基于核心素养导向的物理学发展史教学探究

曾荣华

2017年，随着《普通高中物理课程标准》的颁布，学科核心素养的提出为物理教学提供了明确的方向，物理学科核心素养受到了许多教育工作者的重视。由于物理学发展史的真实性、完整性，并且蕴含着丰富的人文价值，不仅能够清晰地呈现物理知识发展脉络，其背后所蕴涵的哲理则更富启迪性，具有丰富的育人功能，把物理学发展史渗透到物理教学中，能有效地培养学生的科学态度和责任感。

一、利用物理学发展史来促进教学的背景和对“科学态度和责任感”概念的界定

在国际上，关于“在教材中引入物理学发展史来培养学生的科学素养”的研究最早始于二十世纪的50年代。當初的目的是把学生引入到物理学发展史的具体情境中，引导学生从对物理知识的机械性模仿和记忆中解脱出来。在国内，利用物理学发展史来服务教学的举措要稍晚一些，到了二十世纪80年代，物理学史的教育功能才引起有关方面的重视。

物理学科核心素养指的是物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任感，这四个要素是密不可分的，它们既相互影响，又相辅相成。物理核心素养中的“科学态度与责任”是指在认识科学本质，理解科学、技术、社会、环境关系的基础上，逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度和责任感，是个体对特定对象所持的稳定心理倾向，主要包含有好奇心、实事求是、追求创新、合作分享等四个方面。社会责任感主要包含科学伦理、社会与环境（STSE ）两部分，比如社会伦理道德规范、主流价值观的取向、热爱自然、保护环境和促进可持续发展的责任感。在初中物理教学中，本人认为科学态度和责任感具体体现为：好奇心、尊重事实、批判性地思考、勇于创新和具有人文情怀等几个方面。

二、在课堂中渗透物理学发展史培养学生的科学态度和责任感的具体方法和策略

（一）利用物理学发展史创设认知冲突，激发学生的好奇心和探索欲望，培养学生尊重事实的科学态度

人类对物理概念及其规律的认知是经历了漫长而复杂的过程才形成的，但教材由于其篇幅等客观条件的限制，对知识点的介绍和推导往往高度概括，对概念及其规律形成的历史背景的介绍就更显单薄。然而，物理学发展史上，人们对物理概念和规律的认知过程，在某种程度上也代表了学生对事物的认知规律，两者具有一定的相似性。因此，我们可以在课堂上适当地渗透物理学发展史，让学生体验物理概念和规律的形成过程，体会真实的历史，加深对物理概念和规律的理解，以此来培养学生尊重事实和批判性思考的科学态度。比如，在现行的粤沪版教材《6.5探究杠杆的平衡条件》中，课本从日常生活的跷跷板引入，然后用带刻度的木尺代替跷跷板，用钩码代替人，进而抽象出一个杠杆的模型进行探究，得出杠杆平衡的条件。站在认知的角度看，从生活中熟悉的跷跷板引入杠杆模型固然容易让学生接受，具有一定的亲切感，但是，从认知心理学上看，这种教学安排显得过于平淡，缺乏趣味性，无法激起学生的认知冲突，激发学生的学习积极性，不利于学科核心素养的培养。

笔者认为，在本节的教学过程中，我们可以渗透物理学发展史来弥补教材的这一不足。在生活中，学生对利用撬棒可以撬动重物是有一定生活经验的，所以，我们就顺着这种思路，从阿基米德对徐拉古国王“给我一个支点，我能把地球撬起来”这句响彻云霄的名言出发，让学生在心理上产生了一个巨大的认知冲突：撬棒可以撬起重物，但它真的能撬起地球吗？穿过了千年的时光，这句豪言却依然散发着一股不可抵挡的傲气，马上点燃了学生的学习热情。然后，再从撬棒中抽象出杠杆模型，引导学生进行探究，不难得出杠杆的平衡条件。但是，我们的课到这里并没有结束，我们将带领学生回过头来探究阿基米德的那句名言的科学性：假如给阿基米德一个合适的支点，阿基米德是否真的能把地球撬起来？地球的质量为6 x 1024千克，重力大约为6 x 1025牛顿， 假设我们能够提供一个合适的支点，这个支点距地球1米，阿基米德给杠杆的最大压力为600牛顿，根据杠杆平衡原理，我们需要给阿基米德提供一根长约1 x 1023米的轻质杠杆，如果把地球撬起1厘米，那么，阿基米德不得不在另一端把杠杆按下10x1021米的距离。假如他以接近声速的1000千米每小时的速度风驰电掣般地飞行，那他也需要花费大约1011年，这个时间有多长呢？我们先来看看时间长度的极限，那就是宇宙的年龄，大约为137亿年，也就是1.37 x 1010年，假如从宇宙诞生的那一刻开始，阿基米德就开始按下那根撬动地球的撬棒，直到现在，他也还没能让地球上升哪怕只有1厘米呢！这显然不现实。

在教学过程中，我们不必拘泥于杠杆趙和移动距离等螂的具体计算，单就这个数量级，就足以给学生留下深刻的印象。这节谢艮好地利用了物理学发展史来激发学生对杠杆平衡条件的学习兴趣，经过对撬动地球的计算与探究，学生对规律的理解也必将更为深刻，而且能够培养学生客观地面对实验数据，尊重事实的科学态度。

（二）利用物理学发展史创设情景，培养学生敢于质疑和批判性思考，勇于创新、合作分享的科学态度

建构主义学习理论认为，学习不是由教师简单地把知识传递给学生，而是学生以原有的知识体系为基础，对新事物进行重新的认识和组合，在学习过程中，学生与外在环境之间发生相互作用，对认知结构进行重组，对科学态度与价值观的培养同样如此。物理学发展史是情景创设的重要来源之一，让学生置身于真实的时代背景中，去建构物理概念和规律，可以有效培养学生敢于质疑的科学精神和批判性思考的科学态度。比如，在学习牛顿第一定律时，现行的粤沪版《7.3探究物体不受力时怎样运动》教材从“运动是否需要力来维持”这两种相互矛盾的观点出发，然后利用理想实验来得出力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动的原因。站在学生的角度来看，这样的教学安排并不符合学生认知的实际，因为“力是维持运动状态的原因”即使是在今天，也具有很大的迷惑性，简单地用一个实验来推翻人们根深蒂固的观念并不容易，在逻辑上跳跃性太大，在内容上则显得过于单调而枯燥，不符合建构主义理论对新事物的认知特点。因此，本人认为可以在教学过程中创设相关的历史情景，引导学生置身于真实的历史背景中，让学生循着伟人的足迹，重新经历从亚里士多德、伽利略、笛卡尔到牛顿的心路历程，不仅对力和运动的关系有了更加全面的认识，也培养了学生对科学知识敢于质疑，而非全盘接受的科学态度，同时，也培养了学生对前人的经验进行批判性思考的科学态度，这样的教学安排在逻辑上更顺畅，内容上更详实，情感上更贴近学生的心理，在物理学发展史的背景下，学生从科学家的更迭中受到了熏陶，也培养了学生敢于质疑和批判性思考的科学态度。

又比如，在《电磁感应》一节的教学中，首先，从奥斯特电流的磁效应出发，把学生置身于研究电和磁的历史场景中，然后抛出问题：既然电能产生磁，那么，磁能否产生电？点燃学生的探索的热情。然后，提供一些实验仪器，把学生置身于真实的历史背景中，引导学生像科学家那样去思考和探索，得到磁生电的奥秘。培养学生勇于创新的科学精神和坚持不懈的科学态度。最后，组织学生进行小组讨论：还能用什么方法让磁产生电呢？并让学生尝试自己组装发电机模型，让学生在实验中体会到动手的乐趣和成就感，培养学生合作分享的科学态度。

（三）凸显物理学发展史丰富的人文精神，引发学生的情感共鸣，培养学生爱国情怀和社会责任感

在情感态度价值观上，需要用物理学发展史来激发学生的情感共鸣时渗透物理学发展史，培养学生的科学态度和责任感。物理学发展史不仅具有教学功能，作为物理文化的载体，她更兼备育人功能，利用物理学史能够培养学生的人文情怀和热爱祖国等主流价值观的取向。比如，在讲电学知识时，“静电学三剑客”就能够为我们提供很好的教育素材：在学习电流时渗透勤奋好学，把奔跑的马车背板当成黑板来演算的安培;学习电压时，引入淡薄名利，无私奉献的伏特;学习欧姆定律时，讲述克服千辛万苦，在逆境中飞扬的欧姆。这些物理学家们的动人故事，能够很好地丰富学生的精神世界，培养他们吃苦耐劳、坚持不懈、无私奉献的人文情怀。在学习原子物理和热机的时候，则可以渗透钱学森、邓稼先等一大批两弹一星元勋和老一辈科学家们的动人故事，让学生感受老一辈科学家们伟大的人格魅力和艰苦奋斗、自力更生的爱国主义精神，这些宝贵的精神财富在今天经济发达的社会生活中显得尤为珍贵。而在电磁学部分的学习过程中，则可以渗透近现代电磁学发展史，让学生体会物理技术对日常生活的巨大影响，在讲运动和力的时候，则可以利用我国奋发图强建设北斗卫星导航系统那曲折而感人的过程，增强学生的民族自豪感和社会责任感，激发他们的爱国情怀，树立为祖国的繁荣富强而努力学习的志向，提升学习的内驱力。

总之，核心素养是我们教学的指导方向，而物理学科核心素养的四个方面是相互联系、共同发展的。正如邢红军教授说的，如果把核心素養下的物理教学比喻成一棵大树，那么，科学态度和责任感则是这棵大树得以茁壮成长的养分和土壤，如果缺少了物理精神的物理教育，这棵树是断然无法成长为参天大树的。杨振宁曾经说过，“要站在问题开始的地方，要面对原始的问题，而不要淹没在文献的海洋里……”我们不应该淹没在题目的海洋中，教科书上呈现的物理知识固然重要，但是，隐藏在背后的知识脉络则更富有理性的力量和教育意义。我们要让学生面对原汁原味的物理问题，把学生置身于真实的历史背景中，引导他们去亲历物理概念的形成讨释以及物理规律的发现过程，让他们像科学家那样去思考，在潜移默化中让学生形成正确的情感态度和价值观，利用物理学发展史来培养学生的科学态度和责任感具有不可替代的作用。