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[摘要]物理学是自然科学的重要组成部分,整个物理学的发展史就是一部美学的发展史。它充分展现了物理公式和规律、表达形式、时间和空间、研究问题的手段和方法探究过程的简单、对称、和谐、统一美。在高中物理教学中,适时给学生进行物理学史的教育,使学生在美的感受中爱学、乐学物理知识,对其健全的人格的形成,更好地实现新课程提出的三维目标,很有意义。
[关键词]物理学史 物理学美 价值
中学物理教育不仅要对学生进行物理知识的教育,还应在教学过程中对学生进行审美教育。物理学的发展史集中体现了人类探索和认识客观世界的现象、特性、规律和本质的历程。物理学史告诉人们,每一个物理概念和规律的形成,都是汇集着许多人艰辛的努力,常常需要几十年乃至上百年的努力,才能迈出有意义的几步。物理学美不仅体现在物理知识的形式上、内容上、结构上、物理学的研究方法上,而且体现在科学探索的过程中,体现在物理学家们的非凡的想象力,探索精神和高尚的思想品德上;通过物理学史展示物理学家求真、求美的过程,让学生感受科学家探索未知世界的过程,感受他们尊重自然、尊重客观意志的“真”,体会他们推动发展的动机的“善”,不屈不饶的科学精神,高尚的人格,坚强的毅力等,达到以美感人,以美育人的目的,引导学生自己去追求和创造物理美,并将美的认识转化为追求美的自觉行动。
一、通过物理学史,感受经典实验的美妙,体会科学方法美
科学方法是人类智慧的结晶,是人们在认识和改造世界的实践活动中总结出来的正确思维和行动方式。物理学史证明科学理论的重大突破,必然伴随着新的科学方法的诞生。在物理学史上有很多精美的物理实验,不但在实验设计上极具创造性,而且实验装置设计上非常具有新颖性和实验技术上具有艺术性,经过艰辛的过程,通过长时间的努力,克服无数困难,才做出物理学上的重大发现或技术上的伟大发明。在教学中充分展示这些精湛优美的实验可以使学生发现和体验物理实验的精彩和美妙。例如:引力常数的测量,在牛顿发现万有引力定律一百年后,卡文笛许设计出扭秤实验,通过三次巧妙放大,将力的测量变换为力矩的测量;又将力矩的测量转变为石英丝转动角度的测量;再将转动角度的测量转变为光点移动距离的测量。这一精妙设计终于获得了历史性的突破,测出了这一微小的引力常量。著名的伽利略“斜面圆球滚动实验”,就给人一种简洁的美,它的美体现在对实物形态实验的超越,使实验条件、实验过程在思维中以理想化的方式表现出来,通过猜想、设计、推理,由有限个实验归纳出一般的结论,没有考证所有可能的情况。讲述这段物理学史,使学生了解到伽利略开创了把物理实验与科学思维相结合的物理学研究方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端。伽里略在物理学史上占有重要地位。被后世誉为“近代科学之父”,这不仅与他在科学上的伟大成就有关、而且与他在科学方法上的革命性转变分不开。正是由于他在科学方法上的创新、引导自然科学走上了正确的道路。
二、通过物理学史,感受科学家的精神美、人格美、毅力美
在物理教材中涉及到许多中外著名物理学家。他们生平大量动人的事迹,尤其是不怕挫折的拼搏精神、爱国奉献的敬业精神和相互协作的精神都是—部绝好的美育教才,能激起学生心灵的震动。教学过程中,若能让学生了解物理学家勇于探索,实事求是的科学精神;以苦为乐,顽强拼搏的不屈精神;只图贡献,不求索取的奉献精神;坚持真理,并为捍卫真理不怕牺牲的献身精神等。这无疑是最理想、最成功的情感教育。
物理学史表明,物理学大厦并不都是成功者创造的,它是成功者与失败者共同创造的。焦耳为准确测得各种情况下热功当量值,历经40年,进行了400多次实验。法拉第“磁生电”经过十年的研究;居里夫人为了从沥青铀矿中提炼出纯净的镭,经过近一千三百五十个日日夜夜的奋战,从8吨铀沥青矿渣中提炼出0. 12克纯氯化镭,开普勒在困境中还是坚持对行星运动的研究,从大量的观测数据中,花了近十年的时间,计算出了行星运动的三大定律等等;爱迪生为了寻找一种合适的灯丝,试用了一千六百多种材料。所以爱迪生说:“失败也有我需要的……”。还有许许多多的物理学家,他们坚持不懈地探索的科学精神和献身科学、捍卫真理的感人事迹,光辉的言行和高尚的品格,为人处世和爱国主义的热情,无不显示了物理学家的精神美。因此在教学中引入物理学史的实例,通过讲述这些物理学史来培养学生严肃认真、实事求是的科学态度和锐意进取、百折不挠、不断创新的科学精神,激励学生以科学家在创造伟大业绩所表现的人格力量为楷模,树立科学的世界观和人生观,确立为科学真理而献身的崇高品质。
三、通过物理学史,激发学生科学审美情趣和提高对科学美的审美能力
自然界本身是一个简单、和谐、统一的整体,作为描述和揭示自然现象和规律的物理科学也应是简单、和谐和统一的。“多样统一”是人类追求的永恒主题。整个物理学史,在某种程度上也可以说是物理学大师们为建立统一的物理理论的奋斗史,也是物理学家追求美的历史。牛顿为追求天体运动和地面物体运动的完美统一发现了万有引力定律;焦耳为追求热与功的完美统一测出了热功当量;法拉第为追求电和磁的完美统一发现了电磁感应现象;爱因斯坦为追求时间与空间的完美统一发现了相对论、为追求质量与能量的完美统一发现了质能方程等等。作为支撑经典物理大厦的牛顿运动定律,在宏观低速领域,实实在在地展现其简洁和完美;而作为现代物理大厦支柱的相对论和量子力学,又从更广阔领域描绘了一幅极其简洁的物质组构和运动的生动图像。科学的美,还体现在科学技术的巨大进步上,海王星与冥王星的发现、人造卫星的升空、原子弹的制造等等,这些无不叫人惊叹科学的伟大。在物理教学中渗透科学家追求科学完美的典型事例能促进学生对科学美的认识转化为对科学美的追求。
四、利用物理学史,激发学生的爱国热情
物理学史是一部科学文明的发展史,在物理教学中,结合教学内容介绍我国古代在物理学方面对世界的卓越贡献和我国现代物理学相关技术的飞速发展及成就,这既能使学生了解祖国灿烂辉煌的文化,培养学生民族自尊心和自豪感,又能增强学生的民族自信心,激发学生爱祖国爱民族的热情;介绍物理学的前沿知识,了解当前我国现代物理学相关技术与世界科技发展存在的差距,这样不仅能使学生开阔眼界,领略了知识的巨大力量和科学技术的日新月异,还能使学生感受物理学美和人类智慧美。从而激发学生的求知欲,唤起学生的时代责任感与使命感,有勇气肩负祖国赋予的使命,树立为提高我国科技水平而勤奋学习、刻苦钻研、勇于探索、献身科学的信念。
例如,我们讲述“声波”时,就要讲讲北京天坛绝妙建筑;在学习“原子和原子核”时,就应提到在现代物理前沿领域所作的巨大成就的李政道、杨振宁、丁肇中等科学家;在讲“超导”时,应介绍我国在超导材料方面所做出的巨大贡献;我们在讲述“天体运动”时,不能不介绍“神五”、“神六”、“神七”“嫦娥一号”的发射,介绍我国航天技术的现状和发展,介绍平均年龄只有三十岁的航天人。学生会为自己的祖国感到自豪,为这样一群年轻人而感到自豪。这不但能激起学生的学习兴趣、民族自豪感、使命感和责任感,还能激发学生爱国热情,报国之心。
五、通过物理学史,渗透概念形成的历史背景和过程,挖掘美育因素
在物理学史上,每一个科学上的新发现,都为后继者提供了宝贵的经验和启迪。中学物理中一些概念、定律和理论建立的过程凝练、升华了科学思维方式和科学研究方法,也包含了丰富的育人因素,展示这些科学过程有利于学生对知识全面正确的理解和建构,让学生得到前辈科学家科学思维和研究方法滋养,认识到物理学每前进一小步,都伴随深刻的物理思想和观念的变革。使学生受到生动的情感、态度、价值观的熏陶和感染,有利于健全人格的培养。例如:人们对原子结构的认识,就经历了一个发现、认识、否认、再认识过程。J·J·汤姆生发现电子后,曾提出关于原子的“枣糕式模型”。 1910年,卢瑟福建议用a粒子轰击金箔片。实验表明a粒子能穿透很薄的金箔片。这一实验事实使汤姆生枣糕模型遇到了无法解决的矛盾。因a粒子是失去两个电子的氦原子,犹如一块掉落两颗枣子的小枣糕,小枣糕打在大枣糕上,氦原子无论速度多么大,也很难想像它能穿透出去。但是1908年卢瑟福用a粒子轰击原子时,有大约八千分之一的几率被反射回来。这一事实使卢瑟福惊奇,他说:“这是我一生中最不可想像的事,真如用一枚重型炮弹轰击一张卷烟纸,而炮弹竟然被卷烟纸弹回来又打中了我自己一样的不可思议。”。卢瑟福用不同金属箔片进行了多次实验,并经过三个多星期的认真思考,指出汤姆生的原子模型不会使a粒子发生大角度偏转。卢瑟福以丰富的想象力提出,原子是一个很“空”的,中间是一个很小但质量很大的硬核。卢瑟福在实验的基础上经过严谨的推理,提出了原子的“核式结构模型”。
在物理教学中应该反映这种高潮迭起波澜壮阔的发展过程,使学生的科学思维和科学方法得到启迪,让学生从知识的完善和演变中认识它的条件性和局限性,使凝固的物理知识变得生动,学习仿佛是一次与科学创造者的对话;适当分析科学家的成功和失误,体会科学探索者的困惑、沉思、试探和创新智慧之光,让学生用发展的观点,辩证地看问题,认识到物理学知识的相对性,有效地消除学生对物理学知识来源的神秘感,消除对已有知识的僵化认识,为今后的学习和生活树立信心。
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