1、利用物理学史培养高中生科学思维洪泽俊【】笔者认为高中物理教师应重视物理学史的教育功能，充分挖掘物理学史中的科学思维要素，通过物理学史展示人类探索自然规律的过程，加深学生对科学思维的认识。本文通过具体的物理学史教学素材，如原子模型的建立过程、牛顿第一定律的建立过程、粒子散射实验等，通过经历科学家理论的提出过程，促使高中生形成模型构建的意识，通过人们对自然规律的探索，使高中生掌握科学推理的技巧，由物理科学史上经典实验的设计培养高中生科学论证的能力。【关键词】物理学史;科学思维;高中生;模型构建;科学推理普通高中物理课程标准2023年版中明确指出：物理学科核心素养主要包括“物理观念“科学思维“科学探
2、究“科学态度与责任四个方面。其中，“科学思维是从物理学角度对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而形成创造性见解的能力与品格。“科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。物理学史是在物理学开展过程中形成的，描述物理學自身开展历程的学科，是关于物理学本身开展规律的学科。物理学史主要研究物理学概念、理论和思想的产生、演化过程及其开展规律，考察物理学家的生平、成就及思维方式和研究方法上的特点，探究物理学家科研成败的原因，研究历史上物理学开展中不同
3、观点和理论之间的纷争与融合，考察物理学开展的内部逻辑、外部动力和相互关系。一、重历科学家理论提出过程，形成模型建构意识模型构建是学生根据研究问题和情境，在对客观事物进行抽象和概括的根底上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程。在物理学开展史上，原子结构模型的开展可谓是模型构建的典型。从古至今，人们对构成物质根本粒子的探索从未停止。古希腊哲学家德谟克利特认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，称为“原子，意为“不可分割的物品。19世纪末，英国科学家汤姆孙发现了电子，并证明了电子是所有物质共有的组成局部，“不可分割的原子论不攻自破。之后，不少科学家纷
4、纷提出了有关原子的模型。比方，1903年，勒纳德发现高速电子能穿透几千个原子厚度，这说明原子内部大局部空间是空荡荡的，因此他设想由正负粒子组成的极小的“刚性配偶体漂浮于原子太空中;1904年，汤姆孙提出了著名的“葡萄干面包模型，即原子中带正电的局部就像均匀分布的面包，而带负电的电子就像葡萄干一样均匀镶嵌到面包中，并在各自位置附近振动，从而产生原子光谱。虽然上述模型都非准确的原子模型，但这些模型的提出都代表着科学家们的思考，如勒纳德提出的原子内部非常空旷就与事实十分吻合，也不断推动着后人对原子模型的研究。之后，卢瑟福通过粒子散射实验，发现实验事实与“葡萄干面包模型之间存在矛盾，经过深入研究后，他
5、提出了原子的核式模型：带正电的原子核居于原子中央，体积极小，带负电的电子围绕原子核做圆周运动。卢瑟福的模型完美地解释了粒子散射实验并成功估算了原子核的直径，但也存在巨大的缺陷，电子绕核的圆周运动必将产生光辐射，从而引起能量耗散，电子半径将缩短，其轨迹是一条连续的螺旋线，其原子光谱应该是连续谱，电子将很快跌落到原子核上，导致原子非常不稳定，而实际上原子光谱是线状谱，原子非常稳定。在卢瑟福研究的根底上，波尔通过两个著名的假说“定态假设和“频率假设，将普朗克的量子论引入氢原子模型中，克服了原子的稳定性问题，成功解释了氢原子和类氢原子的光谱。原子模型的建立过程令人眼花缭乱，教师应带着学生进入19世纪末
6、的物理学世界，通过介绍让学生了解各种模型提出的历史背景与知识背景，体会科学家构建模型的根本思路，并意识到正确模型的构建并非一朝一夕之功，而是漫长曲折的过程。教师应引导学生通过观察物理现象，分析实验数据，准确建立模型，找出纷繁复杂现象背后共有的规律。二、模仿物理规律探索途径，训练科学推理技巧科学推理既有逻辑上的归纳、演绎、类比推理，又有比拟与分类、分析与综合等思维方式。高中生应能够利用多种思维方式，从定性和定量两个角度进行推理，找到规律，形成结论，解释自然现象并解决实际问题。牛顿第一定律的建立过程就充分展现了科学推理的归纳、演绎、推理等思维方式。牛顿第一定律的建立经历了一个漫长的过程，归功于亚里
7、士多德、伽利略、笛卡尔、牛顿这几位科学家的集体智慧。亚里士多德采用观察法，提出了“有力才有运动，没有力物体停止运动的观点，这一观点延续了2000多年;伽利略通过逻辑推理及理想实验，告诉人们“维持物体的运动不需要力;笛卡尔通过数学论证指出“物体不受力时，不会沿直线运动，保持直线运动;牛顿通过归纳总结，形成了牛顿第一定律“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。从时间上看，牛顿第一定律的建立经历了数代科学家前赴后继的努力，对力和运动规律的探索过程由错误到正确，由模糊到清晰，值得后人借鉴。教师将牛顿第一定律的建立过程呈现给学生，让学生重走规律发现之路，可以让
8、学生体会到科学结论得出的艰难，使学生领略到科学推理在发现物理规律过程中的巨大力量，并能自主构建物理知识，深刻认识牛顿第一定律。三、剖析物理学史经典实验，培养科学论证能力科学论证是以科学知识为中介，积极面对问题，对实验数据进行解释说明，提出观点，比拟与他人观点的不同，反思自己观点的缺乏，并能对他人的反驳和质疑进行回应的能力。在原子模型的建立过程中，有一个著名的实验粒子散射实验。卢瑟福是汤姆孙的学生，为了验证老师理论的正确性，1909年，卢瑟福完成了粒子散射实验，实验装置如图1所示。按照汤姆孙的模型，原子质量是均匀分布的，就像松软的面包一样，那么高速运动0.1c的粒子流将不费吹灰之力地穿过已经延展
9、得非常薄的金箔，最多只有微小的偏转。而实验结果却令人吃惊：个别粒子居然被反向弹回。卢瑟福当时这样描述他的感受：“这就像你用15英寸的炮弹向一张纸轰击，结果炮弹却被反弹回来，反而击中了你自己一样。汤姆孙的模型明显无法解释实验结果，一边是自己尊敬的老师，另一边那么可能是物理学上的真理，站在十字路口的卢瑟福该何去何从呢？亚里士多德曾说：“吾爱吾师，吾更爱真理。探索真理是每一位物理学家毕生的追求，卢瑟福也是如此。教师可以带着学生继续了解卢瑟福根据实验结果的推理论证过程。电子质量约为粒子质量的1/7300，无法造成粒子的大角度偏转;大角度偏转并非屡次小角度偏转的累积，否那么粒子的大角度应该按照预期的概率
10、规律分布，实际观测到的并无此规律;大角度偏转的时机极小，应该是因为金原子内部存在着质量远大于粒子的坚硬核心，当粒子撞击到这个核心时，就像一个弹性小球撞击到墙壁一般被反弹了回来;大角度偏转的概率很小，反向弹回的概率更小，说明这个坚硬的核心所占的空间极小。在进行实验观测并充分推理的根底上，卢瑟福提出了原子的核式模型，完美地解释了粒子散射实验。通过对经典实验的介绍、延展、挖掘，经典实验的魅力得以呈现在学生面前，学生了解到如何设计实验对已有理论进行验证，当实验结果与现有理论出现冲突时，又该何去何从，从而逐渐形成科学验证的意识。著名哲学家培根曾说：“读史使人明智。在物理教学中渗透物理學史，有助于学生逐渐
11、形成经典物理学中的物质观、运动观、相互作用观等，从而训练学生分析与综合、抽象与概括、比拟与分类及逻辑推力等科学思维。深入挖掘物理学史的教育功能，促进高中生物理学科核心的提升，是每位中学物理教师的必修课。【参考文献】1.中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准2023年版S.北京：人民教育出版社，2023.2.胡化凯.物理学史二十讲M.北京：中国科学技术大学出版社，2023.3.李勇，程力.课程标准高考物理学史考查的理念和方法研究J.中国考试，202303：15-21.4.廖伯琴.普通高中物理课程标准2023年版解读M.北京：高等教育出版社，2023.5.青峰.简明物理学史M.南京：南京大学出版社，2022.6.陈文鑫.物理学史在中学物理教学中的应用以初中牛顿第一定律为例J.物理教学探讨，2023，3306：25-27.
