“近代物理学的奠基人和革命者” 教学思考

“近代物理学的奠基人和革命者” 教学思考“近代物理学的奠基人和革命者”教学思考 2015/10/15 历史教学杂志2015年第八期什么是人文精神？从广义上说其基本内涵有三个层次：一、人性，对人的幸福和尊严的追求，是广义的人道主义精神；二、理性，对真理的追求，是广义的科学精神；三、超越性，是对生活意义的追求。关心人的精神生活；尊重人的价值，尤其是尊重人作为精神存在的价值。而从历史教育的本质来看，就是要对学生进行人文素质的培养和人文精神的熏陶。那么，高中历史课程中的科技史主要教什么？要培养学生哪些方面的素养呢？据教学反馈，科技史教学通常有两个难点，一是对科技术语、概念和科学原理的阐释；二是如何以科技发展过程作为载体，来揭示科技发展与人类社会之间的互动关系，从而彰显科技史的历史感和人文性。教学中一些教师重前者轻后者，花较多的精力去讲解科技成果本身而忽略了其产生的社会背景及社会影响。笔者认为有关科技具体内容的教学只是难点而不是重点。正如郑也夫先生所说：“科技史不是教授学生如何利用科学技术，而是教授他如何理解科技的重大发现对人类社会的影响。”笔者兹以人民版“近代物理学的奠基人和革命者”一课为例，对人文精神视阈下的科技史教学作一尝试，就教于同仁。一、教学分析1.课标分析课标要求“了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义”。据了解，一些教师把教学重点放在“了解”和“知道”科学发明的内容上，甚至把牛顿力学的教学演示照搬到科技史教学中，而对于高中物理教师都难以解释的相对论、量子论，就截取科教片中的视频播放了事。教师蜻蜓点水、面面俱到的讲解，学生似懂非懂，基本失去了科技史教学的特点和魅力，这种把科技史上成物理课的做法显然是对课标的误读。2.教材分析教材的三个子目分别叙述的是经典力学、量子论和相对论的产生及其意义。如果就课标要求的“了解、认识”这些科学成果，教师只需照本宣科，达成目标似无大碍。但仔细思量，仍有需商榷之处。第一，本课标题讲的是物理学的奠基人和革命者，也就是说主角应该是人，但教科书对科学术语、概念讲得多，对人的叙述少，学生难以理解甚至会感到乏味。因此，教学中应该整合教学资源，调整教学的重心。建议兼容选修4中外历史人物评说中的内容进行预习，适当补充科学家的故事，充实人文精神的教育内容。第二，当下几个版本的教科书对这些重大科学发明的历史地位和意义的表述显得宏大且简略，特别是对哲学方面的意义叙述学生很难明白，这就需要教师选取恰当的事例加以阐释。第三，教材中的测试题、思考题略显封闭，需要在教学过程中对问题加以修改或由学生自主创设更为开放的问题，形成学生自由探讨的条件和氛围。3.学情分析学生在初中物理课中对经典力学有所了解，不必详述；而量子论和相对论要到高三物理课中才涉及，况且这些科学概念和原理的教学难度大，师生都存在较大理解障碍，因此，不必生硬地讲解，举浅显易懂的例子让学生了解即可。二、教学设计导入：著名作家毕淑敏在清华大学对理工科学生演讲时谈到一件事情。那是正值奥姆真理教事件沸沸扬扬之时，她和日本笔会朋友交谈中，日本朋友说，奥姆真理教的高级干部全都是理工科的大学生，他们全不爱文学，不看文学书，而爱好文学的人则比较不容易犯罪。后来毕淑敏就写了篇文章，题目就是爱好文学的人比较不容易犯罪，并投给了北京青年报。各位同学是否赞同这种观点？为什么？意图：问题导入法意在把学生带入对文理优劣讨论的问题情境，使学生进入“愤、悱”状态，引起学生的探究渴望，有利于激发学生积极性。这是一个开放且与本课教学有密切联系的问题，有助于学生辩证认识和理解科技知识与人文精神的内涵与关系。问题1：结合所学知识简述近代自然科学在哪些领域冲破了宗教神学的束缚并取得了重大成果？意图：本问题意在使学生将天文学、物理学、生物学等三大领域的科学革命对宗教神学束缚的突破串联起来，让学生从宏观上了解近代科学发展的脉络和架构，知道16世纪哥白尼的天文学、17世纪牛顿的经典物理学，19世纪达尔文的生物学，这些是近代科学革命过程中一座座丰碑。科学发展始终是在继承与突破中不断发展的。中世纪的欧洲，科学沦为了宗教神学的奴隶，所以近代科学必然首先是在破除宗教神学束缚之后产生。进化论的内容于此不赘，为什么要补充天文学革命的相关知识呢？这是由于现有中学人教版和人民版教材中对此均未涉及，如果省略哥白尼的天文学革命，就会产生一些问题。首先，近代科学革命最先在什么领域得到突破？标志是什么？其次，为什么近代科学首先在天文学领域得到突破？它在近代科学史上有何地位？哥白尼的日心说从根本上动摇了中世纪宗教神学的理论基础，是自然科学争取自身生存权的独立宣言，是近代自然科学从神学中解脱出来的起点，这理应成为近代科学史的重要内容。第三，科学革命的发生难道是一个个各自孤立的事件？科学史告诉我们，近代科学首先是在天文学领域得到突破，后来的开普勒、伽利略、牛顿和达尔文都与天文革命的发展有着一定的关系，孤立地看待科学发明与发现本身就不是科学的态度。对于物理学与天文学的关联，杨振宁先生曾这样解释：物理学分为三个领域，分别是实验领域、唯象理论和理论架构。他以经典力学作为案例“，经典力学开始是16世纪哥白尼，他对一些行星的观测是实验；开普勒是理论物理学家，他是第一个发现行星绕太阳走，路线是椭圆，这是唯象理论的结果；牛顿的自然哲学的数学原理把它变成了理论架构”。这既是对经典力学产生的通俗解读，也是对牛顿“如果说我比别人看得远些，那是因为站在巨人肩上的缘故”这句名言的恰当解读。问题2：根据你的了解，牛顿在生活和科学研究中的哪些故事给你印象深刻？请概述牛顿经典力学的主要内容？意图：前一个小问题意在引导学生多阅读。历史里面应该有故事，故事应该有蕴意。让学生在阅读中感知并提炼出成为科学家的一些特质和秉赋，如人格独立、大胆思考、敢于质疑权威；勤奋、专注、执着，善于观察的品质，等等。不过，作为科学家的牛顿，其思想也不是全都科学，如他认为“宇宙的规律是上帝创造的，认识规律就是认识上帝自己”。让学生认识，科学家也不是完美的。后一小问是基于课标要求，使学生了解经典力学的基本常识。不必过多阐释。材料1：1623年，英国议会通过了世界专利史上第一部完整的成文法。该法反映了现代专利法的基本内容，正是这样一部朴素的法律在很大程度上刺激了技术的发明，使英国在古代文明的基础上极其迅速地建立起了一个技术世界。岳麓版历史必修教师教学用书1662年，英王查理二世颁发特许状，成立促进自然知识的皇家学会，鼓励并协调全国各专业成果。1754年，“技艺、制造业及商业奖励会”成立，该会为已被确定的成就提供金钱、奖章和其他报酬。摘编自斯塔夫里阿诺斯全球通史英国现代民主政治创新试验方面的最大成就，是创造了一种全新的政体立宪君主制，并以此淘汰了已成为社会发展桎梏的绝对君主制。马克主编世界文明史问题3：依据材料并结合所学知识概述近代自然科学产生在17世纪的西欧的社会条件。意图：为什么近代自然科学诞生在17世纪的西欧而不是别的地区和国家？这是本课的一个重要问题，也是科技史教学中如何体现历史感要经常思考的类似问题。此问意在培养学生的阅读和概括能力，要求学生从材料和所学知识中归纳出英国的政治制度、立法规章，政府激励机制和市场经济运作机制等对催生科学发明的作用，说明科学技术的发明总是在适合它们的环境里得到生长发展。材料2：相对论的建立是对近代物理学理论框架的重大突破，形成了全新的时空观、运动观和物质观，是人类思想发展史中的一次根本性变革，量子力学的最终建立，是继相对论之后对经典物理学的一次更严重的打击，它向人们提供了一种全新的关于自然界的表述方法和思想方法。相对论同量子理论一起，构成了现代物理学的基本理论框架。顾云深主编世界文化史问题4：各位同学是怎样理解量子论、相对论这两大科学理论的？意图：如果照课标“知道相对论、量子论的主要内容”的要求设问，可以断定大部分学生会让老师失望，因为依本学段学生的能力是难以企及的，因此，这样的设问意义不大。那么，如何向学生讲解这两大科学成果在自然科学方面的影响呢？杨振宁先生在美与物理学中对量子论是这样进行科普的：“我们不讲它对于纯粹物理学的贡献，单讲大家可以了解到的对于日常生活的贡献，核能发电、核武器、激光、半导体元件以及今天的计算机通信工程，假如没有量子力学，所有这些工程都不可能发生。”相信有兴趣的学生在课后会思考和阅读有关量子论的书籍。教科书上还有一段话：“广义相对论认为，物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空间弯曲的程度体现为引力场强度。”这可能会使很多教师一头雾水。而中国科普作家协会的韩松先生则用了一个直观的比喻：“水平伸开的一块布是平坦的，而当你在布上放置一个铅球，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。同理，星球的质量使周围的时空弯曲，引力实际上是一个时空被弯曲的现象。”笔者以为这种贴近学生实际的、通俗的讲法可能效果更好些。材料3：1921年，爱因斯坦获得了诺贝尔奖金。这一奖来得十分不易。当时有不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获的奖章，结果评选委员会找到了一个办法，让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者而得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。吴国盛科学的历程文革期间，中国科学院曾这样批判相对论：“爱因斯坦的相对论中的严重错误就是目前阻碍自然科学前进的最大绊脚石之一”；“相对论是地地道道的主观主义和诡辩论，也就是唯心主义和相对主义”；“光速不变深刻反映了西方资产阶级认为资本主义社会是人类终极社会，垄断资本主义生产力不可超越，西方科学是人类科学的极限这种反动的政治观点”；“相对论根本违犯了唯物辩证法，而且也没有得到实验的直接验证”。韩松爱因斯坦的影响力问题5：谈谈你对这两段材料的认识。意图：此问意在引起学生的探讨，引发学生的思维碰撞。在教学中确有学生提出了一些值得教师思考的问题，如“德国那些诺贝尔奖获得者反对相对论是科学上的门户之见，还是认为相对论确实存在问题？他们为什么不反对光电效应获奖？”“文革时期中国科学界对相对论的批判仅仅是因为政治领域、意识形态的分歧，还是有其他原因？这是否与那时中国的科学水平确实较低，以至于科学家们真的不懂相对论有关？难道当时中国科学院就没有敢于持正确观点的科学家吗？”等问题。材料4：19世纪牛顿的绝对力学观在自然科学界占据主导地位，因而在哲学上也确立了绝对主义的哲学观，如黑格尔的绝对理念。受此影响，人们的思维方式也是一种二重性思维方式，习惯把所有的事物区分为两个方面，如现象与本质，外和内，表和里，变与不变，内容和形式，感性和理性等等，这种思维方式导致人们鄙视现实，坐而论道，厌恶感性和经验的东西，偏爱抽象，等等。打破这种观念和思维方式要归功于相对论为代表的科学革命。人们的批判观念在增强和完善，过去人们缺乏批判精神，现在人们认为，任何一种科学理论都没有达到对事物的绝对的认识，其中必然包含着错误的成份。爱因斯坦也明确表示，一旦他的广义相对论经不起实际观察事实的检验，他就愿意自动放弃这一理论。他认为害怕犯错误是一种与科学不相容的态度，试图避免错误是一种可怜的愿望。梁骏科技发展与西方人的观念问题6：据材料说明爱因斯坦的科学理论在哲学方面产生的影响。意图：当下教育的功利性使得学生的问题意识在很大程度上缺失了，很少有学生思考相对论、量子论对哲学和人类思想方面的影响，虽然课标和教材都有要求。笔者为了启发学生而选取了上述材料。杨振宁先生曾讲过，物理学研究到了尽头就是哲学，因此，材料所显示的相对论、量子论带来的科学革命，同时也带来了哲学和人类思想观念的重大变化，真理不再是绝对的；权威的理论随着时间的推移也将不再权威；一切所谓正确的理论都必然包含着错误的成分，等等，这对解放人们的思想，对创新意识的培育无疑有着重大的意义。材料5：爱因斯坦大概是这个世界上被谈论最多而所知最少的人物之一，据说爱因斯坦擅长拉小提琴，钟爱陀斯妥耶夫斯基，这倒使他多了几分温暖的气息。他的我的世界观可以看作是致世界公民的信。信中表达他主张个人自由与自主，崇尚民主政体，他对神秘世界的孩童般的好奇与追求，在今天看来，依然闪烁着自由尊严和智慧的光辉。爱因斯坦并没有把自己的注意力仅仅集中在自己的研究领域第一次世界大战时，德国有九十三位科学技术文化界名流联名发表宣言，为德国的战争罪行辩护，爱因斯坦则在仅有四人参加的反战宣言上签名。丁建弘德国通史爱因斯坦对中国人民的命运始终充满同情和关心。20年代他到过中国上海，看到社会的等级差别，他仇恨法西斯政权，九一八事变后他呼吁各国经济制裁日本。他得知美国投下的原子弹造成平民惨重伤亡时感到痛心和遗憾。现在社会越来越多的科学工作者失去了知识分子的本色。爱因斯坦是个出色的科学家，但他更是一个卓越的知识分子。据赵中立、许良英纪念爱因斯坦译文集等资料摘编问题7：“知识分子的本色”的含义是什么？为什么说爱因斯坦是出色的科学家，但他更是一个卓越的的知识分子？作者为什么对现代越来越多的科学工作者失去了知识分子的本色而担忧甚至批评？意图：台湾清华大学张元先生曾提出课堂教学中选取材料“应该既重要又有趣”的原则，笔者尝试选取能反映爱因斯坦在生活、科学、思想和人格等方面有一定代表性的材料，也许这些材料并不具有典型意义，但希望对忙于应对沉重繁多的课业负担而贫于阅读思考的中学生有一定的启示，使本课的教学更多地体现人、体现科学家的人文精神。我们不妨做一些设想，当学生们坐在科学大师跟前，欣赏着大师优美悦耳的琴声，分享着大师对小说中人物命运的关切，那么，材料中展现在学生面前的爱因斯坦便是一个有血有肉，有喜怒哀乐的活生生的人，而不是一些媒体描述的科学家通常都是一些不懂生活、总是做出有悖生活常理的科学怪人。作为科学家的爱因斯坦对艺术和文学的热爱一定会启迪着当下中国对教育的反思。他不是只关心自己的实验，他以寡敌众的反战签名，他对专制和战争的痛恨，他对中国百姓命运的同情与关心，都彰显出其独立而伟大的人格。他对民主的崇尚、自由的追求，“让每一个人都作为个人而受到尊重”的呼唤，至今都闪耀着人文精神的光辉，至今都会得到人类和世界的共鸣。这就是一个卓越的知识分子的标杆！其实，奥姆真理教的高级干部们学理工科知识并没有错，有些人不爱文学、不看文学书也并不是罪过。但是，科学家和科技工作者除了对科学技术的执著和热爱，还应该有一种人文情怀，他们必须要辨别正义与邪恶，区分真善美与假恶丑。当下社会有人利用高科技盗骗国家和善良百姓的财物，有人凭借专家学者身份弄虚作假，令人憎恨和痛心。笔者认为浓烈的人文精神应该是真正的科学家在葆有科学精神的同时，更应该拥有的灵魂。实际上不是所有学生都能够成为科学家，但是所有学生都应该、都能够成为具有高尚品质、关爱社会的人。因此，在教学中重视人文精神的培养才是符合社会进步的教育，才是我们对莘莘学子进行科技史教育的宗旨。