在高中物理教學中滲透物理學史的實踐與反思

                          日期:2011-11-28 10:07 點擊數:24878 

                          在高中物理教學中滲透物理學史的實踐與反思

                          重慶巴蜀中學    張天耀

                          【摘要】本文通過對兩節物理課的反思和總結,提出了一些教育觀點,闡述了在高中物理教學中滲透物理學史的目的和關鍵。

                          【關鍵詞】高中物理教學  物理學史  創造精神

                          一、一堂公開課的反思

                          今年是我教授高中物理課程的第三個年頭,回憶所有的課堂教學,印象最深刻的要數高二下學期的一堂公開課,題目是:回旋加速器。

                          剛剛接到這個題目,便感到使用傳統講法講授難度很大。這節課的核心知識共兩點:解析直線加速器的原理和回旋加速器的原理。設想一開始將直線加速器和回旋加速器這兩個物理模型分別抽象出來,剖析結構、講解原理、訓練習題,極可能造成教師呆板地講、學生被動地聽的局面。傳統講法的不足在于結構單調,學生接受的知識只是一些現成結論,印象不會深刻。這樣的講法對高中二年級的學生是不適合的。況且這種傳統的講法大家都會,而且我的處理能力恐不及很多資深教師,那么我的課就很難得到其他聽課老師的認同。

                          為了能夠讓這堂公開課更加的生動豐滿,也為了能夠激起學生的興趣,我決定轉換思路,將這堂課的切入點放到了物理學史上,花了大約半天時間查閱資料后,我找到了一些與加速器緊密相關的物理學史的知識:

                          (1)從1901年到2009年的109年間,有關粒子物理的諾貝爾獎有41項,而正是回旋加速器的的發明,才能夠使得人們獲得高能粒子,才奠定了粒子物理學的蓬勃發展。

                          (2)早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次,因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制。為此,一些加速器的先驅者在20年代,就探索利用同一電壓多次加速帶電粒子的直線裝置,并指出重復利用這種方式,原則上可加速離子達到任意高的能量。但由于這樣的裝置太大,也太昂貴,結果未能得到發展應用。1930年,勞倫斯提出了回旋加速器的理論,他設想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉,多次反復地通過高頻加速電場,直至達到高能量。1931年,他和他的學生利文斯頓一起,研制了世界上第一臺回旋加速器,這臺加速器的磁極直徑只有10cm。1939年,勞倫斯獲得諾貝爾獎。

                          (3)回旋加速的思想使得各種新型的加速器被研制出來,1956年,李政道和楊振寧在布魯克海文國家實驗室工作期間,成功地解釋了COSMOTRON加速器上所做粒子衰變實驗的結果,發現宇稱守恒破壞,榮獲1957年諾貝爾物理獎。

                          (4)1974年,丁肇中利用BNL的AGS加速器開展物理實驗,與在SLAC加速器上開展實驗的里克特同時發現粲夸克,被授予1976年諾貝爾物理獎。

                          (5)在我講課的前不久,世界上最大的大型強子對撞機(LHC)剛好建成投入使用,該加速器的直徑約為8.6km。

                          雖然這些內容教材上沒有,也不在高考范圍,但是這些卻能讓學生對這節課的對象有一個最基本的了解,主題不再空洞,那是認識事物的基本前提。所以在備課的時候我把這些資料都大膽的編輯到了多媒體課件中。在而后的課堂教學中,花了不少的時間來穿插講述相關物理學史,采取“重演——探究”的方式去引導學生思考,盡量以故事的形式去呈現當年對加速器研究的一些場景,從而提高科學研究吸引力。結果比較令人滿意,也得到了學生和聽課各位老師的好評。我總結經驗,得出:

                          第一、大量的資料和圖片刺激了學生的眼球,提高了學習興趣,求知欲是每個人學習的原動力,學生正處在一個求知欲旺盛的年紀,不論成績好壞,只需要找到合適的方式加以引導,他們都有興趣去了解科學的過去、現在和未來。

                          第二、情景的創造,讓學生有一種角色感,增強其學習主觀能動性。

                          第三、歷史的鋪陳,讓知識點的過渡顯得自然。比如,我們有了直線加速器為什么還需要回旋加速器,在了解了那段歷史后,學生自然就知道這是科學發展的必然要求。

                          第四、學生受到了科學的熏陶,民族自豪感得到培養。比如講到勞倫斯最初對回旋加速的構想,將構想付諸實踐,最終獲得諾貝爾獎的時候,很多學生都表示出了對先輩的敬仰與贊嘆;講到李政道、楊振寧、丁肇中在從事加速器的工作終獲得諾貝爾獎時,課堂上還響起了熱烈的掌聲,這些都是學生們情感得到激發的一種體現。

                          我想:這樣一節課下來,也許會少講幾道練習題,但是,學生受到的啟發,得到的教育,對物理興趣的提高,甚至對人生觀價值觀形成的良好引導作用,這是這幾道高考題所替代不了的。作為教師,教書、育人,不可偏廢其一。

                          二、一堂示范課的啟示

                          在公開課后不久,在第二十九中學旁聽的一堂的示范課讓我印象深刻,題目是:原子核式結構和玻爾的原子模型。這堂課涉及到了大量的物理學史,而授課老師獨特的處理方式讓我深感震撼。整堂課老師既沒有一點、二點、三點地生硬講解,也沒有以故事的形式去吸引學生的注意力,而是提出了一個又一個精心設計的問題,大部分時間用于學生自由闡述對各種問題的看法和觀點,老師在適當的時候作出了點評和總結。

                          整堂課自然流暢,不像是嚴肅的課堂更像一個自由辯論的會場,卻不顯絲毫地嘈雜無序。那全是得益于老師提出的問題經過了的精心的準備,每個問題都有學生能回答上,問題與問題之間邏輯嚴密、引人入勝,對知識點的把握到位,總結精辟。學生積極性得到了極大的調動,學習熱情高漲。清楚記得有個學生在回答大角度散射原因的提問時,表述清晰、理由充分,贏得了同學們熱烈的掌聲和在座聽課老師的一致贊賞,這說明學生在課前必定也做了大量的準備工作。課下,授課的老師也透露:其實課前,他將學生分成了幾個小組去搜集、整理資料,讓學生將學習延伸到了課堂之外。這種方法,不但對這一堂課有益,而且將之運用開去,對學生的整個學習生涯也是大有裨益的。

                          這種教學方式,或我教齡太短以前并未見過覺得新奇震撼,同時亦給于我不少靈感。震撼于老師對課堂的掌控能力的高超,震撼于老師教學形式的新穎,更震撼于老師超前的教學思想,真正地是把老師講物理變成了學生學物理。它給我最大啟示就是:只要學生有興趣,高中課本上有些內容完全可以自學,物理學史的教育不僅可以滲透到課堂的講授中,還可以滲透到學生的學習中,最大限度地激發學生的潛能,讓學生主動的學習,這才是教學的根本目的。世界上的知識,教師能教諭的遠遠不夠。反思一下:平常我們的教育把學生的興趣、把學生的主觀能動性都放到了什么位置?

                          三、在中學教學中滲透物理學史的目的和關鍵

                              所以,我提倡在課堂的教和學這兩方面去滲透物理學史的知識,當然我們不是為了講歷史而去講歷史,而是通過歷史材料去讓我們的課堂更加的精彩,去充分的發掘歷史材料的教育價值,在教學過程中充分發揮物理學史的素質教育潛能。

                          1 、在高中教學中滲透物理學史的目的是:提高學生的學習興趣,將學生培養成一個具有科學精神,會獨立思考問題的人。

                          首先,對于學習,愛因斯坦有過一段精辟而直白的論述:“無論多好的食物強迫吃下去,總有一天會把胃和肚子搞壞的。更可怕的是,純真的好奇心的火花也會漸漸地熄滅”。所以在教學中我覺得我們應盡量杜絕灌輸式的教學,使用啟發式的教學,去提升學生的學習興趣和學習自主性,而在物理學史中的故事很多都具有不同側面啟發性。

                          其次,對于科學精神,我給學生一個很直白的解釋:科學是人類共同努力的結果,而堅持努力的人終究會得到回報,這就是科學精神。比如:開普勒經過數年的潛心計算終于得到行星的運動定律、法拉第由貧寒子弟到科學巨匠的蛻變、卡文迪許視金錢如浮云終于成為測得地球質量的第一人、居里夫人獻身放射性元素的研究等等。這樣的史實有很多,我們應該把這些材料精心地穿插在我們的教學過程中,點滴滲透,使學生受到熏陶,讓他們充分感受科學的魅力,使之向往科學,走向追求真理之路。陶行知先生說過:“大凡生而好學者為上,熏染而學者次之,督促而學者又次之。”惰性是人類的孽性根,面對心智尚未完全發育成熟,尚需要正確引導的孩子,作為教育者,我們的義務就是去熏陶和督促其努力學習。物理課上,什么樣的方式方法去熏陶學生效果最好也許沒有定論,但是,宣揚科學精神無疑是一個不錯的選擇。

                          最后,身處現今這個知識大爆炸的信息時代,我一直認為把學生送進重點大學不是我們教育的最終目的,讓培養的學生都具有創造力、獨立思考、處理問題的能力,才是我們教育的最終目的。在將來的社會中,只有會獨立思考問題的人才會堅持不懈的學習,在實踐中發現問題解決問題,才不會被社會所淘汰。用好物理學史就能夠在這方面對培養學生起積極的作用,比如:我們可以用科學家的創新精神去激勵學生的創造性思考,如哥白尼如何想到日心說,牛頓由蘋果落地的運動去類比行星的運動,愛因斯坦巧妙的光子說等。應該利用好這些素材去啟迪學生的思維,讓學生成為一個有創新思維的人。高考并不是高中生的唯一目標,更不是人生的唯一目標。作為一個有責任感的教育者,我們有義務讓自己的課堂起到真正起到“教育"的作用,而不僅僅是“訓練”的作用。哈工大大校長有一句話非常精辟,他說:“我是研究機器人的,我希望研究出來的機器人越來越像人,但是不希望我教育出來的人越來越像機器人。”

                          2、在中學物理教學中滲透物理學史的關鍵是:提升教師的專業素養,擴大教師的知識面,增強教師對物理學史的認識

                          現在很多的文章在討論教師的專業化發展,我非常欣賞本校羅大彪老師對教師專業化發展的某些觀點,他說:“所謂教師的專業化發展就是指教師職業的不可替代性。”對此,我個人的理解就是要爭取讓自己所講的每一堂課都是一堂不可替代的課,是一堂別人復制不了的課,這樣的教師才是足夠優秀,足夠專業的。就像前文提到的講授示范課的那位老師一樣,我雖然欽佩,卻無法“偷師”。   

                          要想成為一位像他那樣的優秀老師,我覺得就要對自己永不滿足,不斷地擴大知識面,善于在平時的教學實踐中進行積累。

                          比如第一次講授滑動摩擦力的時候,我直接就給出了滑動摩擦力的三個特點,而后來卻發現如果加入這段物理學史對教學是有裨益的:

                          15 世紀歐洲文藝復興時代就開始研究滑動摩擦的規律了,其代表人物是意大利的達•芬奇他曾經寫道:“雖然接觸表面具有不同的長和寬,但是在相同的負載下,當物體開始運動時,摩擦力的大小都是一樣的。”“如果重量增加一倍,那末摩擦力也增加一倍”。

                          后來,法國的阿蒙頓(Amonton)做了大量實驗總結出兩條規律:(1)摩擦力的最大值與接觸面積無關;(2)摩擦力的最大值與正壓力成正比。除此之外,他還認為對于所有的材料,摩擦系數都是0.3。

                          到1781年,法國的庫侖(CharlesAugustindeCoulomb1736~1806),經過大量實驗,積累了許多數據之后,證明阿蒙頓總結出的兩條規律是正確的,同時推翻了阿蒙頓認為不同材料的摩擦系數都相同的觀點。他首先把滑動摩擦分為靜滑動摩擦和動滑動摩擦兩種,并總結出摩擦定律。由于摩擦機理的復雜性,摩擦定律只是實際的某種近似,可概述如下:

                          關于滑動靜摩擦:(1)摩擦力的最大值與接觸面積無關。(2)摩擦力的最大值Fmax 與正壓力N 成正比,即Fmax=μN,μ為滑動靜摩擦系數。(3)摩擦力的最大值與兩個物體的組成材料及其表面的物理條件(例如溫度、濕度、粗糙程度等)有關。

                          花5分鐘來講這段史實,既可以讓學生去體會滑動摩擦力規律得出來的艱辛與曲折,使學生受到了科學精神的熏陶,也可以加深學生對摩擦力的特點的認識,何樂而不為呢?所以,下次教這節內容的時候,定將這些內容補充進我的教案。

                          教師的學習應該是永無止境的,我們應盡量的擴大自己的知識面。形象地講,如果學生需要一滴水,你能給他一桶水,那你算是一個合格的教師;如果你能讓學生看到整個海洋,那你就是一個優秀的老師??茖W就是那片海洋,沒有人能夠找到他的邊際,學生不能,老師也不能,但是作為教育工作者,永遠看的比學生更遠,永遠走在其前方,我們的責任就是要做好學生的引路人。

                          在擴大知識面的同時還要加深對物理學史的認識,這樣才能對各種資料進行合理的取舍與整合。我們應當知道物理學史不可避免的融入了史學家的意圖,在引入歷史材料時,要有所警惕,防止它們只是一系列迷人的神話般的秩事。其次,對于所選擇的材料,我們必須在備課時做出充分的統籌安排,哪些詳細講,深入地挖掘潛在的教育價值,哪些要略講,一語帶過。只有精心的備課才會得到良好的課堂效果。

                          四、結語

                          陶行知先生說:“敢探未發明的真理,即是創造精神;敢于入未開化的邊,即是開辟精神。”要想我們教的學生具有獨立思考問題的能力,有創造精神,我們教師就不能因循守舊,應該借著課改的東風,在提高自身專業素質的基礎上,不斷地修改自己的教案,推陳出新,嘗試多種教法,把物理學史的知識融入課堂,講出時代的特點。

                          最后,我想以文中的一句話來結束:“科學是人類共同努力的結果,而堅持努力的人終究會得到回報,這就是科學精神。”教育也是一門科學,它需要理論的支撐,更需要一線教師的摸索,只要從事教育的同仁們共同努力,這門科學終究會碩果累累。而那些堅持努力的人也一定會得到回報。


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