对高中物理教科书整合物理学史内容的探讨
对高中物理教科书整合物理学史内容的探讨
翁钢志赵顺法
近年来，国际科学教育界大力提倡进行“科学的历史、哲学和科学教育”，以提高学生的科学素养．《美国国家科学教育标准》指出：许多个人对科学传统做出了贡献，学习其中的某些典范人物可以进一步理解科学探究，理解作为人类奋斗目标的科学，理解科学的本质及科学与社会之间的关系．跟随科学史的足迹可以发现，科学创新要打破当时被普遍接受的观念，得出我们今天认为理所当然的结论是多么困难．科学解释的历史观点说明，科学知识如何随时间的推移发生变化，而且几乎始终建立在先前知识的基础上．学习科学史不仅是对科学思想本身的学习，也是使学生了解科学本质、培养科学精神的一个重要途径．
当前我国基础教育课程改革的指导思想是“大众教育”，即强调科学为人人．《高中物理课程标准》明确提出，高中物理的课程目标是旨在提高全体学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，要做到四能：一能理解科学，即科学的本质和科学的价值等；二能了解科学发展的历史；三能理解科学与社会的关系，即注重科学与社会、科学与人文、科学与技术等教学内容；四能解释或解决问题．t可见，重视科学课程中的科学史教育已是国内外大势所趋，它是中学科学教学改革的有效手段之一，如何做好这样的教育是迫切需要研究的．本文就高中物理新课程教科书中如何有效整合物理学史内容展开了探讨和研究．
一、物理教科书整合物理学史内容的原则
物理学史教育的意义不在于简单地介绍历史知识，而在于培养学生的科学素
养与人文素养．物理学史进入物理教科书面临的首要问题是内容的选择，并非所有与课程内容相关的物理学史都有必要进入教科书．教科书的容量终归有限，而科学史的内容纷繁复杂，如何在物理教科书有限的空间内挖掘出科学史丰富的内涵呢?既要针对教材中的不同内容选取与其相关联的物理学史内容，又要考虑能够为学生所接受和具有促进学生深入理解物理学的作用．在保持真实性的前提下需要由物理学史的史学形态向教育形态转化，使其融入教科书并能够为学生所接受．
我们认为，物理学史走进物理教科书要注意以下几条原则：．
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1．目的性和适应性’
物理学史引进物理教科书，必须要明确教学目的．需要考虑为什么要引进，在哪些环节上引进，要体现哪些方面的价值，怎样才能与教科书内容有机结合等等，对科学史的内容要去粗取精，做到：①符合学生的认识水平和接受能力；
②选取的内容应该具有较高的教育价值，能给学生以多方面的启迪，避免为教史而教史；③削枝强干，使教科书中的科学史线条单一、脉络清晰．2．教育性和真实性
物理学史走进新课程有利于实现培养学生“科学素养”和“人文素养”的双重功能，其教育价值体现为不同侧面的功能强化，需要结合教科书内容，有目的地突出其中一些侧面，但不能为教育而无端拔高或贬低历史，引进教材中的物理学史料必须是客观的、真实的，不可违背史实．
尊重历史的真实性，需要重视科学发现的背景，要把科学放在导致它们产生的那个背景中来学习．科学固然注重创新，但继承是根基，牛顿曾经说过，他
之所以比别人看得远，是因为站在巨人的肩上．另外，要尊重历史的真实性，教科书就不能满足于仅仅介绍正面的成功事例．在科学的征途中，激动人心的时刻相比漫长的发展史毕竟是短暂的一瞬．失败的研究在科学发展史上自有其意义，这与“成则王、败则寇”的价值观大相径庭．还科学发展以本来面目，克服世风浮躁对教育的负面影响，有助于学生脚踏实地地学习．3．针对性和实效性
要针对物理课程分支或内容中的物理概念的形成、物理原理的推出和物理规律的发现等过程，精心选择与其关联的物理史料，进行形态转化，使其融人课程内容，进而有效地促进学生更好地理解物理，提高教学效益．4．灵活性和多样性
进入教材的物理学史，可以放在课程或章节的开头，介绍课程分支或重要内容的发展历史，可以融入具体知识的过程展示、思维方式的借鉴、科学方法的对比等，也可以介绍物理学家所处时代背景、插人物理学家肖像等，还可以设置物理学史阅读和探索栏目，图文并茂，增加教科书的亲和力，促进学生更好地理解和学习科学．
5．以小见大和自成体系
教科书编写者应通过有限的篇幅和精选的事例，通过学生的参与，折射出科学的全景．例如，人教版高中新教材就把“伽利略对自由落体运动的研究”作为单独的一节．教科书中采用资料分析的方式，呈现了这一发现的科学背景及大致历程，突出展示了伽利略的科学研究过程，然后再引导学生从科学方法、科学哲学、科学精神及实验技术等角度思考问题．这样编写，使学生能够从一个典型的科学史实出发，通过对前人探究过程和探究方法的分析，从科学前辈
那里汲取营养，用以提高自身的科学素养与人文素养．
以上主要论述了高中物理教科书中整合物理学史的原则，虽然教科书中物理学史的整合不易，但我们更应看到不易之后所具有的深远意义．“问渠哪得清如许，为有源头活水来”，让我们挖掘物理学史蕴藏的宝藏，追寻物理学教育的源头活水．
二、物理教科书引入物理学史内容的类型
教科书选取的物理史料，不纯粹是介绍物理学史，主要从培养人才、提高素养这一角度来考虑的．与以前相比，新课程教科书所引用的物理学史资料明显增多了．我们也发现国外许多优秀的物理教科书所引用的物理学史资料确实很丰富，但它的成功不是数量和篇幅．有的教科书机械地引用不少与学科内容联系甚少的史料，盲目地堆砌史料，篇幅占据不少，反而使人有臃肿之感，这也是我们所反对的．我们研究发现，优秀教科书的成功之处在于它有目的地、适当地选材，使之与物理学科的内容有机地融为一体；它应该对物理学发展的逻辑和教科书的系统性之间的关系作认真而系统的研究，在一个比较明确的指导思想下组织教材的编写，切实地把学习放到物理学发展的历史长河中来介绍和展现；教科书中提到的历史信息，有人物、有事实、有分析，既要引人人胜，能激发读者的强烈求知欲和浓厚的知识兴趣，又要严肃确切，能使读者明了物理学发展的规律及物理现象发现的方法．我们分析了一些国内外物理教科书中引述的物理学史资料，发现大致有以下几种类型的学史资料进入教材．1．科学家语录
人教版高中物理新课程教科书，在引言及每章内容的开头，均引用一条学者或科学家的语录，例如在必修1中，引言部分引用了庄子的话“判天地之美，
析万物之理”，概括了物理学的研究特征；在第一章“运动的描述”开头则引用了亚里士多德的话“不了解运动，就不了解自然”，不但揭示了本章的内容及其重要性，而且也说明了近代物理学的产生和发展是从对运动现象的研究开始的．
教材中也恰当融入了科学家的名言妙语，例如在讲述万有引力定律时，恰当融入牛顿的名言和科学家对牛顿的评价等．用简单的一两句话，勾勒出即将学习的物理知识、方法及其科学家的科学思想和科学精神，向读者作了极浓缩的介绍，不仅是知识和方法的传递，更是心灵的唤醒，回味无穷．2．物理原理及定律的发现过程
新课程教科书往往在引入历史的叙述中介绍原理、定律，把本来比较抽象的内容，讲述得绘声绘色．例如，在人教版物理新教材必修1第七章“万有引力和航天”中，专辟“行星的运动”和“行星和太阳的引力”两节，并在第一节课后插入材料“人类对行星运动规律的认识”，共约占7个版面，5 000多字，比较详细地介绍了开普勒的工作以及牛顿得出万有引力定律的过程，在第三节才正式提出万有引力定律．作者将万有引力发现过程做了历史性的概括，并把它写入书本，目的是解决“我们是如何知道我们所知道的东西的”这个问题，它常常教给我们许多不亚于最终答案所教给我们的东西．
3．物理原理、定律发现的方法
通过一些历史上著名的论证、实验等，介绍一些科学研究方法．例如，在人教版物理新教材必修1第二章第五节“伽利略对自由落体运动的研究”，介绍伽利略的科学方法，系统地阐述了伽利略从“逻辑的推理”、到“猜想与假说”、再到“实验验证”的科学实验方法．’
我们认为，教科书在这方面的引入还可以加强，既可以系统地展现某些重要的科学方法，也可以潜移默化地介绍其他一些科学方法．例如介绍惯性时，可以专门阐述一下伽利略通过对“从一条正在航行的船的桅杆顶上落下的一石块总是落在桅杆脚下”的分析，认为在船上无法判定船是否在动．类比之下，地球上“一个落体的竖直路径”也不足以判定地球是静止不动的论断．这个例子很精彩，它给出了一个类比的论证方法．科学方法的介绍应该自然地融人到教科书的内容中，做到深浅结合、详略得当．
4．阐述某些发现在历史中的地位
对教科书中的一些发现、发明在历史中的地位作一定的介绍，不就事论事，而是与它的科学价值联系起来．例如，爱因斯坦对伽利略创立的科学研究方法的评述：“伽利略的发现以及他所用的科学推理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”；杨振宁对《自然哲学的数学原理》的出版的评述：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天”等．阐明这些科学发现带来的社会发展和技术进步对人类发展的影响，引导学生从中汲取多方面的教益．
5．佯谬的介绍
有意识地介绍一些历史上的佯谬借以帮助学生扩大眼界、去伪存真．个别例子还可以向学生灌输外推的方法．例如在伽利略对自由落体运动的研究中介绍“重物和轻物下落快慢”的佯谬；在量子论的“测不准原理”中，可以介绍一则古希腊著名哲学家兹诺的佯谬：兹诺面对着“一个物体可以既在某一点又在走过那点”的概念，发生了很大的困惑，竟断言“如果一个物体在运动，那就
不能说它在任何地方．”将这一点与测不准原理联系起来，认为上述概念可以从完全不同的基点上来看，即“我们没有能力去把一个运动的位置和速度都测得任意精确”．这种分析既精彩又深奥，确实可以使学生的思想豁然开朗，并由此引起极大的科学兴趣．
6．对基本物理定律或理论体系的评述
引证一些专家对物理学的某一定律、某一课题甚至理论体系的评述，特别是对一些具有里程碑式的重大物理学发现、发明及成果的评价，以启发学生从更高的角度把握这些定律、原理的内在逻辑性，或理论体系的系统性．例如，在学习能量守恒定律时，教科书可引入对其历史地位的评述：“能量的转化与守恒定律揭示了自然科学各个分支之间惊人的普遍联系，是自然科学内在统一性的第一个伟大的证据，找到了各种现象的一种公共量度——能量．它是19世纪中叶物理学上最重要的发现，是自伽利略和牛顿之后朝向科学的统一迈进的很重要的一步，并成为全部自然科学的基石，成为检验一个理论是否正确的基本准绳之一，成为辩证自然观的自然科学基础”．评述不但可以在各章的开头引入，也可以在各节的开头、正文或旁批旁注中引入．
7．科学家的生平
教科书除了引入科学家的科学发现之外，还应该以各种形式适当介绍一些重要科学家的生平、工作经历及其遭遇、科学思想和重要贡献等等，使学生正确了解科学家的形象，领悟科学家的科学精神，也增加了教材的可读性．8．各物理学派、假说间的争议，
展现历史上一些学派、假说问的争议，例如，对运动和力的关系的认识过程；对热本质和光的本性的认识过程；对原子和原子核的探索等等．通过展现人类
认识进程中的历史争论，使学生感受到科学是一个开放的、不断发展的系统，是一个永远不会完结的过程．
9．我国科学技术与物理文化
适当引入我国古代和现代的科学技术发展．例如我国古代科学家在磁学和光学方面的贡献，我国现代航天技术的发展历程，杨振宁、李政道、丁肇中等著名学者在物理学发展中的贡献．使学生们认识到，我们中华民族同样可以立足于世界科学之林，增进学生的民族使命感和责任感，培养学生的事业心和爱国主义情怀．此外，应教育我们的学生，立足于国内，为社会主义祖国辛勤工作，所以有必要在教材中多宣传我国一些在物理学史有一定贡献的科学家．特别是那些长期为社会主义祖国的科学事业奋斗的物理学中的人物和事例．另外，我们还可以将“相关的趣味性或幽默故事”、“科学家像、图表和原始数据”等史实材料融人教科书．
从上述所概括的各类历史资料，大体上可以看出，教科书引入物理学史时应该有一种指导思想，即通过物理学史的引述，给学生一个比较完整的物理学发展的线索，树立历史上著名人物、著名事件的形象或典范，不仅使学生了解科学知识本身，而且使学生了解这些科学知识是如何得来的，从而为使学生具备获得新的科学知识的能力、提供一条可行的路径，实现全面提高学生的科学和人文素养．我国物理教材还要进一步提高质量，结合我国物理教学的实际情况，科学地选择物理学史料，有目的地收集到教科书中，使之成为内容比较充实、引人人胜的、有利于能力培养的教科书，是一个重要的途径．
三、物理学史进入物理教科书的基本方式
在以前的物理教科书中，物理学史要么作为正文引入，要么作为课后的阅读
材料．随着基础教育改革的深入和课程标准的提出，物理教科书中物理学史内容所占的比例不断增加，明显突出了物理学史在教科书中的地位．新教科书内容的呈现方式大大增多，不同教科书有不同模块的多种栏目设置，使引入物理学史的方式也明显增多，主要有以下几种基本方式：
1．作为新知识的背景材料
如问题的提出、解决与发展；概念的形成与发展；重大科学事实的发现；重要科学规律、原理、方法的建立、应用与发展；理论体系的建立；新的分支学科的诞生等．主要出现在教材正文的介绍中．
2．作为课后阅读材料
不同版本的教科书都以这种方式引入的物理学史内容居多，不同版本的教科书设置的栏目名称有所不同，一般出现在该节的最后．例如，人教版新教材设置的栏目有“科学足迹”、“STS”等；“司南”版教材设置的栏目有“科学人物”、“专题研讨”等．
3．作为扩展性资料插入
该方式一般以栏目的形式插入到教科书的上下文之间，作为拓展性的资料引入．例如，人教版教科书以“科学漫步”的栏目插入正文之间；“司南”版教科书以“信息窗”的栏目插入；上海版教科书则以“历史回眸”的栏目插入．4．作为旁批、旁注插入
各种版本的教科书中的物理学家语录、物理学史图片等内容都以这种形式引入．这种引入方式的特点是自由灵活、可以独立插入相关的位置，对与教科书正文相关的历史知识进行简单介绍．
5．在物理绪言课中引入
新教材的绪言课都比较重视物理学史的引入，阐述物理学发展史来让学生了解物理学各个分支学科的发生、发展过程以及整个物理学科的基本结构；阐述科学技术的发展来让学生了解物理学与科技进步的紧密关系，领悟物理学的发展对人类社会进步的巨大推动作用等．新教科书不但在高一必修课开设绪言课，而且在高二、高三的物理选修课中也开设了绪言课，增加了物理学史内容的引入机会．
6．提供物理学史的网址
一些新教材比较重视互联网资源的利用，在适当位置提供了一些相关物理学史的网址，并做好网站资源的配套建设，让学生能够在课外开展自主学习，拓宽了物理学史教育的渠道．
事实上，教科书引入物理学史知识的方式还可以多样化，使物理学史可以融入到教科书的众多栏目之中．比如可以将物理学史内容融入到“作为课内例题和课后习题”、“思考与讨论”、“想一想”、“课题研究”、“作为科技活动素材”等栏目中，使教科书与物理学史知识的融合更加自然和谐，更加充满活力．
2006.8.14
(来源：《中学物理教学》2006.8)