课程标准高考物理学史考查的理念和方法研究

2015-07-05李勇程力

中国考试 2015年3期

李勇程力

2004年国家实施普通高中课程标准，提出了“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”三维培养目标，更加注重思想与方法、态度与价值观等方面的培养。物理学史由于它所具有的丰富内容和独特视角，为提升学生的科学素养、促进三维课程目标的达成提供了重要的素材。为了更好地体现新课程理念，高考物理学科进一步加强了物理学史相关内容的考查，充分挖掘物理学史的内在价值，促进学生人文精神和科学素养的养成，引导中学物理教学加强物理学史的教育，以实现物理教学的科学和人文价值。

1 物理学史教育的意义

物理学史是在物理学发展过程中形成的，描述物理学发展历程的学科，是关于物理学本身发展规律的学问[1]。物理学史主要研究物理学概念、理论和思想的产生、演化过程及其发展规律，考察物理学家的生平、成就以及思维方式和研究方法上的特点，探究物理学家科研成败的原因，研究历史上物理学发展中不同观点和理论之间的纷争与融合，考察物理学发展的内部逻辑、外部动力和相互关系。

关于物理学史在物理教育或科学教育中作用的研究很多。从20世纪初的全德自然和科学技术会议上提出物理教育要重视物理学史，到20世纪50年代美国进行“新物理运动”的课程改革[2]，再到我国1990年召开首届物理学史与物理教育学术研讨会，时至今日，国内外学者关于物理学史的教育意义获得了丰富的研究成果。我国著名的科学家、物理学家钱三强先生强调“物理学史里面有大量智慧的结晶，这不但是知识的宝库，而且是智慧的宝库，有着很多丰富的养分，很值得我们去开发和利用”[3]。物理学给人知识，而物理学史则给人以智慧，对物理学的发展有着重要的作用[4]。法国著名的物理学家郎之万在谈到科学史的教育价值时说，那种认为只须掌握已获得的确定的定理的想法是绝对错误的，它“会使科学丧失掉它的全部教育价值”，而在科学教育中加入历史的观点是百利而无一弊的[5]。

自20世纪末以来，科学教育界就提倡把科学史纳入科学课程中，这说明科学教育界已经认识到科学的历史在科学教育中对实现教育目标具有重要的作用。具体到物理学史对于学生知识、能力和素质培养的作用，研究者认为主要体现在以下几个方面：第一，能够帮助学生更好地理解物理概念和规律。当学生学习基本概念、规律或理论时，只有了解了它们产生发展的时代背景和过程、问题的提出和解决方法等内容，才能更好地理清知识的来龙去脉，更加深刻地理解和掌握这些概念和规律的物理意义。第二，能够帮助学生学习、掌握物理思想和方法，培养学生的科学思维能力。物理学家在研究物理的过程中，提出并形成了许多研究思想和方法，诸如理想模型、观察和实验、类比和联想、猜测和探究、分析和综合、佯谬和反证、科学假设等。通过大量的物理史实来学习物理学家如何运用这些方法取得重要成果，可以对学生进行科学方法教育[6]，提高学生研究问题和解决问题的能力。第三，激发学生学习物理和科学的兴趣和好奇心，培养学生的创新精神。有研究者认为，学生普遍对物理学感到枯燥和深奥，把物理学家看成高不可攀的天才，多少都与教材、教学过程以及教师的素养中缺乏历史观点这一因素有关[7]。物理学史的学习，能够让学生了解物理学家的生平、科学探索精神、解决问题的思想和方法，体验科学发现的过程，让学生充分认识到物理学是一门生动多彩、充满生机、有广阔发展前景的学科，从而增强学生学习物理的兴趣，激发学生的求知欲；物理学史中包含大量的创造性思维的形成和发展的案例，蕴含着科学创新的价值和意义，能够间接地推动物理学新成果的不断发现和发明[8][9]。第四，有利于培养学生的人文精神和科学素养，形成正确的人生观和科学观[10][11][12][13]。通过学生了解物理学家探索物理理论的过程，知道科学概念和规律产生和发展的矛盾、原因和结果，培养学生立足于当时历史条件认识事物的正确科学观；通过物理学史的学习，使学生受到多方面的人文教育，提升学生的人文和科学素养。

2 高中教学关于物理学史的要求

实施课程改革以后，高中物理教学进一步加强了对物理学史的要求，明确了物理学史的教学目标和内容标准。《普通高中物理课程标准（实验）》在课程目标中做了详细描述，如“初步了解物理学的发展历程，关注科学技术的重要成就和发展趋势以及物理学对经济、社会发展的影响”；“经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律”；“能领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦”[14]，等等。在具体的内容标准中，课程标准也提出了明确的要求，如“通过史实，初步了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学发展的推动作用”、“通过有关事实了解万有引力定律的发现过程。体会科学定律对人类探索未知世界的作用”、“了解奥斯特、安培等科学家的实验研究对人们认识电磁现象所起的重要作用”、“了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响”，等等。与以前的教学大纲相比，这些内容更加具体、明确，对教学具有更强的指导意义。总体而言这些内容标准大体可以分为以下三类：第一，了解物理学家在物理发展过程中的贡献，理解与物理学家相关的重要物理概念、规律和理论；第二，了解物理学家发现或探究物理规律的过程，领会物理学家探究过程中的物理思想或方法，体会科学探索中的成功或挫折对科学发现的意义，了解物理学的发展对社会、经济和科技的影响；第三，了解我国古代在物理学方面的成就。

课程标准后的教材也增加了物理学史的相关内容，以人民教育出版社出版的高中物理必修1和必修2（2004年初审通过，2010年第3版）为例，涉及的物理学史的内容如表1所示。

通过对必修系列和选修3系列各个模块中物理学史内容的统计，共有46个物理学史的内容，其中在教材正文中呈现的有26个，以“科学足迹”材料呈现14个，以“科学漫步”材料呈现9个，以“STS”材料呈现2个，以“课题研究”和“习题”呈现的分别1个。

由此可见，课程改革后非常重视物理学史的教学，结合学科的特点，适时、适度、适量地运用某些物理学史料，将物理学史与物理学知识、能力和素养的培养密切地联系在一起，不仅能够传授科学知识、培养学生能力，教育学生如何思维和探究，激发学生的创新精神，而且有利于培养学生正确的人生观和价值观，提高学生的人文和科学素养，提高学生的思想道德水平[15]。

3 高考关于物理学史的考查

高考物理一直注意对物理学史内容的考查，特别是课程改革以后，高考物理改变了以往单纯考查物理学史知识的方法，注重联系物理学史内容，考查学生的能力和素养。通过考查学生对物理概念和规律的产生和发展过程、物理学家探索发现物理概念和规律的过程和研究方法等内容的了解，鉴别考生掌握物理概念和规律的程度，反映考生的科学素养，引导中学重视物理学史的教学。

通过梳理、分析2007年以来全国卷中关于物理学史的试题，主要可以分为以下几类：

3.1 通过呈现物理学家的贡献，考查考生的基本科学素养

物理学的发展过程，实质上是物理学家不断探索、发现重要概念和规律的过程，正是由于这些投身于物理研究的科学家的贡献，经过4个世纪的发展，物理学才成为一门有着众多分支、令人尊敬和热爱的基础科学。对于物理学家贡献的理解有利于厘清物理学发展的历程，构建清晰的物理学知识体系，提升学生的人文精神和科学素养。新课程后高考物理中许多物理学史试题都是直接考查物理学家的重大发现或发明，要求考生在理解的基础上掌握物理学家发现物理概念或规律的内容，从而促进学生对概念和规律的理解和掌握。

例1：（2010年课标卷）在电磁学发展过程中，许多科学家做出了贡献。下列说法正确的是

A.奥斯特发现了电流磁效应；法拉第发现了电磁感应现象

表1

B.麦克斯韦预言了电磁波；楞次用实验证实了电磁波的存在

C.库仑发现了点电荷的相互作用规律；密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值

D.安培发现了磁场对运动电荷的作用规律；洛仑兹发现了磁场对电流的作用规律

例2：（2014年课标甲卷）在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法符合历史事实的是

A.密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值

B.贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核

C.居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋（Po）和镭（Ra）两种新元素

D.卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子

E.汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷

在电磁学和原子物理学的发展过程中，许多物理学家都做出了重大发现，为电磁学和原子物理学概念和规律、理论框架的建立做出了突出的贡献。高中物理教材中在讲述这些概念和规律时，都阐述了这些物理学家的贡献。上面两个例题通过考查考生对这些物理学家贡献的了解情况，鉴别考生是否了解相关概念和规律，知识脉络是否清晰，有利于帮助学生形成合理的学科框架，养成崇尚科学、尊重科学的良好习惯。

3.2 通过物理学家探究问题的思想和方法，考查物理过程与方法

物理学家探究物理概念或规律的思想和方法，体现了物理学家解决问题的智慧。通过再现物理学家研究问题的史实，让考生重复物理学家研究和发现物理问题的实验或方法，从而鉴别考生对相关物理过程和方法的理解和掌握程度。

例3：（2014年课标乙卷）在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是

A.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路，然后观察电流表的变化

B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，然后观察电流表的变化

C.将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接。往线圈中插入条形磁铁后，再到相邻房间去观察电流表的变化

D.绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表的变化

例4：（2013年课标乙卷）图1是伽利略1604年做斜面实验时的一页手稿照片，照片左上角的三列数据如下表。表中第二列是时间，第三列是物体沿斜面运动的距离，第一列是伽利略在分析实验数据时添加的。根据表中的数据，伽利略可以得出的结论是

图1

A.物体具有惯性

B.斜面倾角一定时，加速度与质量无关

C.物体运动的距离与时间的平方成正比

D.物体运动的加速度与重力加速度成正比

例3以法拉第时代验证“由磁产生电”设想的实验中的失败和成功的生动史实为背景，考查学生对于电磁感应定律的掌握程度；例4通过给出伽利略斜面实验的数据，要求考生根据数据归纳出相关结论。这两道试题通过呈现物理学家研究发现物理问题的实际情境，要求学生通过尝试和重复物理学家探究物理概念和规律的方法，对物理问题进行分析和判断，并得出结论，展现了在科学研究中实际出现的“失败、失败、直至成功”的经历，让考生体会物理学家科学探究的努力、艰辛和曲折。

3.3 利用物理学家的发现或理论，考查分析和评价物理问题的能力

物理学家的发现或相关理论的提出，都是基于一定的历史条件或前提假设。学生应该能够在一定的历史条件或假设的前提下，来理解和应用这些发现或理论。高考物理通过呈现物理学家的研究结论，要求考生运用这些结论来分析具体的物理问题，检验考生对物理史实的了解和相关理论的理解情况。

例5：（2011年课标卷）为了解释地球的磁性，19世纪安培假设：地球的磁场是由绕过地心的轴的环形电流I引起的。在下列四个图中，正确表示安培假设中环形电流方向的是

例6：（2007年海南卷）16世纪末，伽利略用实验和推理，推翻了已在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力和运动的理论，开启了物理学发展的新纪元。在以下说法中，与亚里士多德观点相反的是

A.四匹马拉的车比两匹马拉的车跑得快；这说明，物体受的力越大，速度就越大

B.一个运动的物体，如果不再受力了，它总会逐渐停下来；这说明，静止状态才是物体长时间不受力时的“自然状态”

C.两物体从同一高度自由下落，较重的物体下落较快

D.一个物体维持匀速直线运动，不需要受力

例5要求考生根据安培假设对地球的磁性进行判断，例6通过几个物理事实考查考生对亚里士多德的基于直觉经验得出的、与现代经典物理规律相违背的理论的了解和认识，从而了解物理概念的发展过程。这两道例题要求学生在正确理解的基础上对当时历史条件下的物理问题进行分析和判断，从而得到正确答案。

通过对近些年来高考中物理学史考查试题的分析和总结，当前高考关于物理学史考查的理念和方法主要如下：

（1）知识内容：主要考查在物理学发展过程中物理学家的重大发现和发明，包括物理概念、规律和理论；物理学家探究物理问题的过程、思想和方法，学生能否应用这些研究过程、思想和方法去对当时的物理问题或新的物理问题进行分析、判断和评价，了解学生对这些物理思想、方法和过程的理解程度；物理学家研究物理问题的重要实验的原理、方法和结论。

（2）能力目标：主要考查考生的理解和推理能力。通过物理学史的知识内容，加深对物理概念和规律的理解，或者能够运用物理学史的相关知识去推理和分析当时历史条件下的物理问题或新的具体物理问题。

（3）题型：主要通过选择题进行考查，一般为四选多或五选多的选择题，从而能够对某部分内容中的物理学史知识进行比较全面的考查，有利于引导学生在学习的过程中，利用物理学史知识的学习，梳理物理学观念和规律的发展脉络，建立清晰的物理知识体系。

（4）难度控制：根据物理学史试题的考查目标，其难度一般控制在中等难度或偏易，从而保证发挥其良好引导中学教学的目的。从课程标准后高考全国卷考查的15道物理学史试题的统计数据看，其中11道试题难度分布在0.45到0.6之间，有2道试题难度分别为0.22和0.35，2道试题难度分别为0.67和0.79。总体而言，难度控制得当，对考生有良好的区分。

4 今后高考物理考查物理学史的思考

强调科学的人文功能和教育功能是当今科学教育的重要内容之一，通过高考中物理学史的考查，引导中学物理教学重视物理学史的教育，培养学生的科学素养和人文精神，能够更加突出高考“两个有利”的功能。对于物理学史在高考中的要求，今后可以进一步研究和探讨：

1.明确高考关于物理学史内容考查的要求。高中物理课程标准中明确描述了有关物理学史教学的内容标准，有利于教师清楚地把握物理学史的教学内容和要求，而在高考《考试大纲》和《考试说明》中除了命题原则中有相关描述外，并没有关于物理学史内容的具体要求。而有的国外考试十分重视物理学史的考查，明确了物理学史的考查目标和考试内容[16]。实施课程标准高考以后，物理学史成为每年高考的必考内容，因此有必要将部分主要的物理学史内容的要求呈现在《考试大纲》或《考试说明》中，明确物理学史的考查要求。同时，要细化物理学史的考核目标。关于科学教育的目标，申先甲先生认为分为三个层次[17]，第一层次是直接传授知识和培养学生的能力；第二层次是教会学生如何思维，激发学生的创造思维；第三层次是教学生如何做人，培养正确的价值观和人生观，提高学生思想道德水平和文化素养。当前物理学史的考查方式主要体现在第一层次上，在第二层次方面略有体现，而对于第三层次的目标没有明显体现。因此，应该进一步研究能够考查学生的思维过程，反映学生价值观的试题设计方法，通过分析、评价等手段，对物理学史相关内容进行价值分析和判断，挖掘物理学史中的物理思想和方法，让学生更好地体验科学对社会经济生活的重大影响。

2.创新物理学史试题设计的方式方法。与传统的物理学史考查方法相比，当前的物理学史试题设计已经发生了较大变化，避免了“死记硬背”的“再现”式方法，而是考查考生通过物理学史内容理解和推理的能力。今后应进一步挖掘物理学史的内容，通过拓展物理学史的内容素材，丰富物理学史情境的呈现方式，变化试题的设问角度等多种方法提高物理学史内容的考查信度和效度。

3.题型多样化，完善题型考查功能。当前高考物理考查物理学史的题型只有选择题，题型单一，考查功能有所缺失。应该研究其他题型的设计方式，包括简述题、评析题等，通过呈现考生对物理史实及其地位和作用的分析、评价和判断的过程，鉴别考生对物理概念和规律的理解，对物理思想和方法的价值判断，以及科学和技术对科学思维和当今时代的各种影响，体现对考生的情感态度与价值观的正确导向。

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

[2] 申先甲.应用物理学史革新物理教育[J].北京师范学院学报（自然科学版），1989（3）:75.

[3] 程民治.物理学史教学的作用与改革[J].现代物理知识，1997（6）:26-28.

[4] 申先甲,等.谈谈物理学史在素质教育中的作用[J].大学物理,2000（11）:36.

[5] 申先甲,张锡鑫,祁有龙.物理学史简编[M].济南：山东教育出版社，1985.

[6] 李刚.浅析“物理学史”在物理教学中的重要意义[J].黑龙江科技信息，2014（23）：69.

[7] 申先甲.应用物理学史革新物理教育[J].北京师范学院学报（自然科学版）,1989（3）：75.

[8] 吕增建.论物理学史的素质教育功能[J].自然辩证法通讯，2009（2）：66-69.

[9] 程民治.论物理学史的本质属性创新意蕴及其教育功能[J].巢湖学院学报，2013（6）：26-30.

[10] 陈洁.运用物理学史在高中实施情感态度价值观教育的研究[D].苏州大学硕士专业学位论文,2009.

[11] 李刚.浅析“物理学史”在物理教学中的重要意义[J].黑龙江科技信息,2014（23）：69.

[12] 敖琳春.物理学史教育培养学生正面的情感态度与价值观[J].学周刊,2014（6）：157.