冀 林

(江蘇省常州高級中學(xué) 江蘇 常州 213000)

HPS是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)(即History,Philosophy and Sociology of Science)的英文縮寫．1997年，英國倫敦大學(xué)國王學(xué)院的科學(xué)教育學(xué)者蒙克和奧斯本聯(lián)合在《科學(xué)教育》雜志上發(fā)表了《把科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)融入課程中：一個教育學(xué)的發(fā)展模式》一文，提出了把HPS融入科學(xué)課程和教學(xué)的模式，這種模式要求把HPS的有關(guān)內(nèi)容引入中小學(xué)理科教育，以促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)他們的科學(xué)精神和創(chuàng)造力．學(xué)生在這種情景中的學(xué)習(xí)可稱為基于HPS的學(xué)習(xí)．

1 “HPS科學(xué)史教學(xué)模式”的觀點(diǎn)

基于HPS的學(xué)習(xí)模式，強(qiáng)調(diào)將理論學(xué)習(xí)與科學(xué)史、哲學(xué)史相結(jié)合，體現(xiàn)了人文主義精神，故又稱為社會文化模式．其理論基礎(chǔ)特別注意兩點(diǎn)：一是學(xué)生的已有知識和經(jīng)驗(yàn)；二是“我們?nèi)绾握J(rèn)知”這一重要的認(rèn)知論問題．

歌德說過：“一門科學(xué)的歷史，就是這門科學(xué)本身．”物理學(xué)是人類的社會生活實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)晶，也是無數(shù)科學(xué)研究者的智慧結(jié)晶．物理學(xué)史集中地體現(xiàn)了人類逐步認(rèn)識和探索物理世界的歷程，提供了豐富的物理科學(xué)發(fā)展的史料，將物理概念、定律的歷史發(fā)展展現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生了解知識的形成過程，從中獲取啟迪．高中物理教學(xué)中通過展現(xiàn)歷史上物理學(xué)家探索物理世界奧秘的艱辛歷程，將理科知識的學(xué)習(xí)放在廣闊的文化背景中，讓學(xué)生從物理學(xué)發(fā)展的歷史中領(lǐng)悟到科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)的精神．把物理知識的邏輯展開與物理學(xué)認(rèn)識的歷史發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來，體現(xiàn)了人文主義精神．

下文以人教版《物理·選修3-5》中“光的粒子性”為例，闡述HPS科學(xué)史教學(xué)模式對課堂研究的意義．

2 “HPS科學(xué)史教學(xué)模式”的課堂應(yīng)用實(shí)例

2.1 學(xué)習(xí)歷史

對于已經(jīng)學(xué)習(xí)過人教版《物理·選修3-4》教材的學(xué)生，已經(jīng)知道了光是一種電磁波，教師可以從已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行引入．

教學(xué)過程：五彩的光讓我們的世界更加動人．我國早在戰(zhàn)國時期，《墨子》一書中就記載了八條光學(xué)現(xiàn)象并做了注釋．而白居易的“一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅”更是包含了光的反射、折射、色散，將夕陽下江面的美景描述得淋漓盡致．那么，光究竟是什么呢？

關(guān)于光的本質(zhì)，17世紀(jì)，明確形成了兩大對立學(xué)說——波動說和粒子說．牛頓支持的是粒子說，由于波動說沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得粒子說一直占上風(fēng)．然而19世紀(jì)初開始，托馬斯·楊 、菲涅耳、馬呂斯等分別觀察到了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，一切的證據(jù)都指向光的波動說．后來，麥克斯韋和赫茲先后從理論和實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了光的電磁波本質(zhì)．至此，光的波動理論似乎已經(jīng)完美了．

然而，19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，讓人們重新思考光的本質(zhì)．

評價(jià)：科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家的時代背景有一定的聯(lián)系，這段富有戲劇性的歷史可以引起學(xué)生的興趣，引發(fā)求知欲，在學(xué)生心里形成一種求知若渴的狀態(tài)，又能引起學(xué)生思考：為什么光的電磁波本質(zhì)確定后還有科學(xué)家去質(zhì)疑光的本質(zhì)呢？光電效應(yīng)是在什么樣的情況下發(fā)現(xiàn)的呢？這些問題的思考可以引導(dǎo)學(xué)生以一種移情的方式設(shè)身處地地體驗(yàn)科學(xué)家的探究過程．

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教師演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)尋找光電效應(yīng)的規(guī)律．要研究光電效應(yīng)，先要設(shè)計(jì)電路．將光電管和電流表連成回路，光照下會觀察到指針偏轉(zhuǎn)，如圖1(a)．為了使更多的光電子到達(dá)A極板，可以給電路施加一個電壓，如圖1(b)．但是這樣的電路不能改變電壓的大小，所以加一個滑動變阻器，如圖1(c)．

圖1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖

評價(jià)：電路設(shè)計(jì)對于學(xué)生而言是一個難點(diǎn)，高考中也經(jīng)常有此類題目出現(xiàn)．這段教學(xué)設(shè)計(jì)不僅僅是訓(xùn)練學(xué)生的解題能力，也是讓學(xué)生體會設(shè)計(jì)的方法和思路．同時設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)決定哪種觀點(diǎn)有效和正確時，也需要學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性和富有想象力的思考．

2.3 實(shí)驗(yàn)探究規(guī)律

通過實(shí)驗(yàn)帶領(lǐng)學(xué)生探究，得到4點(diǎn)規(guī)律：

(1)存在著飽和電流，入射光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多，飽和電流越大．

(2)存在著遏止電壓，對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的．

(3)存在截止頻率(極限頻率)，用不同的單色光照射某種金屬，看看哪些頻率的光照射時能產(chǎn)生光電效應(yīng)．再用不同的單色光照射別的金屬，又看看哪種頻率的光照射時產(chǎn)生光電效應(yīng)．實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：任何一種金屬，都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于這個截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個頻率的光，無論光強(qiáng)怎樣大，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)．

(4)具有瞬時性，即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)．

評價(jià)：物理的課堂應(yīng)該是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課堂，作為教學(xué)輔助的有效手段，實(shí)驗(yàn)?zāi)芙档蛯W(xué)生對知識理解的難度．本身這節(jié)課的內(nèi)容比較難解釋清楚，如果一味理論探究，難免存在灌輸?shù)南右桑栽趯?shí)驗(yàn)上所花篇幅比較多，意圖通過對光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的處理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的精神，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題．

2.4 光電效應(yīng)解釋的疑難

用電磁波理論顯然無法解釋光電效應(yīng)的現(xiàn)象．

困難一：按電磁波理論，入射光強(qiáng)度越大，能量也越大，則光電子脫離金屬表面的動能也應(yīng)越大，從而其截止電壓Uc也大．但是實(shí)驗(yàn)表明，截止電壓與入射光的強(qiáng)度無關(guān)．

困難二：按電磁波理論，不管頻率多大，只要入射光的強(qiáng)度足夠大，金屬表面的電子就可以獲得足夠的能量逸出，產(chǎn)生光電效應(yīng)．但是實(shí)驗(yàn)表明，只要入射光頻率低于極限頻率，不論光強(qiáng)多大，都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)．

困難三：按電磁波理論，入射光照射在金屬上，能量的積累需要時間．只有達(dá)到了一定的能量，光電子才能逸出．但是實(shí)驗(yàn)表明，電子的逸出幾乎和入射光照射是同時的．

評價(jià)：這一部分主要靠教師的講解，處理不好就會拖沓，存在灌輸?shù)南右桑实谋硎鰟t可以成為一個新的聲音，增加一種包含教師個人理解的觀點(diǎn)．教師的語言要中肯，更不應(yīng)簡單地?cái)嘌阅撤N觀點(diǎn)就是錯誤的．

2.5 問題的解決 愛因斯坦的量子說

種種疑難呼喚新的觀點(diǎn)、新的理論，愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論．此時課堂教學(xué)已進(jìn)入高潮，學(xué)生開始若有所思．教師引導(dǎo)學(xué)生去課本尋找答案，隨著愛因斯坦一起去解決問題，得出光電效應(yīng)方程．

學(xué)生腦中縈繞了很長時間的問題終于得到了解決．為了讓學(xué)生明白科學(xué)結(jié)論的得出并不是一蹴而就的，教師適時降溫處理：愛因斯坦提出這個觀點(diǎn)后，并沒有被人們承認(rèn)，而是受到了很多質(zhì)疑．密立根就是一位反對者．他通過精湛的技術(shù)測量光電效應(yīng)中幾個重要的物理量，想以此反駁愛因斯坦的觀點(diǎn)，最終卻成為了愛因斯坦光子說理論的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)．正是他的實(shí)驗(yàn)工作幫助愛因斯坦獲得了諾貝爾物理學(xué)獎．

評價(jià)：密立根的介紹雖然簡短但是必要的．通過這一過程可以使學(xué)生了解，科學(xué)史上許多重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明常被人們有意無意地罩上神秘的光環(huán)，似乎科學(xué)家都是能呼風(fēng)喚雨的魔術(shù)師．實(shí)際上科學(xué)的道路并不是一條坦途，而是經(jīng)歷了曲折的旅程才最終到達(dá)勝利的彼岸．

2 對“HPS科學(xué)史教學(xué)模式”的反思

科學(xué)史與哲學(xué)的學(xué)習(xí)以及當(dāng)前科學(xué)理論的學(xué)習(xí)有機(jī)融合在一起，使科學(xué)與哲學(xué)不像以往那樣只是科學(xué)課可有可無的附加部分．整個教學(xué)過程提供了一個解決問題的情境，是一個探究過程，因而有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力．

“科學(xué)的本質(zhì)并不在于已經(jīng)認(rèn)識的真理，而在于探索真理”，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)已有真理時能引起他們的共鳴，若能進(jìn)而思考實(shí)驗(yàn)的作用是什么，科學(xué)家是怎樣認(rèn)知的，是如何“發(fā)現(xiàn)”新知識的，從而感知科學(xué)是如何發(fā)展的，科學(xué)和技術(shù)對社會有何影響，那么課已盡而意無窮，學(xué)生收獲的也就不僅僅是知識了．

參考文獻(xiàn)

1 汪明.基于“情境體驗(yàn)”物理學(xué)實(shí)踐研究.中學(xué)物理，2012(2)

2 朱小蔓.情感教育論綱.北京:人民教育出版社,2007

3 瞿曉峰.課型范式與實(shí)施策略.南京:江蘇教育出版社,2012