李勇 程力

2004年國家實施普通高中課程標準，提出了“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”三維培養(yǎng)目標，更加注重思想與方法、態(tài)度與價值觀等方面的培養(yǎng)。物理學(xué)史由于它所具有的豐富內(nèi)容和獨特視角，為提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進三維課程目標的達成提供了重要的素材。為了更好地體現(xiàn)新課程理念，高考物理學(xué)科進一步加強了物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容的考查，充分挖掘物理學(xué)史的內(nèi)在價值，促進學(xué)生人文精神和科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成，引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)加強物理學(xué)史的教育，以實現(xiàn)物理教學(xué)的科學(xué)和人文價值。

1 物理學(xué)史教育的意義

物理學(xué)史是在物理學(xué)發(fā)展過程中形成的，描述物理學(xué)發(fā)展歷程的學(xué)科，是關(guān)于物理學(xué)本身發(fā)展規(guī)律的學(xué)問[1]。物理學(xué)史主要研究物理學(xué)概念、理論和思想的產(chǎn)生、演化過程及其發(fā)展規(guī)律，考察物理學(xué)家的生平、成就以及思維方式和研究方法上的特點，探究物理學(xué)家科研成敗的原因，研究歷史上物理學(xué)發(fā)展中不同觀點和理論之間的紛爭與融合，考察物理學(xué)發(fā)展的內(nèi)部邏輯、外部動力和相互關(guān)系。

關(guān)于物理學(xué)史在物理教育或科學(xué)教育中作用的研究很多。從20世紀初的全德自然和科學(xué)技術(shù)會議上提出物理教育要重視物理學(xué)史，到20世紀50年代美國進行“新物理運動”的課程改革[2]，再到我國1990年召開首屆物理學(xué)史與物理教育學(xué)術(shù)研討會，時至今日，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于物理學(xué)史的教育意義獲得了豐富的研究成果。我國著名的科學(xué)家、物理學(xué)家錢三強先生強調(diào)“物理學(xué)史里面有大量智慧的結(jié)晶，這不但是知識的寶庫，而且是智慧的寶庫，有著很多豐富的養(yǎng)分，很值得我們?nèi)ラ_發(fā)和利用”[3]。物理學(xué)給人知識，而物理學(xué)史則給人以智慧，對物理學(xué)的發(fā)展有著重要的作用[4]。法國著名的物理學(xué)家郎之萬在談到科學(xué)史的教育價值時說，那種認為只須掌握已獲得的確定的定理的想法是絕對錯誤的，它“會使科學(xué)喪失掉它的全部教育價值”，而在科學(xué)教育中加入歷史的觀點是百利而無一弊的[5]。

自20世紀末以來，科學(xué)教育界就提倡把科學(xué)史納入科學(xué)課程中，這說明科學(xué)教育界已經(jīng)認識到科學(xué)的歷史在科學(xué)教育中對實現(xiàn)教育目標具有重要的作用。具體到物理學(xué)史對于學(xué)生知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的作用，研究者認為主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，能夠幫助學(xué)生更好地理解物理概念和規(guī)律。當學(xué)生學(xué)習(xí)基本概念、規(guī)律或理論時，只有了解了它們產(chǎn)生發(fā)展的時代背景和過程、問題的提出和解決方法等內(nèi)容，才能更好地理清知識的來龍去脈，更加深刻地理解和掌握這些概念和規(guī)律的物理意義。第二，能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握物理思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。物理學(xué)家在研究物理的過程中，提出并形成了許多研究思想和方法，諸如理想模型、觀察和實驗、類比和聯(lián)想、猜測和探究、分析和綜合、佯謬和反證、科學(xué)假設(shè)等。通過大量的物理史實來學(xué)習(xí)物理學(xué)家如何運用這些方法取得重要成果，可以對學(xué)生進行科學(xué)方法教育[6]，提高學(xué)生研究問題和解決問題的能力。第三，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理和科學(xué)的興趣和好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。有研究者認為，學(xué)生普遍對物理學(xué)感到枯燥和深奧，把物理學(xué)家看成高不可攀的天才，多少都與教材、教學(xué)過程以及教師的素養(yǎng)中缺乏歷史觀點這一因素有關(guān)[7]。物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生了解物理學(xué)家的生平、科學(xué)探索精神、解決問題的思想和方法，體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生充分認識到物理學(xué)是一門生動多彩、充滿生機、有廣闊發(fā)展前景的學(xué)科，從而增強學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲；物理學(xué)史中包含大量的創(chuàng)造性思維的形成和發(fā)展的案例，蘊含著科學(xué)創(chuàng)新的價值和意義，能夠間接地推動物理學(xué)新成果的不斷發(fā)現(xiàn)和發(fā)明[8][9]。第四，有利于培養(yǎng)學(xué)生的人文精神和科學(xué)素養(yǎng)，形成正確的人生觀和科學(xué)觀[10][11][12][13]。通過學(xué)生了解物理學(xué)家探索物理理論的過程，知道科學(xué)概念和規(guī)律產(chǎn)生和發(fā)展的矛盾、原因和結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生立足于當時歷史條件認識事物的正確科學(xué)觀；通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，使學(xué)生受到多方面的人文教育，提升學(xué)生的人文和科學(xué)素養(yǎng)。

2 高中教學(xué)關(guān)于物理學(xué)史的要求

實施課程改革以后，高中物理教學(xué)進一步加強了對物理學(xué)史的要求，明確了物理學(xué)史的教學(xué)目標和內(nèi)容標準?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（實驗）》在課程目標中做了詳細描述，如“初步了解物理學(xué)的發(fā)展歷程，關(guān)注科學(xué)技術(shù)的重要成就和發(fā)展趨勢以及物理學(xué)對經(jīng)濟、社會發(fā)展的影響”；“經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律”；“能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅”[14]，等等。在具體的內(nèi)容標準中，課程標準也提出了明確的要求，如“通過史實，初步了解近代實驗科學(xué)產(chǎn)生的背景，認識實驗對物理學(xué)發(fā)展的推動作用”、“通過有關(guān)事實了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程。體會科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用”、“了解奧斯特、安培等科學(xué)家的實驗研究對人們認識電磁現(xiàn)象所起的重要作用”、“了解我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果及其對人類文明的影響”，等等。與以前的教學(xué)大綱相比，這些內(nèi)容更加具體、明確，對教學(xué)具有更強的指導(dǎo)意義?？傮w而言這些內(nèi)容標準大體可以分為以下三類：第一，了解物理學(xué)家在物理發(fā)展過程中的貢獻，理解與物理學(xué)家相關(guān)的重要物理概念、規(guī)律和理論；第二，了解物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)或探究物理規(guī)律的過程，領(lǐng)會物理學(xué)家探究過程中的物理思想或方法，體會科學(xué)探索中的成功或挫折對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義，了解物理學(xué)的發(fā)展對社會、經(jīng)濟和科技的影響；第三，了解我國古代在物理學(xué)方面的成就。

課程標準后的教材也增加了物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，以人民教育出版社出版的高中物理必修1和必修2（2004年初審?fù)ㄟ^，2010年第3版）為例，涉及的物理學(xué)史的內(nèi)容如表1所示。

通過對必修系列和選修3系列各個模塊中物理學(xué)史內(nèi)容的統(tǒng)計，共有46個物理學(xué)史的內(nèi)容，其中在教材正文中呈現(xiàn)的有26個，以“科學(xué)足跡”材料呈現(xiàn)14個，以“科學(xué)漫步”材料呈現(xiàn)9個，以“STS”材料呈現(xiàn)2個，以“課題研究”和“習(xí)題”呈現(xiàn)的分別1個。

由此可見，課程改革后非常重視物理學(xué)史的教學(xué)，結(jié)合學(xué)科的特點，適時、適度、適量地運用某些物理學(xué)史料，將物理學(xué)史與物理學(xué)知識、能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)密切地聯(lián)系在一起，不僅能夠傳授科學(xué)知識、培養(yǎng)學(xué)生能力，教育學(xué)生如何思維和探究，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀和價值觀，提高學(xué)生的人文和科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的思想道德水平[15]。

3 高考關(guān)于物理學(xué)史的考查

高考物理一直注意對物理學(xué)史內(nèi)容的考查，特別是課程改革以后，高考物理改變了以往單純考查物理學(xué)史知識的方法，注重聯(lián)系物理學(xué)史內(nèi)容，考查學(xué)生的能力和素養(yǎng)。通過考查學(xué)生對物理概念和規(guī)律的產(chǎn)生和發(fā)展過程、物理學(xué)家探索發(fā)現(xiàn)物理概念和規(guī)律的過程和研究方法等內(nèi)容的了解，鑒別考生掌握物理概念和規(guī)律的程度，反映考生的科學(xué)素養(yǎng)，引導(dǎo)中學(xué)重視物理學(xué)史的教學(xué)。

通過梳理、分析2007年以來全國卷中關(guān)于物理學(xué)史的試題，主要可以分為以下幾類：

3.1 通過呈現(xiàn)物理學(xué)家的貢獻，考查考生的基本科學(xué)素養(yǎng)

物理學(xué)的發(fā)展過程，實質(zhì)上是物理學(xué)家不斷探索、發(fā)現(xiàn)重要概念和規(guī)律的過程，正是由于這些投身于物理研究的科學(xué)家的貢獻，經(jīng)過4個世紀的發(fā)展，物理學(xué)才成為一門有著眾多分支、令人尊敬和熱愛的基礎(chǔ)科學(xué)。對于物理學(xué)家貢獻的理解有利于厘清物理學(xué)發(fā)展的歷程，構(gòu)建清晰的物理學(xué)知識體系，提升學(xué)生的人文精神和科學(xué)素養(yǎng)。新課程后高考物理中許多物理學(xué)史試題都是直接考查物理學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)或發(fā)明，要求考生在理解的基礎(chǔ)上掌握物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理概念或規(guī)律的內(nèi)容，從而促進學(xué)生對概念和規(guī)律的理解和掌握。

例1：（2010年課標卷）在電磁學(xué)發(fā)展過程中，許多科學(xué)家做出了貢獻。下列說法正確的是

A.奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)；法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象

表1

B.麥克斯韋預(yù)言了電磁波；楞次用實驗證實了電磁波的存在

C.庫侖發(fā)現(xiàn)了點電荷的相互作用規(guī)律；密立根通過油滴實驗測定了元電荷的數(shù)值

D.安培發(fā)現(xiàn)了磁場對運動電荷的作用規(guī)律；洛侖茲發(fā)現(xiàn)了磁場對電流的作用規(guī)律

例2：（2014年課標甲卷）在人類對微觀世界進行探索的過程中，科學(xué)實驗起到了非常重要的作用。下列說法符合歷史事實的是

A.密立根通過油滴實驗測出了基本電荷的數(shù)值

B.貝克勒爾通過對天然放射現(xiàn)象的研究，發(fā)現(xiàn)了原子中存在原子核

C.居里夫婦從瀝青鈾礦中分離出了釙（Po）和鐳（Ra）兩種新元素

D.盧瑟福通過α粒子散射實驗證實了在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子

E.湯姆遜通過陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的實驗，發(fā)現(xiàn)了陰極射線是由帶負電的粒子組成的，并測出了該粒子的比荷

在電磁學(xué)和原子物理學(xué)的發(fā)展過程中，許多物理學(xué)家都做出了重大發(fā)現(xiàn)，為電磁學(xué)和原子物理學(xué)概念和規(guī)律、理論框架的建立做出了突出的貢獻。高中物理教材中在講述這些概念和規(guī)律時，都闡述了這些物理學(xué)家的貢獻。上面兩個例題通過考查考生對這些物理學(xué)家貢獻的了解情況，鑒別考生是否了解相關(guān)概念和規(guī)律，知識脈絡(luò)是否清晰，有利于幫助學(xué)生形成合理的學(xué)科框架，養(yǎng)成崇尚科學(xué)、尊重科學(xué)的良好習(xí)慣。

3.2 通過物理學(xué)家探究問題的思想和方法，考查物理過程與方法

物理學(xué)家探究物理概念或規(guī)律的思想和方法，體現(xiàn)了物理學(xué)家解決問題的智慧。通過再現(xiàn)物理學(xué)家研究問題的史實，讓考生重復(fù)物理學(xué)家研究和發(fā)現(xiàn)物理問題的實驗或方法，從而鑒別考生對相關(guān)物理過程和方法的理解和掌握程度。

例3：（2014年課標乙卷）在法拉第時代，下列驗證“由磁產(chǎn)生電”設(shè)想的實驗中，能觀察到感應(yīng)電流的是

A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合回路，然后觀察電流表的變化

B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈，然后觀察電流表的變化

C.將一房間內(nèi)的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接。往線圈中插入條形磁鐵后，再到相鄰房間去觀察電流表的變化

D.繞在同一鐵環(huán)上的兩個線圈，分別接電源和電流表，在給線圈通電或斷電的瞬間，觀察電流表的變化

例4：（2013年課標乙卷）圖1是伽利略1604年做斜面實驗時的一頁手稿照片，照片左上角的三列數(shù)據(jù)如下表。表中第二列是時間，第三列是物體沿斜面運動的距離，第一列是伽利略在分析實驗數(shù)據(jù)時添加的。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，伽利略可以得出的結(jié)論是

圖1

A.物體具有慣性

B.斜面傾角一定時，加速度與質(zhì)量無關(guān)

C.物體運動的距離與時間的平方成正比

D.物體運動的加速度與重力加速度成正比

例3以法拉第時代驗證“由磁產(chǎn)生電”設(shè)想的實驗中的失敗和成功的生動史實為背景，考查學(xué)生對于電磁感應(yīng)定律的掌握程度；例4通過給出伽利略斜面實驗的數(shù)據(jù)，要求考生根據(jù)數(shù)據(jù)歸納出相關(guān)結(jié)論。這兩道試題通過呈現(xiàn)物理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)物理問題的實際情境，要求學(xué)生通過嘗試和重復(fù)物理學(xué)家探究物理概念和規(guī)律的方法，對物理問題進行分析和判斷，并得出結(jié)論，展現(xiàn)了在科學(xué)研究中實際出現(xiàn)的“失敗、失敗、直至成功”的經(jīng)歷，讓考生體會物理學(xué)家科學(xué)探究的努力、艱辛和曲折。

3.3 利用物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)或理論，考查分析和評價物理問題的能力

物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)或相關(guān)理論的提出，都是基于一定的歷史條件或前提假設(shè)。學(xué)生應(yīng)該能夠在一定的歷史條件或假設(shè)的前提下，來理解和應(yīng)用這些發(fā)現(xiàn)或理論。高考物理通過呈現(xiàn)物理學(xué)家的研究結(jié)論，要求考生運用這些結(jié)論來分析具體的物理問題，檢驗考生對物理史實的了解和相關(guān)理論的理解情況。

例5：（2011年課標卷）為了解釋地球的磁性，19世紀安培假設(shè)：地球的磁場是由繞過地心的軸的環(huán)形電流I引起的。在下列四個圖中，正確表示安培假設(shè)中環(huán)形電流方向的是

例6：（2007年海南卷）16世紀末，伽利略用實驗和推理，推翻了已在歐洲流行了近兩千年的亞里士多德關(guān)于力和運動的理論，開啟了物理學(xué)發(fā)展的新紀元。在以下說法中，與亞里士多德觀點相反的是

A.四匹馬拉的車比兩匹馬拉的車跑得快；這說明，物體受的力越大，速度就越大

B.一個運動的物體，如果不再受力了，它總會逐漸停下來；這說明，靜止狀態(tài)才是物體長時間不受力時的“自然狀態(tài)”

C.兩物體從同一高度自由下落，較重的物體下落較快

D.一個物體維持勻速直線運動，不需要受力

例5要求考生根據(jù)安培假設(shè)對地球的磁性進行判斷，例6通過幾個物理事實考查考生對亞里士多德的基于直覺經(jīng)驗得出的、與現(xiàn)代經(jīng)典物理規(guī)律相違背的理論的了解和認識，從而了解物理概念的發(fā)展過程。這兩道例題要求學(xué)生在正確理解的基礎(chǔ)上對當時歷史條件下的物理問題進行分析和判斷，從而得到正確答案。

通過對近些年來高考中物理學(xué)史考查試題的分析和總結(jié)，當前高考關(guān)于物理學(xué)史考查的理念和方法主要如下：

（1）知識內(nèi)容：主要考查在物理學(xué)發(fā)展過程中物理學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，包括物理概念、規(guī)律和理論；物理學(xué)家探究物理問題的過程、思想和方法，學(xué)生能否應(yīng)用這些研究過程、思想和方法去對當時的物理問題或新的物理問題進行分析、判斷和評價，了解學(xué)生對這些物理思想、方法和過程的理解程度；物理學(xué)家研究物理問題的重要實驗的原理、方法和結(jié)論。

（2）能力目標：主要考查考生的理解和推理能力。通過物理學(xué)史的知識內(nèi)容，加深對物理概念和規(guī)律的理解，或者能夠運用物理學(xué)史的相關(guān)知識去推理和分析當時歷史條件下的物理問題或新的具體物理問題。

（3）題型：主要通過選擇題進行考查，一般為四選多或五選多的選擇題，從而能夠?qū)δ巢糠謨?nèi)容中的物理學(xué)史知識進行比較全面的考查，有利于引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，利用物理學(xué)史知識的學(xué)習(xí)，梳理物理學(xué)觀念和規(guī)律的發(fā)展脈絡(luò)，建立清晰的物理知識體系。

（4）難度控制：根據(jù)物理學(xué)史試題的考查目標，其難度一般控制在中等難度或偏易，從而保證發(fā)揮其良好引導(dǎo)中學(xué)教學(xué)的目的。從課程標準后高考全國卷考查的15道物理學(xué)史試題的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，其中11道試題難度分布在0.45到0.6之間，有2道試題難度分別為0.22和0.35，2道試題難度分別為0.67和0.79。總體而言，難度控制得當，對考生有良好的區(qū)分。

4 今后高考物理考查物理學(xué)史的思考

強調(diào)科學(xué)的人文功能和教育功能是當今科學(xué)教育的重要內(nèi)容之一，通過高考中物理學(xué)史的考查，引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)重視物理學(xué)史的教育，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和人文精神，能夠更加突出高考“兩個有利”的功能。對于物理學(xué)史在高考中的要求，今后可以進一步研究和探討：

1.明確高考關(guān)于物理學(xué)史內(nèi)容考查的要求。高中物理課程標準中明確描述了有關(guān)物理學(xué)史教學(xué)的內(nèi)容標準，有利于教師清楚地把握物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容和要求，而在高考《考試大綱》和《考試說明》中除了命題原則中有相關(guān)描述外，并沒有關(guān)于物理學(xué)史內(nèi)容的具體要求。而有的國外考試十分重視物理學(xué)史的考查，明確了物理學(xué)史的考查目標和考試內(nèi)容[16]。實施課程標準高考以后，物理學(xué)史成為每年高考的必考內(nèi)容，因此有必要將部分主要的物理學(xué)史內(nèi)容的要求呈現(xiàn)在《考試大綱》或《考試說明》中，明確物理學(xué)史的考查要求。同時，要細化物理學(xué)史的考核目標。關(guān)于科學(xué)教育的目標，申先甲先生認為分為三個層次[17]，第一層次是直接傳授知識和培養(yǎng)學(xué)生的能力；第二層次是教會學(xué)生如何思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維；第三層次是教學(xué)生如何做人，培養(yǎng)正確的價值觀和人生觀，提高學(xué)生思想道德水平和文化素養(yǎng)。當前物理學(xué)史的考查方式主要體現(xiàn)在第一層次上，在第二層次方面略有體現(xiàn)，而對于第三層次的目標沒有明顯體現(xiàn)。因此，應(yīng)該進一步研究能夠考查學(xué)生的思維過程，反映學(xué)生價值觀的試題設(shè)計方法，通過分析、評價等手段，對物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容進行價值分析和判斷，挖掘物理學(xué)史中的物理思想和方法，讓學(xué)生更好地體驗科學(xué)對社會經(jīng)濟生活的重大影響。

2.創(chuàng)新物理學(xué)史試題設(shè)計的方式方法。與傳統(tǒng)的物理學(xué)史考查方法相比，當前的物理學(xué)史試題設(shè)計已經(jīng)發(fā)生了較大變化，避免了“死記硬背”的“再現(xiàn)”式方法，而是考查考生通過物理學(xué)史內(nèi)容理解和推理的能力。今后應(yīng)進一步挖掘物理學(xué)史的內(nèi)容，通過拓展物理學(xué)史的內(nèi)容素材，豐富物理學(xué)史情境的呈現(xiàn)方式，變化試題的設(shè)問角度等多種方法提高物理學(xué)史內(nèi)容的考查信度和效度。

3.題型多樣化，完善題型考查功能。當前高考物理考查物理學(xué)史的題型只有選擇題，題型單一，考查功能有所缺失。應(yīng)該研究其他題型的設(shè)計方式，包括簡述題、評析題等，通過呈現(xiàn)考生對物理史實及其地位和作用的分析、評價和判斷的過程，鑒別考生對物理概念和規(guī)律的理解，對物理思想和方法的價值判斷，以及科學(xué)和技術(shù)對科學(xué)思維和當今時代的各種影響，體現(xiàn)對考生的情感態(tài)度與價值觀的正確導(dǎo)向。

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