方武增

[東莞中學(xué)松山湖學(xué)校(集團(tuán))東莞市第十三高級(jí)中學(xué) 廣東 東莞 523779]

習(xí)總書記指出:“教師不能只做傳授書本知識(shí)的教書匠,而要成為塑造學(xué)生品格、品行、品味的‘大先生’……”[1].為順應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的需求,思想政治教育已融入了各個(gè)學(xué)科之中,而中學(xué)物理課程本身已蘊(yùn)含一些獨(dú)特的思政元素,如科學(xué)的世界觀、求真務(wù)實(shí)的人生觀、擔(dān)負(fù)社會(huì)責(zé)任的價(jià)值觀等,其中物理學(xué)史體現(xiàn)了人類探索和認(rèn)識(shí)世界的歷程,從觀察現(xiàn)象、分析特性、總結(jié)規(guī)律到認(rèn)識(shí)本質(zhì),它蘊(yùn)含著科學(xué)的認(rèn)識(shí)論和方法論,也包含著科學(xué)探索者的思索、創(chuàng)造與艱辛歷程等豐富的思政教育元素.

伽利略是近代科學(xué)的奠基人、近代物理學(xué)的奠基人、學(xué)術(shù)自由的烈士[2].他留下的大量思想充盈的著作則是物理學(xué)的啟蒙典籍,流傳于當(dāng)世的著作部分內(nèi)容以較合理的方式滲透于中學(xué)物理教材中.教材承載著傳遞人類文化的任務(wù),而伽利略思想在中學(xué)物理教育中有著極其重要的地位,“伽利略元素”不僅涉及物理量的建立、物理規(guī)律的總結(jié)、物理定律的呈現(xiàn),還涉及物理學(xué)啟蒙教育(現(xiàn)代物理學(xué)源頭)、研究方法(邏輯推理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法)、研究精神(批判精神與創(chuàng)新精神).研究將伽利略思想與物理教學(xué)有機(jī)結(jié)合,對(duì)于發(fā)揮物理學(xué)史的思政功能、提升物理學(xué)育人價(jià)值,具有深刻的意義.

1 現(xiàn)行中學(xué)物理課程中的伽利略

現(xiàn)行的中學(xué)物理課本,無(wú)論是初中物理還是高中物理,都將伽利略列為具有杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家,筆者分別梳理了初中物理(2012人教版)課本及高中物理(2019人教版)課本中涉及伽利略的內(nèi)容概要,分別如表1、表2所示.

表1 初中物理課本中的伽利略

表2 高中物理課本中的伽利略

對(duì)表1、表2進(jìn)行分析,可以看出:

(1)伽利略均出現(xiàn)在初中物理、高中物理的首節(jié)課——序言中,且以物理賢哲形象出現(xiàn).正如曹則賢研究員所說(shuō)的:伽利略的著作是物理學(xué)的源頭,是近代科學(xué)的初始文獻(xiàn).所以,伽利略的事跡及成就簡(jiǎn)要放于初高中兩個(gè)學(xué)段課本的序言中,對(duì)激起學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣并愿更深入地學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)有很好的指引作用.

(2)“斜面實(shí)驗(yàn)”均為初高中兩個(gè)學(xué)段重點(diǎn)涉及的內(nèi)容.“斜面實(shí)驗(yàn)”實(shí)際是“牛頓第一定律”的前奏,前者實(shí)際是后者的科學(xué)史源.學(xué)習(xí)這些物理學(xué)史,有利于讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)的研究方法并養(yǎng)成良好的科學(xué)思維習(xí)慣.

(3)高中相對(duì)初中所涉及的伽利略的成就覆蓋面更廣.初中涉及的是單擺周期研究、慣性定律;而高中涉及自由落體運(yùn)動(dòng)、慣性定律、天文學(xué)、熱力學(xué),還關(guān)注到科學(xué)的研究方法,提及《關(guān)于兩個(gè)世界體系的對(duì)話》等著作、坎坷的科學(xué)生涯與當(dāng)時(shí)社會(huì)的問(wèn)題.這是在教育學(xué)生:做事情要做到認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是并且講求邏輯,敬畏和尊重客觀規(guī)律;同時(shí),在遇到困難的時(shí)候,仍保持理想信念,有正確的價(jià)值取向及社會(huì)責(zé)任意識(shí).

2 拓展課程資源 滲透思政教育

教材作為最基本的課程資源,既是課程標(biāo)準(zhǔn)的具體體現(xiàn),又是師之“教”與生之“學(xué)”的主要工具.但考慮到教材的篇幅限制,教材不可能把所有知識(shí)的背景及拓展知識(shí)全部呈現(xiàn)其中,特別是相關(guān)物理學(xué)史的內(nèi)容.這就需要教師拓展課程資源,通過(guò)“高端備課”將物理教學(xué)與思政教育有機(jī)融合,將物理知識(shí)與方法更科學(xué)、更人文地傳授給學(xué)生,使課堂教學(xué)更有立體感.

2.1 歷史上自由落體實(shí)驗(yàn)——辯證性地分析科學(xué)事跡

2.1.1 比薩斜塔實(shí)驗(yàn),兩球未必同時(shí)著地

在“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中,課本以比薩斜塔作為情景導(dǎo)入,如圖1所示,經(jīng)實(shí)驗(yàn)伽利略否定亞里士多德“重的物體下落得快”的論斷,伽利略認(rèn)為重的物體與輕的物體應(yīng)該下落得同樣快的觀點(diǎn),加之許多學(xué)生受曾讀過(guò)的語(yǔ)文課本“斜塔上的實(shí)驗(yàn)”的影響,對(duì)于比薩斜塔上重有差異的兩球“同時(shí)釋放”與“同時(shí)落地”更是深信不疑,但真實(shí)情況果真如此嗎?

圖1 比薩斜塔

據(jù)我國(guó)民國(guó)時(shí)期翻譯文獻(xiàn) 《伽利略傳》(1935年,商務(wù)印書局)記載:“彼之爭(zhēng)論中最著名成功事,即在著名批薩斜塔所行之事,依亞里士多德學(xué)說(shuō),落體之速度與其重成正比例,故百磅重之物降落較一磅重者快百倍.伽利略認(rèn)為此說(shuō),只因空氣之阻力,隨物體之大小與形狀而改變,其實(shí)二物之降落率(相當(dāng)于加速度)相等.斜塔之欄桿為試驗(yàn)此說(shuō)極便利之機(jī)會(huì),伽利略做此實(shí)驗(yàn),其結(jié)果重者比輕者快二吋.”[3](1吋=1英寸=2.54厘米)由此可以看出,由于空氣阻力的存在,兩者并沒(méi)有同時(shí)著地,而且因?qū)嶒?yàn)結(jié)果是“重者降落較快于輕者”,所以當(dāng)時(shí)許多反對(duì)者仍以亞里士多德為勝.

當(dāng)然,這一實(shí)驗(yàn)的發(fā)生,相關(guān)文獻(xiàn)并無(wú)記載具體日期,而且許多版本源于維維安尼,但因維維安尼僅于其暮年最后數(shù)月始識(shí)伽利略,且其許多敘述出自于道聽(tīng)途說(shuō)(包括比薩斜塔實(shí)驗(yàn)故事),未可確信.

2.1.2 玻意耳玻璃管實(shí)驗(yàn),后世人一直模仿

在伽利略逝世18年后(1660年),羅伯特·玻意耳(RobertBoyle)確做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn):他先將一塊大理石和一根羽毛放入一根玻璃管內(nèi),并利用空氣泵,將玻璃管內(nèi)的空氣抽出,如圖2所示.當(dāng)將玻璃管上下顛倒時(shí),可以觀察到大理石和一根羽毛幾乎同時(shí)落下.因?yàn)楫?dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋,尚不足將管內(nèi)的空氣徹底抽出而達(dá)到絕對(duì)的真空,所以只能是幾乎同時(shí),但玻意耳這個(gè)偉大的實(shí)驗(yàn),已足以證明伽利略理論的正確性:在同一地點(diǎn),任何物體下落的速度在相同時(shí)間內(nèi)增加幅度是一樣的.在現(xiàn)在的物理課堂上,用玻璃管演示自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)(又稱牛頓管)如圖3所示,讓學(xué)生經(jīng)歷類似于科學(xué)家們的探究過(guò)程.

圖2 玻意耳使用的空氣泵

(a)有空氣 (b)真空?qǐng)D3 對(duì)比玻璃管內(nèi)羽毛與鐵片的下落

2.2 “伽利略慣性定律”與“牛頓第一定律”之爭(zhēng)——體會(huì)科學(xué)論證

現(xiàn)行的中學(xué)物理課本,有這樣一句“牛頓第一定律也被叫作慣性定律”,很多的學(xué)生會(huì)“順理成章”地認(rèn)為:慣性定律是牛頓首先提出來(lái)的定律.那真實(shí)情況是否如此呢?

據(jù)《科學(xué)概論》(1945年,商務(wù)印書館)記載:“《原理》一書乃古典力學(xué)之大憲章.力學(xué)三定律即為此書開(kāi)宗明義之第一章.力學(xué)第一定律伽利略已道之,第三定律牛頓前亦已知之,惟第二定律乃其創(chuàng)獲.”[4]此處不難看出:伽利略先于牛頓發(fā)現(xiàn)慣性定律.另外《pssc物理(一)》(1978年,科學(xué)出版社)直接列出:伽利略慣性定律,當(dāng)沒(méi)有力的作用于物體時(shí),物體保持靜止或以恒定速度運(yùn)動(dòng).而將大眾稱之為“牛頓第二定律”的,則寫為“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”,似乎在告訴讀者,牛頓三大定律中,只有牛頓第二定律可以稱是“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”.

伽利略的斜面實(shí)驗(yàn):在一個(gè)斜坡的對(duì)面放上第二個(gè)斜坡,小球從左側(cè)斜坡上滾下.如圖4所示,當(dāng)對(duì)面坡的仰角為零(沒(méi)有坡給小球爬升)時(shí),小球試圖達(dá)到初始下落時(shí)的高度,但這是徒勞的.最終是小球一直往前走,可得到結(jié)論:受外力合力為零的物體,保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.這就是慣性定律的發(fā)現(xiàn).

圖4 現(xiàn)代人所做伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的頻閃照片

所以,從物理學(xué)史的角度分析來(lái)看,稱“伽利略慣性定律”更為準(zhǔn)確.當(dāng)然,雖然在伽利略的敘述中,“慣性”這個(gè)概念已“呼之欲出”,但他并未明確提出慣性,即未能給這一屬性起個(gè)“名字”(后來(lái)開(kāi)普勒把物體這種對(duì)抗運(yùn)動(dòng)變化的趨勢(shì)稱為慣性).類似的情況還出現(xiàn)在伽利略在發(fā)現(xiàn)兩斜面上小球基本“等高”的規(guī)律時(shí),當(dāng)時(shí)由于尚無(wú) “能量”這一詞匯,故伽利略也沒(méi)有提出“機(jī)械能守恒”這一專業(yè)的物理詞.

當(dāng)然牛頓高明之處是將運(yùn)動(dòng)的三大定律構(gòu)成一個(gè)整體.他學(xué)習(xí)先人的哲學(xué)著作,對(duì)傳統(tǒng)的時(shí)空觀進(jìn)行深入研究,綜合了伽利略等人的發(fā)現(xiàn),形成了自己獨(dú)特的思想[5].牛頓的傳世之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(以下簡(jiǎn)稱《原理》)完成了物理學(xué)上一次大綜合,《原理》的開(kāi)篇即總結(jié)了三大定律,如圖5所示,為1687年第一版《原理》的開(kāi)篇.

圖5 1687年第一版《原理》

2.3 伽利略著作的艱難出版——體會(huì)真理傳播的曲折

1632年出版的《關(guān)于兩個(gè)世界體系的對(duì)話》,如圖6所示,及1638年出版的《兩種新科學(xué)的對(duì)話》,如圖7所示,兩部著作,是伽利略科學(xué)生涯(甚至對(duì)于科學(xué)發(fā)展史)中具有里程碑意義的著作.兩部著作均是以對(duì)話的體裁呈現(xiàn),實(shí)際上,早在古希臘時(shí),對(duì)話就是一種非常流行的教學(xué)方式,而討論雙方(或多方)通過(guò)對(duì)話中的相互質(zhì)問(wèn)并答辯,可以檢查自身的邏輯并重新審視自己的思想.

圖6 《關(guān)于兩個(gè)世界體系的對(duì)話》標(biāo)題頁(yè)

圖7 《兩種新科學(xué)的對(duì)話》標(biāo)題頁(yè)

《關(guān)于兩個(gè)世界體系的對(duì)話》一書,是以3位主角Salviati、Sagredo及Simplicio的對(duì)話形式出現(xiàn),提出了各自對(duì)于自然哲學(xué)觀點(diǎn)及相關(guān)依據(jù),此書內(nèi)容豐富,不僅討論了世界體系的問(wèn)題,還討論了伽利略相對(duì)論問(wèn)題(直到1909年才被愛(ài)因斯坦追認(rèn)為特定層面上的相對(duì)論).但1633 年伽利略被羅馬宗教裁判所判刑入獄,此書也被列為禁書,直至1835年才被解禁.

《兩種新科學(xué)的對(duì)話》一書,仍是以三位主角Salviati、Sagredo及Simplicio的對(duì)話形式出現(xiàn),討論的主題是兩種新科學(xué):物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)定律.內(nèi)容涵蓋固體抗(resistenza)、物質(zhì)結(jié)合的原因、勻速直線運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)內(nèi)容,書中還涉及物理學(xué)研究方法.可以說(shuō),此書奠定了伽利略為近代力學(xué)之父的地位.

2.4 感悟科學(xué)的研究方法——培養(yǎng)創(chuàng)新思維

2.4.1 物理量的確立——人類對(duì)大自然的探索愈加深入

如果把完善和發(fā)展物理體系喻為建設(shè)一座摩天大樓,那么這些表達(dá)出研究對(duì)象的性質(zhì)和行為的物理量,就是構(gòu)成大廈的最小“磚塊”[6].而新物理量的確立,實(shí)則代表觀念的變化.古希臘先賢將哲學(xué)分為物理學(xué)(Physics)、倫理學(xué)(Ethics)、論理學(xué)(Logic),即物理屬于哲學(xué),而許多的物理概念帶有明顯的哲學(xué)色彩,且深晦難懂、模糊不清,而伽利略等人則用位移、速度等一系列科學(xué)概念代替了之前自然哲學(xué)概念,使得物理表述更科學(xué)、更準(zhǔn)確;而自16世紀(jì)末,伽利略制造了第一臺(tái)驗(yàn)溫器(thermoscope,溫度計(jì)的前身),如圖8所示,并給溫度以定性的指示后,溫度就不再是一個(gè)主觀感覺(jué),而成了一個(gè)客觀的物理量.盡管當(dāng)時(shí)伽利略并未明確提出“慣性”這一表述及“機(jī)械能”等物理概念和物理量,但他的實(shí)驗(yàn)也為后來(lái)的科學(xué)家提出相應(yīng)的物理量做好了鋪墊.

圖8 伽利略驗(yàn)溫器(當(dāng)代復(fù)制品)

2.4.2 研究方法的創(chuàng)立——?jiǎng)?chuàng)造性思維的體現(xiàn)

大部分的物理規(guī)律都是通過(guò)艱辛而美妙的實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的,伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的貢獻(xiàn),不僅是確立了許多用于描述運(yùn)動(dòng)的基本概念,更重要的是創(chuàng)造了一套科學(xué)的研究方法(將實(shí)驗(yàn)、邏輯推理、數(shù)學(xué)演算三者和諧地結(jié)合起來(lái)).他通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)得出了自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而在實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的,但在思想上或者說(shuō)邏輯上進(jìn)行科學(xué)的推理是可以實(shí)現(xiàn)的,這就是所謂“理想斜面”,再由“理想斜面”實(shí)驗(yàn)拓展變化,從而導(dǎo)致慣性定律的發(fā)現(xiàn).伽利略這一創(chuàng)新性的研究方法極大促進(jìn)了近代科學(xué)的發(fā)展.

2.5 感受伽利略的科學(xué)信仰——為學(xué)須先立志

高中教材中的“從伽利略的一生看科學(xué)與社會(huì)”講述了主人公坎坷的科學(xué)生涯,但當(dāng)年環(huán)境實(shí)際情況比文中描述更加困難,每做一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)都是如履薄冰.伽利略的精神支柱是科學(xué)信仰,沒(méi)有這份信仰就沒(méi)有科學(xué)的精神與毅力.

當(dāng)舊的觀念根深蒂固且無(wú)比強(qiáng)大時(shí),若有新的“進(jìn)化”言論出現(xiàn),定會(huì)被認(rèn)為是“不合理”的、“忤逆”的.伽利略有一種敢于打破“天經(jīng)地義”和“自古如斯”的勇氣,能支配他走下去的精神支柱是對(duì)科學(xué)的信仰.

3 用好思政的“鹽” 講出物理的“味”

思政教育在物理教學(xué)中的滲透應(yīng)該是“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的,應(yīng)該是以科學(xué)知識(shí)和方法作為載體,在總結(jié)物理規(guī)律的過(guò)程中,讓學(xué)生情感、意志等方面得到熏陶.而學(xué)生在“思政”與“物理”的交匯融合中不斷地汲取知識(shí)食糧而茁壯成長(zhǎng)的過(guò)程,就是立德樹(shù)人的過(guò)程,也是教師幸福感與獲得感的源泉[7].

物理學(xué)史,是科學(xué)與人文之間的橋梁,物理學(xué)史以其特有的精神屬性,在學(xué)生的思想品德教育中,發(fā)揮著重要的作用[8].以物理學(xué)史教育作為思政教育與物理教學(xué)的“銜接點(diǎn)”,更貼近于“立德樹(shù)人”教育理念,更有利于塑造學(xué)生品格與品行,使學(xué)生形成正確的世界觀與社會(huì)責(zé)任感.