高中历史与物理学的交叉学科教学

时间:2019-09-27

　　摘    要：　高中历史课中关于学科交叉内容的教学应该引起广泛关注。教师在教学时应努力打通学科壁垒, 促进学生全面发展。如讲授“物理学的重大进展”一课时, 应深入研究课标要求, 精心备课, 通过讲授学科意义上的物理学等, 使学生理解物理学学科的内涵、特点;通过讲授亚里士多德对物理学发展的历史性贡献, 使学生认识物理学科的历史传承性;通过讲授物理学思想方法等, 使学生理解物理学科的文化属性。最终使学生融合科技与人文两种文化, 认识物理学理论在自然科学理论发展中的历史地位和意义。

　　关键词：　历史教学; 交叉学科; 文理相通; 物理学;
 

　　Abstract：　The teaching of cross-subject content in history class of senior high school should be widely concerned. In teaching, teachers should try to break through the barriers of subjects and promote the all-round development of students. For example, in the course of teaching“Major Progress in Physics”, we should conduct in-depth research on the requirements of the curriculum, carefully prepare lessons, and teach physics in the sense of discipline to enable students to understand the connotation and characteristics of physics. By teaching Aristotle's historical contribution to the development of physics, students are made to understand the historical inheritance of physics. Through the teaching of physics thoughts and methods, students can understand the cultural attributes of physics.And students are able to integrate science and technology and humanities to understand the historical position and significance of physics theory in the development of natural science theory.

　　Keyword：　history teaching; cross-subject; the integration of science and technology and humanities; physics;

　　高中历史中, 涉及历史学与文学、艺术学、经济学、教育学、自然科学等学科交叉的内容, 如何在历史教学中恰当地处理这一内容, 是广大一线历史教师面临的挑战。以人教版《历史3》 (必修) 第四单元“近代以来世界的科学发展历程”中第11课“物理学的重大进展”为例分析历史与物理学的交叉学科教学[1]。

　　一、深入研究课标要求

　　课标是教学中的重要依据, 第11课课标要求:“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。”

　　从要求中可以看出, 学生只需要“了解”“知道”经典力学、相对论、量子论的主要内容, 不必“掌握”与“应用”。众所周知, 物理学是自然科学的基础, 是一门高度定量、理论和实验高度结合的精确精密科学。学科本身的难度是比较大的。在历史教学中, 不宜在物理内容的具体解释上过多展开, 尤其是在相对论、量子论方面。事实上, “在学情方面, 高二学生在物理学习中对经典力学有所了解, 具有一定的知识储备, 但他们尚未学习过量子论和相对论等知识。”[2]在这种情况下, 对于具体物理知识而言, 教师只需要依据教材内容和参考资料, 做适度讲解即可。

　　课标要求学生认识物理学理论在自然科学理论发展中的历史地位和意义, 这应该是历史教学的重点。如何把握这一重点?笔者认为, 首先要理解物理学学科的内涵和特点;其次要认识物理学科的历史传承性;最后要理解物理学科的文化属性。

　　二、物理学的内涵及特点

　　物理学经历了五次理论的大综合 (牛顿力学的建立、能量守恒定律的建立、电磁理论的建立、相对论的建立、量子理论的建立) , 极大地推动了社会生产力的进步, 引发了蒸汽技术时代、电气技术时代、信息技术时代的到来。物理学对人们生活水平的提高所起的作用也是有目共睹的, 无需多言。但究竟什么是物理学?

　　很多学生认为物理学就是一些机械设备、电子设备、光学仪器等的集合。在这样的认知下, 当看到教材中出现的“经典力学”“相对论的创立”“量子论的诞生与发展”等条目时, 会产生“这是物理学吗”“这是有趣的物理学吗”“这是五彩缤纷的物理学吗”等一系列疑问而不知所措。此时, 教师要因势利导并告诉学生, 大家熟知的家用电器、能源技术、半导体技术以及激光技术等高新技术都是物理学在社会生产生活中的广泛应用。而学科意义上的物理学, 是研究自然界最基本的物质结构与运动规律、最普遍的相互作用以及所使用的实验手段和思维方法的自然科学, 其包含三个系统:知识系统、原理与方法系统、实物系统[3]。

　　物理学知识系统按研究对象划分, 已包含高能物理学、原子分子物理学、凝聚态物理学、天体物理学等;按研究要素可包含物质、能量、空间、时间及它们的相互作用等;按理论体系可包含经典力学、相对论、量子论等。教材中主要介绍的是物理学理论体系。“追随一个伟大的物理学理论行进, 看看它宏伟地展现了它从初始假设出发的规则的演绎, 看看它的推论描述了众多的实验定律直至最小的细节, 人们不能不被这样的结构之美而陶醉, 不能不敏锐地感到这样的人的心智的创造物真正是艺术作品。”[4]

　　物理学理论是通过概念的抽象和定义、为数很少的基理、规则的数学运算演绎建立起来的既能解释已有现象又能准确预言未知实验结果的命题体系。我们知道, 自然界提供的事实不可胜数, 人们不可能把所有事实都变为记忆并传播。但当人们把个体事实中的带有普遍性的共同点抽取出来, 继而形成物理学概念及定律即命题而代替了大量的具体事实时, 人们就可以通过命题方便地记忆并传播事实。当然, 物理学进一步把这些命题浓缩在为数很少的基理中, 根据这些基理, 人们能够无遗漏、无重复地演绎出所有的物理学定律, 大大减轻了人们的心智负担。经典力学、相对论等就是这样的理论体系。经典力学建立在力学三定律之上;电动力学建立在“场”和麦克斯韦方程组之上;狭义相对论建立在光速不变和相对性原理之上;广义相对论建立在等效原理和广义协变原理之上;量子力学建立在波函数和薛定谔方程之上。就像文件盒上的标签, 有逻辑地把不是同一类的文档分开, 人们能迅速找到所需要的文档, 而不至于乱找或拿错。同样, 物理学理论能够使人们准确找到可以解决给定问题的定律, 这让物理学定律群变得更易掌握, 变得更美。

　　物理学原理系统包含真理性原理、简单性原理、统一性原理等;方法系统包含演绎归纳法、类比联想法、猜测试探法、模型化方法、实验方法等。物理学实物系统包括为探究物理问题而制作的粒子加速器、激光器、天文望远镜等专业仪器设备。

　　三、物理学科的历史传承性

　　教材中讲“经典力学”时, 用较大篇幅谈意大利物理学家伽利略的突出贡献, 其中也提到了古希腊哲学家亚里士多德。事实上, 亚里士多德对物理学的发展有着历史性贡献。对于这一点, 作为历史教师, 应抱着尊重历史的态度给学生讲清楚。亚里士多德的传世名言“我敬爱柏拉图, 但我更爱真理” (吾爱吾师, 吾尤爱真理) [5]就是第一个贡献。这句名言启示人们不要被动接受知识, 要认识到知识的可辩驳性, 能够在继承的基础上审视性地评价现有的理论和传统, 这也正是近代以来物理学的研究风格。如教材所述, 伽利略批驳了人们长期信奉的亚里士多德运动理论正是这一风格的体现。同时也要注意到, “伽利略的思想不是从天上掉下来的, 他经历了曲折的摸索过程。开始, 他甚至还是亚里士多德的维护者。”[6]这说明, 物理学的研究离不开历史环境, 研究是在继承前提下的创新。教材中也较详细地介绍了牛顿的杰出贡献, 还谈到绝对时间和空间问题。几百年来, 不少人怀疑绝对时空概念, 奥地利物理学家马赫在他的《力学史评》中就作出了批驳。爱因斯坦高度评价马赫的工作, 称其为“相对论的先驱”, 这都是“吾爱吾师, 吾尤爱真理”的具体表现。亚里士多德第二个贡献是他的自然哲学目标:找出事物本性和原因, 为此他研究重物下落等自然现象。功夫不负有心人, 最终他在总结前人成就的基础上, 创造性地提出理论, 留下着作如《物理学》等。“物理学”的名称就来自亚里士多德的《物理学》一书。从牛顿的经典物理学奠基之作《自然哲学之数学原理》 (1687) 一书的名字也可看出物理学与自然哲学密切的关系。第三个贡献是他朴素的概念抽象与数学运算方法。“在亚里士多德的着作中讨论了力学问题。这个伟大的逍遥学派领悟到在矩形这种特殊情况下力的平行四边形的概念。”[7]这一成就非同小可。如前所述, 物理学研究工作是难度较大的工作之一, 之所以难, 原因是这种脑力劳动不是单纯的、同类的劳动量的增加, 而是要求人们抽象出客观存在却超越人们感觉经验的对象, 且要求对这些对象进行规则的数学运算演绎, 建立起经得起实验检验的规律。那么, 亚里士多德能够抽象出力的概念并领悟到带有“数量”特征的平行四边形的概念, 很了不起。他还曾把杠杆等客观事物与有“数量”特征的圆联系起来, 并进行“数学运算” (把运动分解为切向运动和法向运动) , 试图建立杠杆理论。这种概念抽象与数学运算的方法一直历史地体现在了物理学发展过程中:牛顿发明了微积分数学, 并综合了从伽利略时代以来一个世纪的物理学工作, 形成了经典力学体系;爱因斯坦提出的相对论实现了极度数学化上的物理统一性;以波粒二象性概念为基础的薛定谔波动力学与海森伯矩阵力学的数学等价性。即使在现代量子论中, 基本粒子也仍然是数学形式。

　　四、物理学科的文化属性

　　人教版《历史3》 (必修) 主要讲授思想文化史, 设置的“物理学的重大进展”一课也应在文化层面展开讲解。“物理文化是古代哲学家、近代物理学家和现代物理共同体历经数千年逐步创造的物理知识体系、观念形态、价值标准以及约定俗成的工作方法的总和。”[8]物理知识体系不再赘述, 这里主要谈物理学思想方法等。

　　物理学不仅深刻揭示了客观规律, 而且还形成了一整套最基本、最典型、独特而有效的思想方法体系。譬如, 伽利略意识到不能仅靠观察天体运动等自然界已有现象来研究问题, 还需使被观察的客体处于受控状态并进行测量, 于是发明了实验方法。在研究落体运动定律时, 他通过改变距离、测量时间或改变时间、测量距离的斜面实验取得重要进展。同时, 他还运用理想化方法把实验和数学结合起来, 对物理学提出了严格的定量要求。在此基础上, 牛顿深信从实验现象通过归纳分析能得到接近真实的结论, 如出现新现象或例外情况只需进一步归纳修正即可使结论更精确。同时, 牛顿还深信自然界存在简单的内在和谐, 承认物质世界具有共同的物质属性, 在此思想指导下, 他把行星和地上物体的运动都统一在了万有引力和牛顿三定律中。把上述牛顿的自然哲学思想概括起来即物理学原理系统:真理性原理、简单性原理、统一性原理等。这样的思想方法带给人们源自于物质世界本质的启示, 对人的思想观念也产生了深远影响, 促使人们形成了追求真理、尊重客观规律、重视实践的科学意识。

　　此外, 作为相对论创立者的爱因斯坦的“探索精神、富有哲理的科学思维、高度的社会责任感和高尚的品德都深入人心, 为人们留下了宝贵的精神财富”[9]。如在认识论上带来的巨大改变:要谈认识, 客体必须不能脱离环境, 且“认识主体”也必须包括在客体所处环境中, 并通过运动和变化才能被认识。这对分析人类历史、人类文化、人类社会与环境之间的关系有重要的启发意义。

　　总之, 高中历史课中关于学科交叉内容的教学应该引起广泛关注和高度重视。现在讲培养又“专”又“博”的T型人才, 既要求学生在“文”“理”大学科内部要有宽广的学术视野, 同时还要求学生“文理相通”。它的迫切性在夏商周断代工程等历史文化活动中显而易见。因此, 教师在进行学科交叉内容教学时, 一定要精心准备, 努力打通学科壁垒, 尤其要融合科技与人文两种文化, 促进学生全面发展。

　　参考文献：

　　[1]人民教育出版社, 课程教材研究所, 历史课程教材研究开发中心.历史3 (必修) (第3版) [M].北京:人民教育出版社, 2007:54—57.
　　[2]陈志刚, 覃玉兰.例谈历史备课的出发点[J].历史教学, 2018 (5) :38—43.
　　[3]解世雄.物理文化与教育[M].北京:科学出版社, 2009:44.
　　[4][法]皮埃尔·迪昂.物理学理论的目的与结构[M].李醒民, 译.北京:商务印书馆, 2011:29—30.
　　[5]吴国盛.科学的历程 (2版) [M].北京:北京大学出版社, 2002:79.
　　[6]郭奕玲, 沈慧君.物理学史 (2版) [M].北京:清华大学出版社, 2005:16.
　　[7][美]弗·卡约里.物理学史 (2版) [M].戴念祖, 译.范岱, 年校.桂林:广西师范大学出版社, 2008:3.
　　[8]解世雄.物理文化与教育[M].北京:科学出版社, 2009:13.
　　[9]倪光炯, 王炎森.物理与文化——物理思想与人文精神的融合 (第3版) [M].北京:高等教育出版社, 2015:225.

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