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1、浅谈物理学史和中学物理教学相结合的意义石 钊(陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安710062)摘 要: 在新课程背景下国家已经对我们的中学物理教学提出了许多新的要求。在此形势下，已经有许多专家和学者喊出了将物理学史融于物理教学当中的口号，并且做了很多这方面相关的研究，但这些研究大都比较宽泛。本文在前人研究的基础上主要采用文献资料收集法和理论归纳总结法等研究方法就物理学史和物理教学相结合的意义这一方面做了一下综合的论述，主要包括以下几点内容：当前课题的研究状况；关于二者相结合的理论分析；二者相结合在具体实践中的作用。关键词: 物理学史; 物理教学; 意义1 引言新课程标准的实施引发了
2、我们对物理教学的思考，我们要在以前传统教学的基础上不断改革创新而引入新的教学理念，而将物理学史和物理教学相结合的教学思想则正是物理教学改革中值得广大教师借鉴和学习的宝贵思想，希望这一思想能给你的物理教学带来帮助。2 当前物理学史和物理教学相结合的研究现状2.1 国外研究情况物理学史和物理教学相结合的研究早在四十年代的时候就已经开始了，在当时的校长、著名的教育家科南特的领导下，哈佛大学对大学生的通识教育引进了“科学事例的历史”。苏联卫星上天以及科学技术的迅猛发展促使美国在六十年代进行课程改革，向传统教学发起了挑战，兴起了“新物理运动”。从1952年到1970年在美国自然科学基金会的资助下，由美国
3、哈佛大学的科学史教授霍尔顿和一些教育学家、中学教师及科学史家参与了“哈佛物理教学改革计划”，完成的“哈佛规划物理”提出了这样的教学原则：教材必须现代化，必须反映最新科学成就，要让教师和学生以物理学家认识物理世界的本来面目去认识物理世界，获得认识世界和进行科学研究的能力和方法。由哈佛大学教授霍尔顿等人编写的中学规划物理教程和大学文科教材物理科学的概念和理论导论等，采取了用历史的观点统一阐述物理学内容的崭新形式，引进了大量的物理学史资料，促进了物理教育的革新。这些具有明显人文取向的物理教程，成为美国有重要影响的物理教材之一，并在美国被比较广泛地采用。尽管对物理学史融入物理教学的问题上仍有不同的声音
4、，但是不管从英美以及其他国家的教改计划，还是从人们一般的认识来说，将物理学史与基础科学教育相结合可以说已是一种教育改革的必然趋势。2.2 国内研究情况国内关于这一课题的研究起步较晚。我国广大物理教育工作者对于这一课题的认识和研究主要可以从以下几点来阐述：2.2.1 对物理学史重要性的认识1982年中国科技史学会在北京召开了第一次物理学史讨论会，会议就物理学史教学进行了专门讨论。1985年，在昆明市召开了“全国高师物理学史讨论会”拟定了物理学史普及工作座谈会就明确提出了“用物理学史改进物理教学”的重大问题。1999年中国物理学史学会在北京和杭州，为北京市和浙江省100多位中学教师讲授“物理学史引
5、入物理教学”知识并普及物理学史知识（讲习班共7天）。各地在师范院校和教育学院工作的物理学史工作者利用暑假中学继续教育学班讲授物理学史知识，普及面达700人次1。这表明广大物理教育工作者充分认识到物理学史在物理教学中的重要作用。2.2.2 物理学史引入物理教材的实施情况中学物理教材引入的物理学史内容大致分以下几类:1.科学方法的介绍;2.科学家的生平、趣事、学派争论、假说、佯谬等;3.重要实验、规律、概念发现的过程及产生的历史背景;4.科学领域建立的历史背景及其评述;5.我国古代的科学技术与物理文化。中学物理教材中涉及历史内容共有88处，涉及我国古代物理文化76处，合计169处，其中高中物理教材
6、(人教版全日制普通高级中学教科书2002年第2版)有29处，占总数的17.7%，且侧重于第1,2类介绍，其中第3类的内容中历史事件更完整。而新课程标准实验教材必修1和必修2（人教版普通高中课程标准实验教科书2004年5月第1版）中共有15处，其中侧重于1、2类内容的介绍，而且对科学方法的介绍更为突出2。由此可看出高中主要是对学生进行认知领域目标的培养，同时兼顾学生情感领域目标的培养，这是符合高中教学的特点，符合青少年学生心理和思维发展规律的，是正确的。虽然新教材已加强了物理学史的内容的广度，但我认为在教学中还是没有完全把物理学史的教育和物理教学相结合起来。2.2.3 物理学史引入物理教学的教学
7、方法的探讨在上述背景下，有的教育工作者开始探讨中学物理教学中物理学史和物理教学相结合的方法，典型的有：（1）蔚文江提出的“用模拟科学认识过程的方法”进行物理教学。他认为，在教学过程中，要把书本知识转化为学生自己的知识，主要是解决科学认识过程和学生学习的认识过程两者之间的矛盾，而教师的任务就是具体的实现二者的统一。“模拟科学认识过程的方法”的基本设想是：教师在了解科学认识的过程、掌握丰富的物理学史料、把握教材内容和学生心理的基础上，将物理学史融入教学中，注重分析科学发现和科技发明思路，善于把学生推到若干年前，让他们在当时的背景下遵循前人的思路来学习3。（2）青岛大学师范学院物理系教授雷肇基提出的
8、“面向21世纪专业教学、物理学史与教学科研相结合教学法”。他提出的教学法由“专业教学内容，物理学史，科学方法论”三个方面构成。其实施方式为：课堂教学，科研学习园地，学术报告或讲座，物理学史和科学方法论试题库，期末考试和问卷调查3。当然在此基础上，后来的研究者也都提出了许多不同的教学方法，但都还没有形成各自的体系和得到大家广泛的认识，他们的观点还有待继续深入下去。总的说来，我国的物理学史和物理教育相结合的研究起步较晚，与国外同类研究相比还存在一定的差距。3 物理学史和物理教学相结合的理论分析很多的专家和学者也都意识到了将物理学史与物理教学相结合的必要性。为了能够从本质上验证物理学史和物理教学相结
9、合的重要性，于是大家开始寻找理论依据的工作，通过查阅资料和文献现大致将理论依据归纳为以下两种，应该也是最具说服力的两种观点。3.1 皮亚杰发生认识原理与库恩科学发展理论3.1.1 皮亚杰发生认识原理皮亚杰是瑞士心理学家和哲学家，他于1970年出版了他的巨著发生认识论原理，提出了认知发展理论。为了探讨认识发展规律，他进行了数十年的儿童心理研究，得出著名的儿童认知发展阶段论。皮亚杰认为：儿童的认知发展可分为如下四个阶段：（1）感知运动阶段（0-2岁）儿童思维的萌芽，（2）前运演阶段（2-6岁）表象或形象思维，（3）具体运演阶段（7-10岁）初步的逻辑思维，（4）形式运演阶段（11-15岁）抽象的逻
10、辑思维4。任何儿童的智力发展都必须经历以上四个阶段，而且是依次经历这四个阶段。每个阶段都对应着一定特点的认知结构，低级认知结构向高级认知结构的发展是经过“同化”与“顺应”的矛盾运动而完成的。认知发展理论的重要概念是：图式、同化、顺应、平衡。所谓图式是人类用以对环境做出理智的适应和组织的认知结构。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。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。目的是整合新的知觉要素或刺激，这就是顺应。同化使认知结构的细节更丰富、更准确，顺应完成认知结构的变化与发展。
11、同时，二者之间的平衡也是必要的。在皮亚杰看来，人的认识的发生、发展过程也就是人的认识结构平衡不平衡平衡的过程。认知结构从低级向高级发展的过程如图1所示：图1 发生认识原理53.1.2 库恩科学发展理论库恩是美国著名科学哲学家，他从科学发展的实际历史中揭示科学发展的真实过程，勾画出“一种可以从科学研究的历史记载本身浮现出来的科学观。”在科学革命的结构和必要的张力两部代表作中，库恩以科学史的研究为基础，系统地提出了一种新的科学发展观，开创了科学哲学发展史中一个新的学派历史学派。库恩的科学发展模式如图2所示：图2库恩科学发展5在前科学阶段，各种学派假说之间竞争激烈，没有统一的为大家共同接受的观点。竞
12、争的结果是某一种假说战胜了其它各种假说，上升为“范式”。范式是在常规科学时期，科学共同体所信奉的，以某个自然科学领域的理论为中心的观念体系，包括对该理论中的定理、定律、概念的解释，实验和理论的研究方法以及与此相适应的哲学观念。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的时候，就会引起科学共同体成员中的部分成员对范式的怀疑，当然危机也就开始出现了
13、。至此科学革命的钟声就要敲响了。我们只需稍微把图2改一下，就可得出科学发展理论的图景，如下面的图3所示： 图3 科学发展理论5图2和图3比较起来，图3不仅考虑了科学革命的发生，同时也考虑了科学发展的连续性和相对稳定性。任何新的理论、新的概念都是对旧理论、旧概念的扬弃。科学发展是阶段性和连续性的统一。3.1.3 认知发展理论和科学发展理论对教学的启示当然，中学生的认知结构和儿童的认知结构不完全相同，儿童的认知结构一开始是非常简单的，而中学生的认知结构从一开始就具有相当水平的数学逻辑特征。但是如果我们做这样的假设，即当中学生运用已掌握的理论解释新刺激时，认为该理论处于较低认知阶段的位置，那么中学生
14、的认知过程就可以用图1来表示了，比较图1和图3可以看出，中学生的认知发展和科学发展存在十分相似的过程。尽管皮亚杰发生认识论告诉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，那么我们就可以得出如下启示：教育实践要与科学发展的规律保持基本上的一致。这正是物理学史与物理教学相结合的强有力的理论证据之一。3.2 教育重演论与建构主义学习理论3.2.1 教育重演论我国物理教育研究者乔际平先生在物理心理教育学一书中指出，“儿童的认识发展也惊人地重复着人类的认识史”。人类研究物理学的过程与学生的学习物理概念的学习过程有着内在的相似性，可
15、以说学生物理概念的学习的过程是人类研究物理学的过程的重演。教育重演论认为，“现代学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，即现代人的认知发展是对其祖先认知水平长期演化过程的浓缩”，只有在相应的文化背景中学习，才能构建合理的知识体系。从这个角度讲，物理学史是必需的，它是物理教学必不可少的有机组成部分。教育重演论为物理学史与物理教学相结合的做法提供了直接的理论依据。因此，物理教学不光要教授物理知识，更要把相关的物理学史的背景介绍给学生，使其产生“身临其境”的感觉。比如在“惯性定律”的教学中，由于日常生活中没有那种不受力的状态，学生难以在脑海里构建相应的物理情境，若能呈现历史上对这个
16、问题的不同观点，通过亚里士多德到伽利略再到牛顿这根主线，让学生“重演”这段物理思想的形成，可以帮助他们排除错误的认识。3.2.2 建构主义学习理论学生从一出生就开始接触五彩缤纷的世界，从而形成个体对外在世界的看法和观点，这些看法和观点就是我们所说的前科学概念或生活概念。学生所拥有的前科学概念中的一部分建立在直觉基础上，虽不能称为科学概念，但并非完全错误。它对形成和促进学生的科学概念有积极的意义，但有时会极大地阻碍学生有关科学概念的建立，严重影响物理概念教学的质量。学生关于科学概念的学习过程可以用建构主义学习理论给以解释。学生从前概念到科学概念的转变实质上是一种“范式转换”。建构主义学习理论认为，学习者以个人原有的认知结构为基础，持续地与外在经验世界互动，进而构建出个体对自然界的理解，并赋予外
