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高中歷史與物理學(xué)的交叉學(xué)科教學(xué)論文
摘 要：高中歷史課中關(guān)于學(xué)科交叉內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)該引起廣泛關(guān)注。教師在教學(xué)時應(yīng)努力打通學(xué)科壁壘, 促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。如講授“物理學(xué)的重大進(jìn)展”一課時, 應(yīng)深入研究課標(biāo)要求, 精心備課, 通過講授學(xué)科意義上的物理學(xué)等, 使學(xué)生理解物理學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵、特點(diǎn);通過講授亞里士多德對物理學(xué)發(fā)展的歷史性貢獻(xiàn), 使學(xué)生認(rèn)識物理學(xué)科的歷史傳承性;通過講授物理學(xué)思想方法等, 使學(xué)生理解物理學(xué)科的文化屬性。最終使學(xué)生融合科技與人文兩種文化, 認(rèn)識物理學(xué)理論在自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位和意義。
關(guān)鍵詞： 歷史教學(xué); 交叉學(xué)科; 文理相通; 物理學(xué);
高中歷史中, 涉及歷史學(xué)與文學(xué)、藝術(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、教育學(xué)、自然科學(xué)等學(xué)科交叉的內(nèi)容, 如何在歷史教學(xué)中恰當(dāng)?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(xué)發(fā)展歷程”中第11課“物理學(xué)的重大進(jìn)展”為例分析歷史與物理學(xué)的交叉學(xué)科教學(xué)[1]。
一、深入研究課標(biāo)要求
課標(biāo)是教學(xué)中的重要依據(jù), 第11課課標(biāo)要求:“了解經(jīng)典力學(xué)的主要內(nèi)容, 認(rèn)識其在近代自然科學(xué)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(rèn)識其意義�！�
從要求中可以看出, 學(xué)生只需要“了解”“知道”經(jīng)典力學(xué)、相對論、量子論的主要內(nèi)容, 不必“掌握”與“應(yīng)用”。眾所周知, 物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ), 是一門高度定量、理論和實驗高度結(jié)合的精確精密科學(xué)。學(xué)科本身的難度是比較大的。在歷史教學(xué)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(xué)情方面, 高二學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中對經(jīng)典力學(xué)有所了解, 具有一定的知識儲備, 但他們尚未學(xué)習(xí)過量子論和相對論等知識。”[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(biāo)要求學(xué)生認(rèn)識物理學(xué)理論在自然科學(xué)理論發(fā)展中的歷史地位和意義, 這應(yīng)該是歷史教學(xué)的重點(diǎn)。如何把握這一重點(diǎn)?筆者認(rèn)為, 首先要理解物理學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵和特點(diǎn);其次要認(rèn)識物理學(xué)科的歷史傳承性;最后要理解物理學(xué)科的文化屬性。
二、物理學(xué)的內(nèi)涵及特點(diǎn)
物理學(xué)經(jīng)歷了五次理論的大綜合 (牛頓力學(xué)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(jìn)步, 引發(fā)了蒸汽技術(shù)時代、電氣技術(shù)時代、信息技術(shù)時代的到來。物理學(xué)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(xué)?
很多學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)就是一些機(jī)械設(shè)備、電子設(shè)備、光學(xué)儀器等的集合。在這樣的認(rèn)知下, 當(dāng)看到教材中出現(xiàn)的“經(jīng)典力學(xué)”“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(xué)嗎”“這是有趣的物理學(xué)嗎”“這是五彩繽紛的物理學(xué)嗎”等一系列疑問而不知所措。此時, 教師要因勢利導(dǎo)并告訴學(xué)生, 大家熟知的家用電器、能源技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及激光技術(shù)等高新技術(shù)都是物理學(xué)在社會生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用。而學(xué)科意義上的物理學(xué), 是研究自然界最基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與運(yùn)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(xué), 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(xué)知識系統(tǒng)按研究對象劃分, 已包含高能物理學(xué)、原子分子物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、天體物理學(xué)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(xué)、相對論、量子論等。教材中主要介紹的是物理學(xué)理論體系�！白冯S一個偉大的物理學(xué)理論行進(jìn), 看看它宏偉地展現(xiàn)了它從初始假設(shè)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(xì)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(shù)作品�！盵4]
物理學(xué)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(xué)運(yùn)算演繹建立起來的既能解釋已有現(xiàn)象又能準(zhǔn)確預(yù)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)橛洃洸鞑�。但�?dāng)人們把個體事實中的帶有普遍性的共同點(diǎn)抽取出來, 繼而形成物理學(xué)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(dāng)然, 物理學(xué)進(jìn)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(fù)地演繹出所有的物理學(xué)定律, 大大減輕了人們的心智負(fù)擔(dān)。經(jīng)典力學(xué)、相對論等就是這樣的理論體系。經(jīng)典力學(xué)建立在力學(xué)三定律之上;電動力學(xué)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(xué)建立在波函數(shù)和薛定諤方程之上。就像文件盒上的標(biāo)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(xué)理論能夠使人們準(zhǔn)確找到可以解決給定問題的定律, 這讓物理學(xué)定律群變得更易掌握, 變得更美。
物理學(xué)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(xué)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(yuǎn)鏡等專業(yè)儀器設(shè)備。
三、物理學(xué)科的歷史傳承性
教材中講“經(jīng)典力學(xué)”時, 用較大篇幅談意大利物理學(xué)家伽利略的突出貢獻(xiàn), 其中也提到了古希臘哲學(xué)家亞里士多德。事實上, 亞里士多德對物理學(xué)的發(fā)展有著歷史性貢獻(xiàn)。對于這一點(diǎn), 作為歷史教師, 應(yīng)抱著尊重歷史的態(tài)度給學(xué)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(xiàn)。這句名言啟示人們不要被動接受知識, 要認(rèn)識到知識的可辯駁性, 能夠在繼承的基礎(chǔ)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(xué)的研究風(fēng)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(yùn)動理論正是這一風(fēng)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(hù)者。”[6]這說明, 物理學(xué)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(xì)地介紹了牛頓的杰出貢獻(xiàn), 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(xué)家馬赫在他的《力學(xué)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(xiàn)是他的自然哲學(xué)目標(biāo):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(fù)有心人, 最終他在總結(jié)前人成就的基礎(chǔ)上, 創(chuàng)造性地提出理論, 留下著作如《物理學(xué)》等�！拔锢韺W(xué)”的名稱就來自亞里士多德的《物理學(xué)》一書。從牛頓的經(jīng)典物理學(xué)奠基之作《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》 (1687) 一書的名字也可看出物理學(xué)與自然哲學(xué)密切的關(guān)系。第三個貢獻(xiàn)是他樸素的概念抽象與數(shù)學(xué)運(yùn)算方法。“在亞里士多德的著作中討論了力學(xué)問題。這個偉大的逍遙學(xué)派領(lǐng)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(xué)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(jìn)行規(guī)則的數(shù)學(xué)運(yùn)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(lǐng)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(jìn)行“數(shù)學(xué)運(yùn)算” (把運(yùn)動分解為切向運(yùn)動和法向運(yùn)動) , 試圖建立杠桿理論。這種概念抽象與數(shù)學(xué)運(yùn)算的方法一直歷史地體現(xiàn)在了物理學(xué)發(fā)展過程中:牛頓發(fā)明了微積分?jǐn)?shù)學(xué), 并綜合了從伽利略時代以來一個世紀(jì)的物理學(xué)工作, 形成了經(jīng)典力學(xué)體系;愛因斯坦提出的相對論實現(xiàn)了極度數(shù)學(xué)化上的物理統(tǒng)一性;以波粒二象性概念為基礎(chǔ)的薛定諤波動力學(xué)與海森伯矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價性。即使在現(xiàn)代量子論中, 基本粒子也仍然是數(shù)學(xué)形式。
四、物理學(xué)科的文化屬性
人教版《歷史3》 (必修) 主要講授思想文化史, 設(shè)置的“物理學(xué)的重大進(jìn)展”一課也應(yīng)在文化層面展開講解�！拔锢砦幕枪糯軐W(xué)家、近代物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)思想方法等。
物理學(xué)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(dú)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(yùn)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(jìn)行測量, 于是發(fā)明了實驗方法。在研究落體運(yùn)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(jìn)展。同時, 他還運(yùn)用理想化方法把實驗和數(shù)學(xué)結(jié)合起來, 對物理學(xué)提出了嚴(yán)格的定量要求。在此基礎(chǔ)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(jìn)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(rèn)物質(zhì)世界具有共同的物質(zhì)屬性, 在此思想指導(dǎo)下, 他把行星和地上物體的運(yùn)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(xué)思想概括起來即物理學(xué)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(yuǎn)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(xué)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(xué)思維、高度的社會責(zé)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(rèn)識論上帶來的巨大改變:要談?wù)J識, 客體必須不能脫離環(huán)境, 且“認(rèn)識主體”也必須包括在客體所處環(huán)境中, 并通過運(yùn)動和變化才能被認(rèn)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(guān)系有重要的啟發(fā)意義。
總之, 高中歷史課中關(guān)于學(xué)科交叉內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)該引起廣泛關(guān)注和高度重視。現(xiàn)在講培養(yǎng)又“�！庇帧安钡腡型人才, 既要求學(xué)生在“文”“理”大學(xué)科內(nèi)部要有寬廣的學(xué)術(shù)視野, 同時還要求學(xué)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(jìn)行學(xué)科交叉內(nèi)容教學(xué)時, 一定要精心準(zhǔn)備, 努力打通學(xué)科壁壘, 尤其要融合科技與人文兩種文化, 促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。
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