力,使学生在完成实验的过程中体会到了实验的乐趣,形成了实事求是的学习态度。

  所以,亚里士多德做出错误判断的原因是阻力(足球之所以停下不是没有外力的作用,而受到了摩擦力的作用,若摩擦力不存在,足球将一直滚动)。

  在实际生活中摩擦力不可能为零,所以这个实验是“理想实验”。平面越粗糙,小车的位移就越小,也就是说小车受到的摩擦力越大,速度变化的就越快。由此,可以推理出:若没有外力作用于小车时,小车将做匀速直线运动。

  ③在伽利略观点的基础上,笛卡儿又做了补充:只有外力作用时,速度的大小和方向才会改变。

  3、牛顿第一定律的理解

  在前人的基础上,牛顿总结出了牛顿第一定律:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。

  在现实生活中,不受力是不能达到的。所以牛顿第一定律是在实验的基础上利用逻辑分析而得出的结果,不能用实验直接验证。生活中有许多例子也证明了牛顿第一定律的科学性,例如;地铁到站时,若没有拉稳会撞到旁边的乘客。

  4、牛顿第一定律又称惯性定律

  多媒体播放奇妙的惯性视频:硬币下落—弹指神功;抽桌布

  阅读课本,总结出什么是惯性?

  说明:

  ①惯性不是力,力是物体与物体之间的相互作用,而惯性是物体本身具有的性质。

  ②惯性的大小与物体的质量有关,质量越小,惯性越小。

  ③不要想当然的认为惯性定律就是惯性,两者是不一样,前者指的是物体的运动规律,而后者是指外力改变物体运动状态的难易程度性。

  3.5教学反思

  本节课通过实验演示激化两种历史性问题的矛盾,让每位学生亲自动手探究,验证自己的猜想。在学生自己动手完成实验的过程中加强了学生间的交流与合作,培养了观察能力、实践能力与合作精神,形成了实事求是的学习态度。

  4.总结

  Ostwald Friedrich Wilhelm说:“虽然用现在的教育教学方法可以让学生学习物理知识,了解物理原理,但是从未来的发展来看,若长此以往,学生将会没有历史感,不能掌握一些经典科学的物理思维和研究方法以及研究过程”。法国物理学家Langevin也说过:在今天的素质教育中,学习物理史是很有必要的,它的教育作用是无可厚非的,无论是教学还是学习都有很大的益处。

  物理是一门研究科学的课,它可以帮你认识世界、改变世界,这再一次说明了物理史的重要性及其不可否认的教育意义。从教育者的教育结果来说:学习不同的知识运用的方法也不尽相同,而教学也没有一定的规律可言,在教学生学习新的知识时,不管采用什么样的教学模式或者教学方法,除了要传授给学生基本的物理理论和基础性知识外,还要教给学生如何科学的去学习物理知识以及研究这些物理知识的方法、过程。目前,我国非常重视素质教育,但是迫于高考的压力,在实际教学中常常采用填鸭式教育,教师只注重学生的知识学习,完成教学任务,导致学生成为学习的机器,只知道了书本上的知识,但不会在生活中运用或联系到实际生活中。将物理学史融入到中学物理教学中,需要两者有机的结合、拥有可行性评价、提高教师素质等。在新课程改革的背景下,教师有必要进行更多的交流和学习,纠正以前不正确的教学观念,使物理学史的教育意义得以淋漓尽致的展现。新教师应更多地学习,更有效地创新,以找到有效的方法来促进实践教学。

  在中学物理教学中融入物理学史任重而道远,需要教育工作者在教学实践中不断去摸索、创新、总结。在此希望中学物理教师在教学时采用适当的方法把物理史融入物理课堂,让我们的课堂充满乐趣,让学生感受到物理世界的奇妙。

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