高中歷史與物理學的交叉學科教學論文

　　摘 要：高中歷史課中關于學科交叉內(nèi)容的教學應該引起廣泛關注。教師在教學時應努力打通學科壁壘, 促進學生全面發(fā)展。如講授“物理學的重大進展”一課時, 應深入研究課標要求, 精心備課, 通過講授學科意義上的物理學等, 使學生理解物理學學科的內(nèi)涵、特點;通過講授亞里士多德對物理學發(fā)展的歷史性貢獻, 使學生認識物理學科的歷史傳承性;通過講授物理學思想方法等, 使學生理解物理學科的文化屬性。最終使學生融合科技與人文兩種文化, 認識物理學理論在自然科學理論發(fā)展中的歷史地位和意義。

　　關鍵詞： 歷史教學; 交叉學科; 文理相通; 物理學;

　　高中歷史中, 涉及歷史學與文學、藝術學、經(jīng)濟學、教育學、自然科學等學科交叉的內(nèi)容, 如何在歷史教學中恰當?shù)靥幚磉@一內(nèi)容, 是廣大一線歷史教師面臨的挑戰(zhàn)。以人教版《歷史3》 (必修) 第四單元“近代以來世界的科學發(fā)展歷程”中第11課“物理學的重大進展”為例分析歷史與物理學的交叉學科教學[1]。

　　一、深入研究課標要求

　　課標是教學中的重要依據(jù), 第11課課標要求:“了解經(jīng)典力學的主要內(nèi)容, 認識其在近代自然科學理論發(fā)展中的歷史地位。知道相對論、量子論的主要內(nèi)容, 認識其意義�！�

　　從要求中可以看出, 學生只需要“了解”“知道”經(jīng)典力學、相對論、量子論的主要內(nèi)容, 不必“掌握”與“應用”。眾所周知, 物理學是自然科學的基礎, 是一門高度定量、理論和實驗高度結(jié)合的精確精密科學。學科本身的難度是比較大的。在歷史教學中, 不宜在物理內(nèi)容的具體解釋上過多展開, 尤其是在相對論、量子論方面。事實上, “在學情方面, 高二學生在物理學習中對經(jīng)典力學有所了解, 具有一定的知識儲備, 但他們尚未學習過量子論和相對論等知識�！盵2]在這種情況下, 對于具體物理知識而言, 教師只需要依據(jù)教材內(nèi)容和參考資料, 做適度講解即可。

　　課標要求學生認識物理學理論在自然科學理論發(fā)展中的歷史地位和意義, 這應該是歷史教學的重點。如何把握這一重點?筆者認為, 首先要理解物理學學科的內(nèi)涵和特點;其次要認識物理學科的歷史傳承性;最后要理解物理學科的文化屬性。

　　二、物理學的內(nèi)涵及特點

　　物理學經(jīng)歷了五次理論的大綜合 (牛頓力學的建立、能量守恒定律的建立、電磁理論的建立、相對論的建立、量子理論的建立) , 極大地推動了社會生產(chǎn)力的進步, 引發(fā)了蒸汽技術時代、電氣技術時代、信息技術時代的到來。物理學對人們生活水平的提高所起的作用也是有目共睹的, 無需多言。但究竟什么是物理學?

　　很多學生認為物理學就是一些機械設備、電子設備、光學儀器等的集合。在這樣的認知下, 當看到教材中出現(xiàn)的“經(jīng)典力學”“相對論的創(chuàng)立”“量子論的誕生與發(fā)展”等條目時, 會產(chǎn)生“這是物理學嗎”“這是有趣的物理學嗎”“這是五彩繽紛的物理學嗎”等一系列疑問而不知所措。此時, 教師要因勢利導并告訴學生, 大家熟知的家用電器、能源技術、半導體技術以及激光技術等高新技術都是物理學在社會生產(chǎn)生活中的廣泛應用。而學科意義上的物理學, 是研究自然界最基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與運動規(guī)律、最普遍的相互作用以及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學, 其包含三個系統(tǒng):知識系統(tǒng)、原理與方法系統(tǒng)、實物系統(tǒng)[3]。

　　物理學知識系統(tǒng)按研究對象劃分, 已包含高能物理學、原子分子物理學、凝聚態(tài)物理學、天體物理學等;按研究要素可包含物質(zhì)、能量、空間、時間及它們的相互作用等;按理論體系可包含經(jīng)典力學、相對論、量子論等。教材中主要介紹的是物理學理論體系�！白冯S一個偉大的物理學理論行進, 看看它宏偉地展現(xiàn)了它從初始假設出發(fā)的規(guī)則的演繹, 看看它的推論描述了眾多的實驗定律直至最小的細節(jié), 人們不能不被這樣的結(jié)構(gòu)之美而陶醉, 不能不敏銳地感到這樣的人的心智的創(chuàng)造物真正是藝術作品�！盵4]

　　物理學理論是通過概念的抽象和定義、為數(shù)很少的基理、規(guī)則的數(shù)學運算演繹建立起來的既能解釋已有現(xiàn)象又能準確預言未知實驗結(jié)果的命題體系。我們知道, 自然界提供的事實不可勝數(shù), 人們不可能把所有事實都變?yōu)橛洃洸�傳播。但當人們把個體事實中的帶有普遍性的共同點抽取出來, 繼而形成物理學概念及定律即命題而代替了大量的具體事實時, 人們就可以通過命題方便地記憶并傳播事實。當然, 物理學進一步把這些命題濃縮在為數(shù)很少的基理中, 根據(jù)這些基理, 人們能夠無遺漏、無重復地演繹出所有的物理學定律, 大大減輕了人們的心智負擔。經(jīng)典力學、相對論等就是這樣的理論體系。經(jīng)典力學建立在力學三定律之上;電動力學建立在“場”和麥克斯韋方程組之上;狹義相對論建立在光速不變和相對性原理之上;廣義相對論建立在等效原理和廣義協(xié)變原理之上;量子力學建立在波函數(shù)和薛定諤方程之上。就像文件盒上的標簽, 有邏輯地把不是同一類的文檔分開, 人們能迅速找到所需要的文檔, 而不至于亂找或拿錯。同樣, 物理學理論能夠使人們準確找到可以解決給定問題的定律, 這讓物理學定律群變得更易掌握, 變得更美。

　　物理學原理系統(tǒng)包含真理性原理、簡單性原理、統(tǒng)一性原理等;方法系統(tǒng)包含演繹歸納法、類比聯(lián)想法、猜測試探法、模型化方法、實驗方法等。物理學實物系統(tǒng)包括為探究物理問題而制作的粒子加速器、激光器、天文望遠鏡等專業(yè)儀器設備。

　　三、物理學科的歷史傳承性

　　教材中講“經(jīng)典力學”時, 用較大篇幅談意大利物理學家伽利略的突出貢獻, 其中也提到了古希臘哲學家亞里士多德。事實上, 亞里士多德對物理學的發(fā)展有著歷史性貢獻。對于這一點, 作為歷史教師, 應抱著尊重歷史的態(tài)度給學生講清楚。亞里士多德的傳世名言“我敬愛柏拉圖, 但我更愛真理” (吾愛吾師, 吾尤愛真理) [5]就是第一個貢獻。這句名言啟示人們不要被動接受知識, 要認識到知識的可辯駁性, 能夠在繼承的基礎上審視性地評價現(xiàn)有的理論和傳統(tǒng), 這也正是近代以來物理學的研究風格。如教材所述, 伽利略批駁了人們長期信奉的亞里士多德運動理論正是這一風格的體現(xiàn)。同時也要注意到, “伽利略的思想不是從天上掉下來的, 他經(jīng)歷了曲折的摸索過程。開始, 他甚至還是亞里士多德的維護者�！盵6]這說明, 物理學的研究離不開歷史環(huán)境, 研究是在繼承前提下的創(chuàng)新。教材中也較詳細地介紹了牛頓的杰出貢獻, 還談到絕對時間和空間問題。幾百年來, 不少人懷疑絕對時空概念, 奧地利物理學家馬赫在他的《力學史評》中就作出了批駁。愛因斯坦高度評價馬赫的工作, 稱其為“相對論的先驅(qū)”, 這都是“吾愛吾師, 吾尤愛真理”的具體表現(xiàn)。亞里士多德第二個貢獻是他的自然哲學目標:找出事物本性和原因, 為此他研究重物下落等自然現(xiàn)象。功夫不負有心人, 最終他在總結(jié)前人成就的基礎上, 創(chuàng)造性地提出理論, 留下著作如《物理學》等�！拔锢韺W”的名稱就來自亞里士多德的《物理學》一書。從牛頓的經(jīng)典物理學奠基之作《自然哲學之數(shù)學原理》 (1687) 一書的名字也可看出物理學與自然哲學密切的關系。第三個貢獻是他樸素的概念抽象與數(shù)學運算方法�！霸趤喞锸慷嗟碌闹�作中討論了力學問題。這個偉大的逍遙學派領悟到在矩形這種特殊情況下力的平行四邊形的概念�！盵7]這一成就非同小可。如前所述, 物理學研究工作是難度較大的工作之一, 之所以難, 原因是這種腦力勞動不是單純的、同類的勞動量的增加, 而是要求人們抽象出客觀存在卻超越人們感覺經(jīng)驗的對象, 且要求對這些對象進行規(guī)則的數(shù)學運算演繹, 建立起經(jīng)得起實驗檢驗的規(guī)律。那么, 亞里士多德能夠抽象出力的概念并領悟到帶有“數(shù)量”特征的平行四邊形的概念, 很了不起。他還曾把杠桿等客觀事物與有“數(shù)量”特征的圓聯(lián)系起來, 并進行“數(shù)學運算” (把運動分解為切向運動和法向運動) , 試圖建立杠桿理論。這種概念抽象與數(shù)學運算的方法一直歷史地體現(xiàn)在了物理學發(fā)展過程中:牛頓發(fā)明了微積分數(shù)學, 并綜合了從伽利略時代以來一個世紀的物理學工作, 形成了經(jīng)典力學體系;愛因斯坦提出的相對論實現(xiàn)了極度數(shù)學化上的物理統(tǒng)一性;以波粒二象性概念為基礎的薛定諤波動力學與海森伯矩陣力學的數(shù)學等價性。即使在現(xiàn)代量子論中, 基本粒子也仍然是數(shù)學形式。

　　四、物理學科的文化屬性

　　人教版《歷史3》 (必修) 主要講授思想文化史, 設置的“物理學的重大進展”一課也應在文化層面展開講解�！拔锢砦幕�是古代哲學家、近代物理學家和現(xiàn)代物理共同體歷經(jīng)數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識體系、觀念形態(tài)、價值標準以及約定俗成的工作方法的總和�！盵8]物理知識體系不再贅述, 這里主要談物理學思想方法等。

　　物理學不僅深刻揭示了客觀規(guī)律, 而且還形成了一整套最基本、最典型、獨特而有效的思想方法體系。譬如, 伽利略意識到不能僅靠觀察天體運動等自然界已有現(xiàn)象來研究問題, 還需使被觀察的客體處于受控狀態(tài)并進行測量, 于是發(fā)明了實驗方法。在研究落體運動定律時, 他通過改變距離、測量時間或改變時間、測量距離的斜面實驗取得重要進展。同時, 他還運用理想化方法把實驗和數(shù)學結(jié)合起來, 對物理學提出了嚴格的定量要求。在此基礎上, 牛頓深信從實驗現(xiàn)象通過歸納分析能得到接近真實的結(jié)論, 如出現(xiàn)新現(xiàn)象或例外情況只需進一步歸納修正即可使結(jié)論更精確。同時, 牛頓還深信自然界存在簡單的內(nèi)在和諧, 承認物質(zhì)世界具有共同的物質(zhì)屬性, 在此思想指導下, 他把行星和地上物體的運動都統(tǒng)一在了萬有引力和牛頓三定律中。把上述牛頓的自然哲學思想概括起來即物理學原理系統(tǒng):真理性原理、簡單性原理、統(tǒng)一性原理等。這樣的思想方法帶給人們源自于物質(zhì)世界本質(zhì)的啟示, 對人的思想觀念也產(chǎn)生了深遠影響, 促使人們形成了追求真理、尊重客觀規(guī)律、重視實踐的科學意識。

　　此外, 作為相對論創(chuàng)立者的愛因斯坦的“探索精神、富有哲理的科學思維、高度的社會責任感和高尚的品德都深入人心, 為人們留下了寶貴的精神財富”[9]。如在認識論上帶來的巨大改變:要談認識, 客體必須不能脫離環(huán)境, 且“認識主體”也必須包括在客體所處環(huán)境中, 并通過運動和變化才能被認識。這對分析人類歷史、人類文化、人類社會與環(huán)境之間的關系有重要的啟發(fā)意義。

　　總之, 高中歷史課中關于學科交叉內(nèi)容的教學應該引起廣泛關注和高度重視。現(xiàn)在講培養(yǎng)又“�！庇帧安�”的T型人才, 既要求學生在“文”“理”大學科內(nèi)部要有寬廣的學術視野, 同時還要求學生“文理相通”。它的迫切性在夏商周斷代工程等歷史文化活動中顯而易見。因此, 教師在進行學科交叉內(nèi)容教學時, 一定要精心準備, 努力打通學科壁壘, 尤其要融合科技與人文兩種文化, 促進學生全面發(fā)展。

　　參考文獻：

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　　[9]倪光炯, 王炎森.物理與文化——物理思想與人文精神的融合 (第3版) [M].北京:高等教育出版社, 2015:225.

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