学习物理学史 培养学生核心素养

杨红+李成金

摘 要：培养学生的核心素养，首先要培养学生的学科素养。物理学科的核心素养主要包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任。文章用“伽利略关于自由落体运动的研究”一节的教学为載体，尝试讲述物理学史对培养学生核心素养的重要性。

关键词：核心素养；物理学科素养；物理学史

随着素质教育的不断发展，培养学生的核心素养已成为教育研究的重点。核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格与关键能力，它分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养。在“核心素养体系”的整体框架基础上，高中物理学科的核心素养分为四个维度：物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任。物理学是研究物质及其行为和运动的科学，是最早形成的自然科学之一。它内容广泛，研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律；结构严谨，所有的知识体系、定理规律都经过无数科学家反复摸索、探究、论证、辨析，因此，物理学史是物理学不可分割的重要组成部分。笔者认为通过学习物理学史，了解物理规律发现过程的背景和科学轶事，有助于激发学生的学习兴趣，增强学生的物理概念认知，锻炼学生的科学思维，提高学生的学习探究能力，培养学生的科学态度和责任。

高中物理课改教材各章节都渗透了大量的物理学史教育内容 （“STS”23 篇，“科学足迹”24 篇，“科学漫步”28 篇）。但在中学物理日常教学过程中，教师往往迫于教学进度的压力，忽视了物理学史的地位和作用，让学生直接记住物理学家、物理规律以及发现物理规律的时间，很少运用物理学史了解发现过程和背景帮助学生记忆。以下以自由落体运动的问题为例，谈谈笔者在相关方面的认知。

一、了解物理学史，增强物理观念，学习科学态度

物理是研究物质形态规律的学科，不仅包括物理知识体系，同时也包含数学形式以及物理思维。“自由落体运动”是人教版高中物理必修一第二章中的内容，其中第六节是伽利略对自由落体运动的研究。在物理学的发展史上，伽利略是一位具有里程碑意义的人物。在伽利略以前，物理学的发展是在哲学体系下进行的逻辑推理，缺少科学的方法，发展进程曲折而缓慢。因此可以安排一课时向学生详细阐述当时的历史背景、发生的历史事件，让学生通过了解科学家们的事迹，熟悉物理学史的发展历程，体会科学家们的人格魅力，增强物理概念，学习科学家们的科学态度和责任。

不少物理教师在本课中忽视了“知识的相对观和发展观”这一素材，尤其是亚里士多德对物理学的贡献。事实上，亚里士多德时代对空气、力等基本的认识还几乎处于空白，他注意观察、善于总结的特点对时代的科学进步其实还是有较大的贡献的。亚里士多德是当时伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。他是逻辑推理的创始人，提出了“四因说”：形式因、质料因、动力因、目的因。他提出的理论是基于当时哲学体系下的分析，因此亚里士多德认为“重物的下落”是由于万物有天然位置，轻在上，重在下。物体越重，下落得越快；物体越轻，则下落得越慢。这一理论在其后的两千多年里，都被奉为经典。但伽利略则对此提出了质疑，据说伽利略曾当众从比萨斜塔顶端抛下一轻一重两个铁球，结果两个铁球同时着地，瞬间推翻了亚里士多德的理论。虽然此说无可查证，但是在《关于两门新科学的谈话和数学证明》一书中，伽利略写道：“从高200库比特（1库比特≈45.7厘米）的塔顶落下的铅球和乌术球，着地时前者不会比后者超前4英寸”，根据轻重物体几乎同时着地这一事实，伽利略假定了一种理想状况，即如果没有空气阻力，两球下落速度相等。

爱因斯坦曾说：“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要，因为解决一个问题也许只是一个数学上或实验上的技巧问题。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”在关于运动的问题方面，亚里士多德思考的是物体为什么会运动，是怎样运动起来的；而伽利略思考的是物体怎样运动又是怎样停下来的。学生们从中会积极思考领悟这一故事中所体现的物理知识以及科学精神，如伽利略是在观察的基础上进行了思索和实验论证，从而推翻了亚里士多德的理论；伽利略依靠他首创的科学方法，积极思考，勇于挑战权威，成为第一个打破“亚氏权威”的人。

二、创设实验情境，锻炼学生科学思维，提高学生探究能力

实践是检验真理的唯一标准。任何结论和猜想都必须经过实验验证，否则不成理论。猜想或假说只有通过验证才会成为理论。所谓实验验证就是任何人在理论条件下去操作都能得到实验结果，它具有任意性，但不是无条件的，实验是在一定条件下的验证，而与实际有区别。伽利略对自由落体运动的研究，揭示出自由落体运动的规律，对经典物理学体系的建立起到了关键性的作用。在教学过程中，通过重现经典实验过程，将演示实验和自主实验相结合，学生们在体验参与实验的过程中，能切实感受到实验的魅力，了解科学家们缜密的思维逻辑，掌握科学实验的基本步骤，提高科学探究能力。

教师结合教材图2.6-3讲述伽利略研究关于自由落体运动时运用的原理及方法，通过创设情境，引发学生思考，让学生切实体会到伽利略逻辑和实验的伟大之处。教师提问一：“物体下落快慢到底和质量有没有关系，让大小相同、质量不同的橡皮和粉笔从同一高度同时落下，是同时落地还是先后落地？”学生根据历史史实以及所学知识回答：“同时落地。”教师做演示实验证实物体的下落速度与质量无关。提问二：“物体下落的速度和体积有无关系？让质量相同体积不同的木块和铁块从同一高度同时落下，是同时落地还是先后落地？”学生回答：“同时落地。”教师做演示实验证实物体下落速度和体积无关。提问三：“从作业本中撕下两张纸，一张平展，一张揉成团，这两张纸从同一高度同时落下，是同时落地还是先后落地？”学生自主实验，交流讨论得出结论：“先后落地。”教师继续引导：“这种现象是什么导致的呢？伽利略的理论难道错了吗？”学生们阅读教材，相互交流思考回答问题：“伽利略开展自由落体运动规律研究的前提是忽略空气阻力。”实验的过程中要突出主要因素，忽略次要因素，抓住事物的本质。自由落体运动主要是重力作用引起的，因此，重力为主要因素，阻力为次要因素可忽略不计，从而把自由落体运动理想化为只受重力作用。教师向学生介绍其他人验证伽利略关于自由落体实验的方法，开拓学生眼界，发散学生思维，锻炼学生思维能力。比如，提问四：“如何用一张纸和一本书验证？”学生小组合作进行自主实验，交流思考后回答问题：让书和纸从同一高度同时落下，发现书比纸下落得快；将纸放在书上，让它们在同一高度同时落下，发现它们同时落地；将纸放在书下在同一高度同时落下，发现也是同时落地。因为纸放在书上和书下时，所受到的空气阻力可忽略不计。

总之，在教学过程中结合物理学史，设定有助于引发学生自主思考的情境，引导学生在探究中建构物理认知，切实体会物理学家们实验的卓越之处，学习科学家们在实验过程中所使用的独特方法、思维逻辑和科学精神，这些对学生日后长远发展具有深远的意义。

参考文献：

[1]董 彦. 利用物理学史培养学生的核心素养[J].物理教学探讨，2016（8）.

[2]施 坚，李 刚.基于物理学史与活动探究的课堂之旅——以人教版教材“伽利略对自由落体运动的研究”为例[J].教学论坛，2015（8）.

（作者单位：苏州大学物理与光电·能源学部）