挖掘物理学史开展科学探究

摘要

物理学史是物理学的产生、发展及演变规律的历史，它蕴含着丰富的物理知识和科学方法，具有重要的教育价值。在“小孔成像”的教学中，通过分析《墨经》中“小孔成像”的记载，建构光路及模型；分析“赵友钦光学实验”推导影响“小孔成像”的因素。通过挖掘物理学史中的育人故事，帮助学生理解物理知识，体验科学家的探究过程，培养科学探究能力，进而提升物理学科核心素养。

Graphical abstract

关键词

核心素养 / 物理学史 / 科学探究 / 小孔成像 / 墨经 / 赵友钦光学实验

物理学史与物理教育的结合一直是国际教育界研究的热点问题，也是基础教育改革的一项重要措施。著名的物理学家钱三强说过，在物理教学中适当地增加一点物理学史的内容，让学生更多地了解科学发展的历程，这对他们的成长是有益的^［1］。利用物理学史进行科学探究，不仅能拓宽学生的视野，加深对物理的理解，更重要的是让学生从中体验科学家的探究历程，从前人的经验中得到启发，全面提升物理学科核心素养。

1 教学设计的基础

1.1 课程标准、教材分析

“小孔成像”是教科版物理八年级上册第四章第一节“光源 光的传播”中的一个重要实验。教材引用《墨经》中记载的图片简要展示并说明了小孔成像，其原理在生活及科技中有诸多应用，因此，掌握小孔成像的相关知识能更好地帮助学生了解科技的发展。初中物理课程标准将光学内容作为培养学生科学探究能力、实践能力以及创新意识的重要部分。教师在教学中适当引入物理学史让学生对概念有新的了解之余，还可以引导学生动手、动脑，利用日常生活用品或常规实验仪器对小孔成像的特点进行分析、探究，并总结其中规律^［2］。

1.2 学情分析

初中生思维十分活跃，对自然界的各种现象充满好奇，但动手实践能力、逻辑思维能力相对较弱。虽然学生在之前的学习中对光的传播有一定的了解，在生活中也累积了一些经验，但对小孔成像的认知较浅显，在生活中关注也较少，教师要引导学生开展相关实验探究，在学习探索中掌握科学探究的方法，归纳小孔成像的规律。

1.3 教学目标

以课程标准、教材分析和学情分析为依据，基于物理学科核心素养，笔者归纳出了教学内容对应的核心素养培养目标。

（1） 物理观念：了解小孔成像的特点和规律；理解小孔成像的原理。

（2） 科学思维：能通过分析《墨经》中“小孔成像”的记载，建构光路及“小孔成像”模型；能对“赵友钦光学实验”的记载进行分析，推导出影响小孔成像的因素。

（3） 科学探究：能对“小孔成像”的相关概念及原理作出解释；能剖析古人对小孔成像的探索历程，制订“影响小孔成像因素”的实验方案，观察、记录、对比实验现象，归纳总结实验规律。

（4） 科学态度与责任：通过了解小孔成像的物理学史，改变学生对中国古代科学的看法，坚定文化自信，激发爱国之情；鼓励学生变废为宝，有效利用资源为科学探究服务，借助所学知识为社会服务。

2 教学设计

2.1 回溯本源，创设情境

【创设情境】约公元前400年，墨子及其弟子找了一间黑暗的小屋，他们在屋子朝阳的墙上开了一个小孔，人对着小孔站在屋外，在黑屋子里就形成了一个倒立的人像（图1），这就是全世界第一次记录的小孔成像现象。

故事里提到开孔的墙要朝阳，引发学生猜想：什么情况下才能出现倒立的人像？朝阳即需要光源。模拟墨子的实验，将人换成能发光的蜡烛，进一步引导学生思考：为了得到烛焰倒立的像需要哪些材料开展实验？为了方便在蜡烛对立面能观察到所成的像，用什么材料承接烛焰的像比较好？

【学生活动】学生两人一组用教师提供的物品（蜡烛、纸箱、硫酸纸、牙签、打火机）模拟情境，依据历史故事组装小孔成像实验装置，得到烛焰倒立的像。

用带有小孔的板遮挡在屏幕和点燃的蜡烛之间，屏幕上形成了烛焰的倒像，这样的现象叫小孔成像。承接像的屏幕叫光屏，小孔到光屏所在平面的距离叫像距，烛焰到小孔的距离叫物距（图2）。请思考光屏上的烛焰为什么是倒立的？

学生分组讨论，教师再利用《墨经》中的记载帮助学生进一步了解成像原理。《墨经》中记载到：“景。光之人，煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也^［3］。”大意就是：光线照向人就好比射箭一样，是直线前进的，人的头部遮挡了自上而下射来的光，这样，人的头部成像在下；人的脚遮挡了自下而来的光，因此人的脚成像在上，则黑屋子里看到的人像是倒立的。引导学生得出烛焰成倒立的像的原因，并画出光路图，其中烛焰AB经过小孔O在光屏MN上形成倒像B'A'（图3）。

【设计意图】教师创设物理学史情境，向学生讲述墨子“小孔成像”的故事，并引导学生进行分析，激发学生好奇心，之后再让学生模拟故事情境开展实验，渗透科学探究的理念，培养学生逻辑推理能力和动手实践能力。

2.2 以史为鉴，了解方法

【创设情境】虽然小孔成像在《墨经》早有文字记载，但对小孔成像进行大规模实验研究的却是赵友钦，他通过长期对自然现象的观察得出了“室有小罅，虽不皆圆，而罅景所射，未有不圆......罅虽宽窄不同，景却周径相等”的论断^［3］，即日光经过墙壁的小孔能成像，虽然小孔不是圆的，但是日光所成的像是圆的。为了验证它的正确性，他花费大量精力和物力建造了一栋“小孔成像”实验楼，在屋内地面上左右两边各挖了一口圆井，右井深4尺，左井深8尺，其中左井放了一张4尺高的桌子，使两井深度相同。做两块直径4尺的圆板，板上各放置了1 000根蜡烛，点燃后，一块放在左井桌上，另一块放在右井井底，在井口覆盖了两块圆板，左边开一寸的小方孔，右边开一寸半的小方孔，以楼顶的天花板作为固定的光屏，如图4所示。赵友钦首先保持蜡烛、小孔、楼板的位置不变，观察小孔口径大小对成像的影响，如图4-a；接着在楼板下正对井口的位置，悬挂两个木板，观察成像的变化，如图4-b；紧接着撤去悬挂的木板和左井的桌子，将烛板放在左井底部点燃，进行实验，如图4-c。

师：赵友钦改变了哪些量来探究实验？

生：①保持光源、小孔、光屏三者位置不变，改变小孔的大小；②保持光源、小孔的位置不变，调整小孔到光屏的距离，改变像距；③保持光源、小孔的位置不变，调整光源到小孔的距离，改变物距。

师：赵友钦通过观察自然现象，发现小孔成像所成的像和孔形状无关，我们该如何通过实验进行验证呢？

生：可以改变小孔的形状观察所成的像的形状，如果改变小孔形状而像形状不发生变化，就说明小孔成像所成的像和小孔的形状无关。

师：在这个实验中，只改变一个因素，保持其他因素不变来探究的方法叫控制变量法。

【设计意图】今人谈及中国古代科学，一句“古代中国是实用技术”简单概括，似乎古代完全没有实验、没有理论总结，这种说法无疑失之偏颇。向学生展示中国古代科学发现、探索的过程，不仅能让学生改变固有观念，唤起民族自豪感，还能让学生从中体会科学的思维方法，学习科学家细心观察、勇于实践、追求真理的精神。

2.3 实验探究,总结归纳

利用桌上的纸板和蜡烛，根据赵友钦的实验步骤，学生分组进行实验探究（图5），将实验结论记录于表1。实验中，注意烛焰、小孔和光屏的中心大致在一条直线上。

【设计意图】依据历史故事理清思路，借助简易器材动手实验，从而潜移默化地向学生渗透“坛坛罐罐作仪器、拼拼凑凑做实验”的思想，在探究过程中培养学生的团队协作能力、动手能力和归纳总结的能力。

2.4 由古及今，拓展应用

我国对小孔成像的研究遥遥领先于西方，在墨子发现小孔成像原理的一千多年后，科学家阿尔哈增（Alhazen）才描述出小孔成像原理。随着科学家对小孔成像研究的深入，人们的日常生活也焕然一新，许多与其相关的事物应运而生，例如照相机。除此之外，墨子的小孔成像实验也为量子通信的发展奠定了一定的基础，为了纪念墨子这位伟大的科学家，中国自主研发的世界上首颗量子卫星命名为“墨子号”，这不仅是文化自信的体现，更是文化传承的彰显。课堂最后让学生课后通过查阅资料，了解照相机的构造，自制简易照相机进行展示。

【设计意图】通过对比古代中西方对小孔成像原理的探索历程，学生了解中国古代在物理学上的辉煌成就，树立民族自信，激发民族自豪感；普及所学物理知识在生活及科技上的应用，拓宽视野，与“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念不谋而合，最后，学生课后制作简易照相机，进一步培养学生的创新精神和实践能力。

3 结语

读史使人明智，物理学史集中体现了人类探索和认识物理世界的历程，其中不仅包含了科学家对自然现象的认识，还蕴含了科学家在探索过程中的科学思想与方法，利用物理学史创设情境进行探究教学，能提高学生学习兴趣，帮助其增长见识。教师在学生科学探索的过程中，渗透科学家的探究方法和科学精神，鼓励学生发展自己的思考能力和创造性思维，能有效促进学生核心素养的发展。

参考文献

[1] 杨劭琨.浅谈物理学史教育在中学物理教学中的作用［J］.教师，2012（14）：57-58.

[2] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[3] 胡化凯.物理学史二十讲［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

基金资助

湖南省普通高校教学改革研究2022年度一般项目“专业认证背景下物理师范专业光学课程的教学改革与实践”(HNJG-2022-0889)