在高中物理教学中渗透物理学史的实践与反思

日期:2011-11-28 10:07 点击数:10362 

在高中物理教学中渗透物理学史的实践与反思

重庆巴蜀中学    张天耀

【摘要】本文通过对两节物理课的反思和总结,提出了一些教育观点,阐述了在高中物理教学中渗透物理学史的目的和关键。

【关键词】高中物理教学  物理学史  创造精神

一、一堂公开课的反思

今年是我教授高中物理课程的第三个年头,回忆所有的课堂教学,印象最深刻的要数高二下学期的一堂公开课,题目是:回旋加速器。

刚刚接到这个题目,便感到使用传统讲法讲授难度很大。这节课的核心知识共两点:解析直线加速器的原理和回旋加速器的原理。设想一开始将直线加速器和回旋加速器这两个物理模型分别抽象出来,剖析结构、讲解原理、训练习题,极可能造成教师呆板地讲、学生被动地听的局面。传统讲法的不足在于结构单调,学生接受的知识只是一些现成结论,印象不会深刻。这样的讲法对高中二年级的学生是不适合的。况且这种传统的讲法大家都会,而且我的处理能力恐不及很多资深教师,那么我的课就很难得到其他听课老师的认同。

为了能够让这堂公开课更加的生动丰满,也为了能够激起学生的兴趣,我决定转换思路,将这堂课的切入点放到了物理学史上,花了大约半天时间查阅资料后,我找到了一些与加速器紧密相关的物理学史的知识:

(1)从1901年到2009年的109年间,有关粒子物理的诺贝尔奖有41项,而正是回旋加速器的的发明,才能够使得人们获得高能粒子,才奠定了粒子物理学的蓬勃发展。

(2)早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次,因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。为此,一些加速器的先驱者在20年代,就探索利用同一电压多次加速带电粒子的直线装置,并指出重复利用这种方式,原则上可加速离子达到任意高的能量。但由于这样的装置太大,也太昂贵,结果未能得到发展应用。1930年,劳伦斯提出了回旋加速器的理论,他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转,多次反复地通过高频加速电场,直至达到高能量。1931年,他和他的学生利文斯顿一起,研制了世界上第一台回旋加速器,这台加速器的磁极直径只有10cm。1939年,劳伦斯获得诺贝尔奖。

(3)回旋加速的思想使得各种新型的加速器被研制出来,1956年,李政道和杨振宁在布鲁克海文国家实验室工作期间,成功地解释了COSMOTRON加速器上所做粒子衰变实验的结果,发现宇称守恒破坏,荣获1957年诺贝尔物理奖。

(4)1974年,丁肇中利用BNL的AGS加速器开展物理实验,与在SLAC加速器上开展实验的里克特同时发现粲夸克,被授予1976年诺贝尔物理奖。

(5)在我讲课的前不久,世界上最大的大型强子对撞机(LHC)刚好建成投入使用,该加速器的直径约为8.6km。

虽然这些内容教材上没有,也不在高考范围,但是这些却能让学生对这节课的对象有一个最基本的了解,主题不再空洞,那是认识事物的基本前提。所以在备课的时候我把这些资料都大胆的编辑到了多媒体课件中。在而后的课堂教学中,花了不少的时间来穿插讲述相关物理学史,采取“重演——探究”的方式去引导学生思考,尽量以故事的形式去呈现当年对加速器研究的一些场景,从而提高科学研究吸引力。结果比较令人满意,也得到了学生和听课各位老师的好评。我总结经验,得出:

第一、大量的资料和图片刺激了学生的眼球,提高了学习兴趣,求知欲是每个人学习的原动力,学生正处在一个求知欲旺盛的年纪,不论成绩好坏,只需要找到合适的方式加以引导,他们都有兴趣去了解科学的过去、现在和未来。

第二、情景的创造,让学生有一种角色感,增强其学习主观能动性。

第三、历史的铺陈,让知识点的过渡显得自然。比如,我们有了直线加速器为什么还需要回旋加速器,在了解了那段历史后,学生自然就知道这是科学发展的必然要求。

第四、学生受到了科学的熏陶,民族自豪感得到培养。比如讲到劳伦斯最初对回旋加速的构想,将构想付诸实践,最终获得诺贝尔奖的时候,很多学生都表示出了对先辈的敬仰与赞叹;讲到李政道、杨振宁、丁肇中在从事加速器的工作终获得诺贝尔奖时,课堂上还响起了热烈的掌声,这些都是学生们情感得到激发的一种体现。

我想:这样一节课下来,也许会少讲几道练习题,但是,学生受到的启发,得到的教育,对物理兴趣的提高,甚至对人生观价值观形成的良好引导作用,这是这几道高考题所替代不了的。作为教师,教书、育人,不可偏废其一。

二、一堂示范课的启示

在公开课后不久,在第二十九中学旁听的一堂的示范课让我印象深刻,题目是:原子核式结构和玻尔的原子模型。这堂课涉及到了大量的物理学史,而授课老师独特的处理方式让我深感震撼。整堂课老师既没有一点、二点、三点地生硬讲解,也没有以故事的形式去吸引学生的注意力,而是提出了一个又一个精心设计的问题,大部分时间用于学生自由阐述对各种问题的看法和观点,老师在适当的时候作出了点评和总结。

整堂课自然流畅,不像是严肃的课堂更像一个自由辩论的会场,却不显丝毫地嘈杂无序。那全是得益于老师提出的问题经过了的精心的准备,每个问题都有学生能回答上,问题与问题之间逻辑严密、引人入胜,对知识点的把握到位,总结精辟。学生积极性得到了极大的调动,学习热情高涨。清楚记得有个学生在回答大角度散射原因的提问时,表述清晰、理由充分,赢得了同学们热烈的掌声和在座听课老师的一致赞赏,这说明学生在课前必定也做了大量的准备工作。课下,授课的老师也透露:其实课前,他将学生分成了几个小组去搜集、整理资料,让学生将学习延伸到了课堂之外。这种方法,不但对这一堂课有益,而且将之运用开去,对学生的整个学习生涯也是大有裨益的。

这种教学方式,或我教龄太短以前并未见过觉得新奇震撼,同时亦给于我不少灵感。震撼于老师对课堂的掌控能力的高超,震撼于老师教学形式的新颖,更震撼于老师超前的教学思想,真正地是把老师讲物理变成了学生学物理。它给我最大启示就是:只要学生有兴趣,高中课本上有些内容完全可以自学,物理学史的教育不仅可以渗透到课堂的讲授中,还可以渗透到学生的学习中,最大限度地激发学生的潜能,让学生主动的学习,这才是教学的根本目的。世界上的知识,教师能教谕的远远不够。反思一下:平常我们的教育把学生的兴趣、把学生的主观能动性都放到了什么位置?

三、在中学教学中渗透物理学史的目的和关键

    所以,我提倡在课堂的教和学这两方面去渗透物理学史的知识,当然我们不是为了讲历史而去讲历史,而是通过历史材料去让我们的课堂更加的精彩,去充分的发掘历史材料的教育价值,在教学过程中充分发挥物理学史的素质教育潜能。

1 、在高中教学中渗透物理学史的目的是:提高学生的学习兴趣,将学生培养成一个具有科学精神,会独立思考问题的人。

首先,对于学习,爱因斯坦有过一段精辟而直白的论述:“无论多好的食物强迫吃下去,总有一天会把胃和肚子搞坏的。更可怕的是,纯真的好奇心的火花也会渐渐地熄灭”。所以在教学中我觉得我们应尽量杜绝灌输式的教学,使用启发式的教学,去提升学生的学习兴趣和学习自主性,而在物理学史中的故事很多都具有不同侧面启发性。

其次,对于科学精神,我给学生一个很直白的解释:科学是人类共同努力的结果,而坚持努力的人终究会得到回报,这就是科学精神。比如:开普勒经过数年的潜心计算终于得到行星的运动定律、法拉第由贫寒子弟到科学巨匠的蜕变、卡文迪许视金钱如浮云终于成为测得地球质量的第一人、居里夫人献身放射性元素的研究等等。这样的史实有很多,我们应该把这些材料精心地穿插在我们的教学过程中,点滴渗透,使学生受到熏陶,让他们充分感受科学的魅力,使之向往科学,走向追求真理之路。陶行知先生说过:“大凡生而好学者为上,熏染而学者次之,督促而学者又次之。”惰性是人类的孽性根,面对心智尚未完全发育成熟,尚需要正确引导的孩子,作为教育者,我们的义务就是去熏陶和督促其努力学习。物理课上,什么样的方式方法去熏陶学生效果最好也许没有定论,但是,宣扬科学精神无疑是一个不错的选择。

最后,身处现今这个知识大爆炸的信息时代,我一直认为把学生送进重点大学不是我们教育的最终目的,让培养的学生都具有创造力、独立思考、处理问题的能力,才是我们教育的最终目的。在将来的社会中,只有会独立思考问题的人才会坚持不懈的学习,在实践中发现问题解决问题,才不会被社会所淘汰。用好物理学史就能够在这方面对培养学生起积极的作用,比如:我们可以用科学家的创新精神去激励学生的创造性思考,如哥白尼如何想到日心说,牛顿由苹果落地的运动去类比行星的运动,爱因斯坦巧妙的光子说等。应该利用好这些素材去启迪学生的思维,让学生成为一个有创新思维的人。高考并不是高中生的唯一目标,更不是人生的唯一目标。作为一个有责任感的教育者,我们有义务让自己的课堂起到真正起到“教育"的作用,而不仅仅是“训练”的作用。哈工大大校长有一句话非常精辟,他说:“我是研究机器人的,我希望研究出来的机器人越来越像人,但是不希望我教育出来的人越来越像机器人。”

2、在中学物理教学中渗透物理学史的关键是:提升教师的专业素养,扩大教师的知识面,增强教师对物理学史的认识

现在很多的文章在讨论教师的专业化发展,我非常欣赏本校罗大彪老师对教师专业化发展的某些观点,他说:“所谓教师的专业化发展就是指教师职业的不可替代性。”对此,我个人的理解就是要争取让自己所讲的每一堂课都是一堂不可替代的课,是一堂别人复制不了的课,这样的教师才是足够优秀,足够专业的。就像前文提到的讲授示范课的那位老师一样,我虽然钦佩,却无法“偷师”。   

要想成为一位像他那样的优秀老师,我觉得就要对自己永不满足,不断地扩大知识面,善于在平时的教学实践中进行积累。

比如第一次讲授滑动摩擦力的时候,我直接就给出了滑动摩擦力的三个特点,而后来却发现如果加入这段物理学史对教学是有裨益的:

15 世纪欧洲文艺复兴时代就开始研究滑动摩擦的规律了,其代表人物是意大利的达•芬奇他曾经写道:“虽然接触表面具有不同的长和宽,但是在相同的负载下,当物体开始运动时,摩擦力的大小都是一样的。”“如果重量增加一倍,那末摩擦力也增加一倍”。

后来,法国的阿蒙顿(Amonton)做了大量实验总结出两条规律:(1)摩擦力的最大值与接触面积无关;(2)摩擦力的最大值与正压力成正比。除此之外,他还认为对于所有的材料,摩擦系数都是0.3。

到1781年,法国的库仑(CharlesAugustindeCoulomb1736~1806),经过大量实验,积累了许多数据之后,证明阿蒙顿总结出的两条规律是正确的,同时推翻了阿蒙顿认为不同材料的摩擦系数都相同的观点。他首先把滑动摩擦分为静滑动摩擦和动滑动摩擦两种,并总结出摩擦定律。由于摩擦机理的复杂性,摩擦定律只是实际的某种近似,可概述如下:

关于滑动静摩擦:(1)摩擦力的最大值与接触面积无关。(2)摩擦力的最大值Fmax 与正压力N 成正比,即Fmax=μN,μ为滑动静摩擦系数。(3)摩擦力的最大值与两个物体的组成材料及其表面的物理条件(例如温度、湿度、粗糙程度等)有关。

花5分钟来讲这段史实,既可以让学生去体会滑动摩擦力规律得出来的艰辛与曲折,使学生受到了科学精神的熏陶,也可以加深学生对摩擦力的特点的认识,何乐而不为呢?所以,下次教这节内容的时候,定将这些内容补充进我的教案。

教师的学习应该是永无止境的,我们应尽量的扩大自己的知识面。形象地讲,如果学生需要一滴水,你能给他一桶水,那你算是一个合格的教师;如果你能让学生看到整个海洋,那你就是一个优秀的老师。科学就是那片海洋,没有人能够找到他的边际,学生不能,老师也不能,但是作为教育工作者,永远看的比学生更远,永远走在其前方,我们的责任就是要做好学生的引路人。

在扩大知识面的同时还要加深对物理学史的认识,这样才能对各种资料进行合理的取舍与整合。我们应当知道物理学史不可避免的融入了史学家的意图,在引入历史材料时,要有所警惕,防止它们只是一系列迷人的神话般的秩事。其次,对于所选择的材料,我们必须在备课时做出充分的统筹安排,哪些详细讲,深入地挖掘潜在的教育价值,哪些要略讲,一语带过。只有精心的备课才会得到良好的课堂效果。

四、结语

陶行知先生说:“敢探未发明的真理,即是创造精神;敢于入未开化的边,即是开辟精神。”要想我们教的学生具有独立思考问题的能力,有创造精神,我们教师就不能因循守旧,应该借着课改的东风,在提高自身专业素质的基础上,不断地修改自己的教案,推陈出新,尝试多种教法,把物理学史的知识融入课堂,讲出时代的特点。

最后,我想以文中的一句话来结束:“科学是人类共同努力的结果,而坚持努力的人终究会得到回报,这就是科学精神。”教育也是一门科学,它需要理论的支撑,更需要一线教师的摸索,只要从事教育的同仁们共同努力,这门科学终究会硕果累累。而那些坚持努力的人也一定会得到回报。


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