显化科学本质教育落实物理核心素养

摘 要：以普通高中物理教材“广义相对论简介”一节教学为例，系统分析其在实现科学本质教育方面的育人价值，并实践探索了其实现科学本质教育的显化做法，这一案例具有体现物理课程的时代性、注重物理教学的逻辑和结构等特点，对开展科学本质教育具有一定的参考意义.

关键词：广义相对论;育人价值;科学本质教育;教学案例研究

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0032-04

作者简介：马亚鹏（1986-），男，宁夏隆德人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）将科学本质作为“科学态度与责任”的首要要素纳入物理学科核心素养之中，使得科学本质教育成为课程目标，并在学业质量水平中提出了具体的要求.如何在物理教学中开展科学本质教育？国际上关于科学本质教育的研究表明，“科学本质需要通过显性的教（明示教学）才能实现理解[1]”.为此，笔者在教学实践中以人教版普通高中课程标准实验教科书《物理（选修3-4）》[2]中“广义相对论简介”一节内容为载体，进行了实践探索，并取得明显效果.

1 “广义相对论简介”内容在实现科学本质教育方面的育人价值分析

首先，广义相对论对物质、引力、时间和空间及其关系的划时代研究中，带来了时空观的革命，是学生形成物理观念的重要的学习内容;其次，广义相对论中，爱因斯坦提出等效原理时所使用的“思想实验”也是重要的科学思维方法，对发展科学思维具有不可或缺的价值.爱因斯坦特别强调科学概念的自由创造，正如有学者指出“在爱因斯坦那里，科学的发现已经实现了以推理为工具到以概念为工具的方法论的转变[3]”;再次，天文观测的证据很好地验证了广义相对论的基本观点，突出了科学理论的可检验性特点，体现科学发展的内在力量，因此这节内容是促进学生理解科学本质的典型范例.如对引力红移、水星近日点的进动等现象，牛顿引力理论只能部分地解释，而广义相对论的预言与观测结果却能很好地符合，这也体现了不同科学理论融合时，人们会基于事实证据选择接受“最优”的理论，这也是现代科学发展的重要“范式”.

“廣义相对论简介”一节的教学内容，既是高中物理课程时代性的集中体现，也是高中物理教学中开展“高阶”科学本质教育的重要载体之一.这一点也与“课标”的要求不谋而合，“课标”中除了有“了解广义相对论的主要思想、结论和观测证据”的具体要求外，在学业质量标准对科学本质教育的5级水平中，有3条能够在广义相对论教学中得到很好的体现，分别是：“认识到物理学是基于人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述与解释，并需要接受实践的检验（水平2）;认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作（水平4）;认识到物理学是人类认识自然的方式之一，是不断发展的，具有相对持久性和普适性，但同时也存在局限性（水平5）[4].”

2 对“广义相对论简介”的教学分析

2.1 教材内容分析

本节教材在狭义相对论的基础上，分“超越狭义相对论的思考”“广义相对性原理和等效原理”“广义相对论的几个结论”三部分简要介绍了广义相对论的思想、结论和观测证据.具体而言，教材先简要介绍了狭义相对论未能解决的两大疑难——惯性参考系为何具有特殊地位和万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架.紧接着，提出了广义相对性原理，运用“思想实验”详细介绍了等效原理，即无法区分引力场和惯性系的问题.上述两条基本原理构成了广义相对论的基本假设.最后，教材主要介绍了光线弯曲、引力红移这两个成功检验广义相对论的观测证据.鉴于广义相对论远离学生学习实际和生活经验的特点，教材只用通俗的语言简要讲解了上述“普及性”的内容.因而也导致教材编写略显单薄，未能举出“水星轨道近日点进动”等经典案例，特别是教材对广义相对论中的科学本质观未能有显性论述.

2.2 学习者分析

学生在学习广义相对论前，已系统掌握了经典物理的主干内容，对相对论和量子论等现代物理知识有浓厚的学习兴趣，他们急于了解现代物理学的基本思想和主要观点，但由于现代物理的思想对于经典物理而言是革命性的，并且远离学生的生活实际，因而学生并不能直接结合已有知识和生活经验思考相关问题，加之这部分内容难度较大，容易造成学习困难.同时，也有一部分学生通过科普书、科幻电影等途径了解了广义相对论的一些观点和观测证据，但都不够系统，且极容易形成错误的认识.因此，在教学中清晰地讲解广义相对论的主要观点和观测证据，帮助学生初步形成较为科学的认识就显得尤为重要.

2.3 教学目标的确立依据

将新课标中“了解广义相对论的主要思想、结论和观测证据”的要求具体化，按照物理学科核心素养的四个维度陈述具体目标.

2.3.1 物理观念

知道狭义相对论的两大疑难，了解广义相对论的两条基本假设和主要观测证据，形成相对论的时空观念，并运用这些观念解释自然现象.

2.3.2 科学思维

了解“等效原理”建立的思想实验，体会思想实验在物理学中的作用.

2.3.3 科学探究

能够根据所提供的天文观测证据，验证广义相对论，形成合理结论.

2.3.4 科学态度与责任

认识到物理学研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作;认识到物理学是不断发展的，新的理论要能合理解释已有理论无法解释的现象，要能预言新的现象;体会可检验性是科学研究的一个重要特征;体会科学理论的局限性.

3 “广义相对论简介”教学设计

3.1 创设情境，引入新课

运用多媒体课件呈现2019年4月发布的“人类史上首张黑洞照片”（如图1），指出黑洞是爱因斯坦广义相对论的重要预言之一，黑洞照片的拍摄又一次验证了广义相对论是科学的理论.

评析：以最新的重大科学事件（科技前沿）为例创设情境，激发学生的学习热情.

3.2 对比分析，指出疑难

（1）对比分析有关惯性参考系的两种表述：①牛顿第一定律成立的参考系称之为惯性系;②牛顿第一定律只适用于惯性参考系.

思考后学生发现，在牛顿第一定律和惯性系之间，存在着逻辑循环的问题，这说明牛顿力学和狭义相对论得以成立的基础——惯性系，存在“无法合理定义”的问题.

（2）万有引力和电磁力具有相似的特点，但牛顿的万有引力理论认为引力的传递是“超距作用”，而狭义相对论表明真空中的光速是自然界速度的极限.说明万有引力无法纳入狭义相对论的框架.

评析：在对比中，逻辑地得出狭义相对论尽管在时空观上取得了重大的突破，但仍具有不可调和的矛盾需要解决，客观上产生了创立新理论的需要.

3.3 思想实验，形成结论

教师讲解广义相对性原理和等效原理.

3.3.1 广义相对性原理

爱因斯坦看到了惯性系定义中的疑难，开始对“惯性系的优先地位”产生怀疑，并最终放弃了惯性系的概念，认为“在任何参考系中，物理规律都是相同的”，并将其作为广义相对论的一条基本假设，称为广义相对性原理.

3.3.2 等效原理

由牛顿第二定律可知，做自由落体运动的物体，由于m引 g=m惯a，即a=g.也就是说，mg中的m指引力质量，ma中的m指惯性质量，在实践中，已有引力质量和惯性质量始终相等的测量证据，在物理学中往往不加区分;另一方面，g指引力场场强，a则为物体在惯性系中运动的加速度.这一点启发爱因斯坦思考引力场和惯性系是否等效的问题，于是他设计了一个思想实验.

如图2，地面上物体的自由下落和飞船加速上升时的运动状态完全相同，因而无法区分飞船是加速运动还是停泊在某个星球表面.即一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价.

评析：介绍爱因斯坦提出广义性原理和等效原理的思维过程，尤其是飞船的思想实验，体会“思想实验”在提出物理假设时的重要作用.

3.3.3 模拟演示，升华观念

教师指出爱因斯坦根据上述两条基本原理，运用数学的方法建构了引力场方程，课件展示该方程，指出所涉及的物理量为张量，更为深入的讨论这里就不再详细介绍了.

爱因斯坦的引力场方程的数学解预言了很多的物理现象，其中一个预言是物质的存在会导致时空弯曲，物体的质量越大，时空弯曲就越厉害.

模拟时空弯曲：邀请4位学生将一块床单拉平.（1）在床单上放一个乒乓球，乒乓球轻微地压弯了床单;（2）将乒乓球换成铅球，床单被压弯的程度显著增大（如图3）;（3）在放有铅球的床单上，将乒乓球从某一位置由静止释放.

根据模拟实验得出结论：（1）质量越大，时空弯曲得越厉害;（2）引力是时空弯曲的表现.需要说明的是，教师必须告知学生，模拟实验只是为了直观感知时空弯曲与引力的本质.

评析：通过模拟实验，直观感知时空弯曲，体会时间、空间与物质、运动相互联系的观念，进一步理解相对论的时空观.

3.3.4 出示证据，证实理论

爱因斯坦的广义相对论对一些重要的天文现象作出了预言，这些预言都经受住了实践的检验.简要介绍三个证实广义相对论的观测证据.

（1）时钟变慢与引力红移

预言：时空弯曲的地方，时钟也会延缓，即可出现引力红移现象.

证据：太阳表面氢原子光谱的频率比地球上氢原子光谱的频率小.

结果：证实了预言结果成立.

（2）水星近日点的进动（如图4）

牛顿理论预言：水星轨道是一条封闭的椭圆轨道.

天文观测结果：近日点每百年有5600角秒的进动.

考虑其他天体影响后：还有43角秒无法解释.

广义相对论：解释了每百年43角秒的进动.

（3）引力使光线偏折

预言：光线在引力场中会发生偏折.爱因斯坦通过计算得出，从遥远的恒星发出的光，经过太阳引力场时，会发生偏折，偏折量为1.75角秒（如图5），而牛顿理论的预言为0.875角秒，为广义相对论预言的一半.

证据：1919年5月，发生日全食时，英国物理学家爱丁顿率领两个观测队分别在巴西和西非进行了观测，通过对拍摄的日食照片的分析与计算，得出光线的偏折量分别为1.61角秒和1.98角秒.

结果：证实了观测结果与爱因斯坦广义相对论的预言符合得很好.

评析：通过广义相对论的三大预言及其与观测证据的比对，证实广义相对论的正确性.

3.3.5 回溯小结，理解科学

從广义相对论的两条基本原理和三组观测证据，总结本节课内容，并结合广义相对论和牛顿力学的对比，同学生一起反思并总结指出，在科学研究中：（1）新理论取代旧理论进而被科学家所接受的条件：①新理论要能解释已有理论无法解释的现象;②新理论要能预言新的现象.（2）科学理论的重要特征：科学理论必须具有可检验性，观察和实验可以“证实”或“证伪”理论，只有具有可检验性的理论才能称得上科学理论，才配得上科学的“桂冠”.（3）从牛顿力学到爱因斯坦的广义相对论，人类对物理规律的探索不断深化，也让我们进一步深刻体悟到牛顿力学的局限性.

由此，我们也有理由相信，有朝一日一定会有更“优”的理论超越广义相对论，从这个意义上来说，科学的探索永无止境.

评析：通过课堂小结，显化科学本质观教育，帮助学生全面、准确地理解科学.

4 反思与启示

4.1 体现物理课程的时代性

核心素养取向的教育改革立足于对未来人才发展的美好期许，力求“为未来社会培养时代新人”，基于学科核心素养的教学更应凸显物理课程的育人价值[5]，体现时代发展的新需要.“课标”进一步将“反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想”作为重要理念以体现物理课程的时代性.因此，高中物理课程内容不能止步于经典物理学的理论体系，更不能囿于习题演练无法自拔，而是需要为学生进军现代物理学“打开缺口、留下接口”.本文对“广义相对论简介”在实现科学本质教育方面的育人价值所进行的深刻认识和教学实践，就是为了满足学生进一步发展的需要，充分彰显了物理课程的时代性特征.在实际教学中，这些内容不仅不能舍弃，而且应该给予充分利用.

4.2 注重物理教学的逻辑与结构

物理教师对狭义相对论的教学做了较多的探索，而对广义相对论则较少关注，而现有的一些研究还出现了以“科普视频”替代教学的现象[6]，这对凸显“广义相对论简介”的育人价值是不利的.本文围绕物理学科核心素养目标设计并实施教学，从情境创设、提出问题、理论探究、实践检验和理解科学本质等方面逐次展开教学（如图6），层次清晰，逻辑合理，符合学生的认知规律，构成了完整的教学结构.这种依据课标、教材和学生认知的逻辑充分展开的课堂教学，是某种单纯的、介绍性的“科普”所无法替代的.同时，这一案例在不过度增加学生学习负担的情况下，通过课堂讲授和模拟演示的方式，有效地帮助学生理解了广义相对论的核心思想，突破了教学难点，这也为难度较大的物理知识教学提供了借鉴.

4.3 进行科学本质的显化教育

在物理教育研究中，科学思维、科学方法、科学情感与价值观等教育向来存在“显化”教育与“隐性（渗透）”教育两种不同的教育观念.比如在科学方法教育中，长期以来占据主导地位的是“隐性”教育的方式，主要倡导学生在接受物理知识教育的过程中“感悟”科学方法.这种方式近年来受到了质疑，认为“隐性教育方式造成科学方法教育的放任自流，从而影响了科学方法教育的效果[7]”，而显化教育能弥补这一不足.无独有偶，正如本文开头指出的，“科学本质教育需要通过显性的教（明示教学）才能实现理解”，“广义相对论简介”一节的教学采用显化科学本质的教学策略，结合广义相对论的具体内容，通过与学生一起讨论新的科学理论替代旧理论的条件，科学理论可检验的特征以及对牛顿理论和广义相对论的对比之中，旗帜鲜明地指出牛顿理论的局限性，并提出“科学探索永无止境”的观点，激发学生投身科学的热情.从学生课堂的表现来看，经过教师显性的讲解，他们对科学的本质有了较为深刻的认识，显然这是隐性渗透方式所做不到的.

（致谢：本文写作过程中曾得到昆明市五华区基础教育发展研究院赵坚老师的悉心指导，在此深表感谢.）

参考文献：

[1]黄晓.体现科学本质的科学教学——基于HPS的视角[M].南京：江苏人民出版社，2014.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]朱雄.物理教育展望[M].上海：華东师范大学出版社，2002.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[5]马亚鹏，赵坚，杨威虎.弄懂新课程标准 做实物理课教学——《普通高中物理课程标准（2017年版）》的特点分析与实施原则[J].物理教学，2018，40（05）：2-5.

[6]马亚鹏.高中物理“相对论”教学研究[J].物理教师，2013，34（11）：12-14.

[7]邢红军.物理教学论[M].北京：北京大学出版社，2015.

（收稿日期：2021-02-09）