基于教科书物理学史素材发展学生核心素养的教学策略研究

2021-12-09李春密

物理教师 2021年11期

张健王华李春密

（1.北京师范大学第二附属中学，北京 100088；2.北京师范大学物理学系，北京 100875）

1 问题的提出

科学史学家萨顿指出，科学史是自然科学与人文科学之间的桥梁，它能够帮助学生获得自然科学的整体形象、人性的形象，从而全面地理解科学、理解科学与人文的关系.物理学史是科学史的重要组成部分.它不仅系统地阐述了物理学的发展的历程，还向人们展示了物理学家发现科学规律过程中所进行的思维活动、所运用的科学方法以及他们所具有的科学精神、所表现的科学道德.因此，将物理学史融入物理教学中可以帮助学生掌握和理解物理学知识，使学生认识到物理学知识的动态性、相对性和暂定性，了解物理学基本观念的变革.物理学史融入教学也是培养学生创新意识的有效途径.它可以发展学生的独立思考能力和质疑精神；可以培养学生的想象力和判断力；可以发展学生科学思维能力，进行科学方法的训练；可以发展学生对科学美的鉴赏能力.［1］物理学史以其特有的精神价值，在学生的思想品德教育中，也可以发挥重要的作用，使学生形成科学态度、科学世界观和正确的价值观，为做有社会责任感的公民奠定基础.

随着基础教育课程与教学改革的深入，物理教育界更加重视对物理学史教育功能与价值的研究，物理学史正在从教育的边缘走向中心.《普通高中物理课程标准》中很多内容要求条目均与物理学史相关，如“结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用”、“通过史实，了解万有引力定律的发现过程.”等.［2］但反观现实的物理教学，有些教师没有意识到物理学史对于培养学生物理核心素养的重要作用；有些教师在积极探索物理学史与教学的融合之道，但在教学实践中缺乏行之有效的教学策略.因此对必修教科书的物理学史素材进行整理、挖掘这些素材的教育教学价值，构建基于学史的教学策略，促进物理核心素养的落实与发展是十分有必要的.

2 必修教科书中的物理学史素材及功能

2.1 物理学史素材

纵观人教版高中物理教科书，其中包含着丰富的物理学史素材，若能充分挖掘其教育价值并融入物理课堂教学中，对于促进学生物理素养的发展大有裨益.笔者将高中物理必修教科书中的物理学史内容进行了统计和分析，详见表1.

表1 新课程标准框架下物理必修教科书中物理学史素材

续表

2.2 物理学史素材的功能

2.2.1 突出物理知识的形成与发展

事实表明，物理学的历史不仅是一部一连串的实验、观测和数学描述的历史，而且也是一部基本概念的演化史.每当物理学开辟一个新的研究领域时，总会出现一个新的科学概念的体系，可见物理学知识体系的发展与演化反映了人类对自然界的探索愈加深入.

“物体运动的原因是什么？”是一个古老的话题，探寻其中道理的过程是动力学的发展过程，也是运动与相互作用观念不断革新的过程.最早回答这个问题的是公元前4世纪的亚里士多德，他从直觉出发认为物体的运动需要力来维持，这一观点延续了2000多年.直到伽利略基于观察后提出“是摩擦使水平面上运动的小球停了下来，如果没有摩擦，球将永远运动下去”；并通过“对接斜面”这一理想实验说明了力不是维持物体运动的原因.伽利略对亚里士多德观点的批判就是运动与相互作用观念的革新，法国笛卡尔又对伽利略的观点进行完善和补充，他指出“如果运动中的物体没有受到力的作用，它将保持匀速直线运动”.直到牛顿将物体间复杂多样的相互作用抽象为“力”，才用科学的概念澄清了力与运动的关系，提出了动力学的一条基本规律——牛顿第一定律.

把物理观念与规律放入历史发展的长河中去看待，可以使学生感悟到知识的发展历程，认识到科学知识的发展性与暂定性，深化对科学本质的理解.

2.2.2 突出科学思维与科学方法

物理学不仅以其概念、规律揭示了自然界基本运动的诸多真理，它还在建立这种知识体系的过程中发展了科学思维和研究方法，推动了科学的进步.从古代不充分地观察和简单的直觉推理，到近代逻辑推理与物理实验互相促进的研究范式，物理学的发展进程也是方法论进步的过程.从宏观现象到微观机理、从低速运动到到高速运动，涉及的研究对象越来越远离人们的感性经验，所以创造性思维的作用也越来越突出，科学想象、理想实验、抽象思维、大胆创造等对近代物理学的发展功不可没.

新教材特别注重科学思维和方法的渗透，开设了“科学方法”专栏介绍物理学中常用的、重要的科学思想和方法.在“自由落体运动”一节首先提出了伽利略对亚里士多德落体理论的质疑，并在“科学漫步”中详细地介绍了伽利略研究自由落体运动的方法.教材在介绍自由落体运动规律的同时，适当地、有选择地介绍这个重要研究的历史过程，说明背景、怎样提出问题、遇到什么困难、如何获得突破、曾经有过什么曲折和争论等，使学生能够领悟到前辈大师的科学精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鉴.

物理学家劳厄（M.vonLaue）曾说：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力.教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候，所剩下来的东西.”因此在物理学习中，不仅要帮助学生掌握具体的知识，而且要引导学生学习和体会物理思想和方法，并努力运用它们解决各种实际问题.

2.2.3 彰显科学精神与科学态度

物理学的发展和成就与它所蕴含的科学精神密不可分.首先是学以致知的探索精神.有的科学研究成果在当时无法直接转化为技术，服务于实际，被视为“无用之学”，如牛顿发现的万有引力定律、法拉第发现的电磁感应定律等，但这狭隘的认识没有阻碍科学家们以求知为目的的探索，使人们获得了对自然规律完整深入的认识.其次是实事求是的客观精神.物理学的目的是求真，客观事实是判断对错的标准，对就是对，错就是错.猜想和论断必须能经受得住实验的检验和逻辑的推敲.再有就是理性分析的精神.物理学强调数学计算和逻辑分析，环环相扣，因果关系合理，诡辩之术在科学面前无立足之地.［3］

科学家在科学研究中所体现出的科学态度是学生形成正确的科学态度与责任的重要来源.例如，新教材中“从伽利略的一生看科学与社会”、“法拉第与电气化时代”介绍了伽利略、法拉第等在科学研究中所体现出的科学精神与态度.在谈到万有引力定律各科学家的贡献时特意说明：“哥白尼、第谷、开普勒这些科学家不畏艰辛、几十年如一日刻苦钻研的精神是成功的基石，值得我们学习.”在电磁感应相应内容处加旁批：“法拉第对科学的热爱以及对科学研究持之以恒、坚韧不拔的态度是他获得巨大成就的重要原因之一.”这样深入挖掘物理学史的教育价值并将其外显化是实现物理教育学科育人的重要途径.

科学精神不仅对科学研究很重要，而且在社会生产、日常生活的各个方面都是有价值的.我们在工作和生活中要做到实事求是、严谨认真并且讲求逻辑，敬畏和尊重客观规律，才能提高效率、减少失误；秉持这种精神，在我们遇到困难的时候，也能面对现实认真分析、理性研判并做出选择，不盲从、不走极端.

2.2.4 展现物理学的应用价值

物理学的发展推动了工业、农业和信息技术产业等方面的进步，引发了一次次的产业革命，改变了人类的生产和生活方式.这是物理学对人类做出的突出贡献，凸显出物理学的应用价值和社会价值.

创建于17世纪的牛顿力学被广泛地应用于工程技术领域，促进生产力的发展；18-19世纪对蒸汽机的改进又迫使人们对热的问题深入研究，引发了热力学的巨大进步.19-20世纪初，电磁学的发展直接导致了发电机和无线电通讯的产生，电能被广泛利用，人类由此进入了电气化时代.进入20世纪后，物理学的研究领域更加广阔，研究方向趋于精细化.核能的利用、半导体工作的兴起、原子钟和光纤通信技术的诞生等无不改变着我们整个世界.可以说，今天世界面貌与物理学的巨大进步密不可分，科学、技术、社会发展是相互联系、互相促进的.

需要指出：既要使学生了解到科学、技术对社会的积极作用，还要使学生了解到若不能很好地利用科学、技术，将会对社会产生不利影响.这有利于培养学生用联系、发展、辩证的观点看待问题，增强社会责任感.

2.2.5 增强文化自信与民族自豪感

我国科技的发展，无论是过去还是现在都对人类文明作出了自己的贡献.我国古人在运动的相对性、力学、热学、光学、电磁现象的认识和应用中，有很多领先世界的发现和记载.直到明、清以前，我国的科学技术在各个领域都居于世界的领先地位.尽管中国古代还没有产生建立在严密的科学实验和严格的数学方法基础上的系统的物理学.［4］但确实积累了相当丰富的物理学知识，做出过相当精彩的物理实验，提出过揭示世界本原和解释物理现象的种种学说.从人类科学认识的整体发展来看，中国古代这些杰出的成就，同样应该看作是近现代物理学的先导与渊源.我们应该为中国的古代文明感到自豪.

20世纪以来，我国科学家几乎在近代物理发展的各个阶段都留下了自己的足迹.新版教科书有意识地反映了我国科技成果和我国科学家的事迹.在“科学漫步——全球导航卫星系统”中增加了我国的“北斗”导航卫星系统的相关内容；在必修第3册介绍了我国射电望远镜“天眼”的相关内容，同时专门介绍了科学家南仁东勇于克服困难、献身科学事业的事迹；增加了我国科学家在相关领域所做研究的介绍，并增配了科学家的照片，如在序言中，介绍了杨振宁、李政道、丁肇中3位华裔科学家，在其他部分介绍了钱学森、赵忠贤、吴健雄等科学家.

通过这样的史料介绍，可以使学生真切地感受到科技的发展就在身边，同时也会增强民族自豪感，有利于学生树立献身我国科学事业的情怀.

3 基于物理学史进行教学设计的策略

3.1 运用物理学史创设情境，引入新课

创设问题情境的功能不仅是引发学生的好奇心，还应该有助于学生从情境中提出问题，并就此展开思维.因此，为引入新课而创设的情境要简洁明了，学生能根据情境提出可探究的问题或者情境能成为思维的起点；尽可能是凭借物理学的内容激发着学生进一步展开探索的兴趣，而不是依靠有震撼力的视听效果引起短暂的好奇心.

案例1：“宇宙航行”.

情境设置.在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星（图1）.你知道这个速度究竟有多大吗？

图1

问题引导.

问题1：按牛顿设想，在忽略阻力的情况下，以越来越大的水平速度抛出物体，物体还做平抛运动吗？

问题2：物体如果不落地，它将怎样运动？

问题3：物体绕地球做圆周运动的向心力由什么力提供？是否需要考虑太阳对它的引力？

问题4：你能否计算出物体绕行的速度？

问题5：地球表面有大气层，为什么月球表面没有大气层呢？［5］

案例分析.以多大的速度才能发射人造地球卫星？这个话题最早是牛顿的设想.在教学中以牛顿的高山大炮设想为问题情境，一方面非常符合学生的生活经验，能够引发学生的共鸣，使其积极思考；另一方面引导学生建立模型，进行推理得出结论.

3.2 还原实验设计为载体，开展探究教学

回顾科学史，科学发展中的难题正是学生个体学习的难点；学生“头脑风暴”碰撞出的想法、探究过程中运用的思维和方法正是科学史上关键性的突破和物理学大师们的思想精华.将历史上的重要物理实验重演，启发学生思考，可以促进学生科学探究能力的提升.

案例2：“电磁感应现象及应用”教学片断.［6］

师：在1831年8月29日，法拉第终于观察到了感应电流（实验如图2所示）.

图2

生：在通电和断电的瞬间，指针发生偏转，电流稳定时指针不动…

师：就刚才的实验现象，你想提出什么样的问题？

生：是不是铁芯起了作用？将铁芯换成其他材料会不会有电流产生？

师：有道理，鼓励！总结：问题1：铁芯是必需的吗？

还有其他不同的看法吗？

生：为什么现象会发生在瞬间，而不是稳定后？

师：很好！问题2：为什么现象发生在瞬间？

生：不能排除由电生电的可能性，即不一定是磁生电.

师：很棒！问题3：是否一定与磁有关？3个问题我们逐一讨论.

案例分析.先演示法拉第的电磁感应实验，让学生观察现象，然后提出问题，并进行实验研究.设计优点是针对真实问题展开教学，给学生观察、思考、提问的机会，生成了3个学生感到疑惑的问题.在学生的探究中，将法拉第的思考与结论穿插进来，启发学生思考，培养学生思维的缜密性.

3.3 整合物理学史形成脉络，开展教学

在教学中，教师可以先梳理物理知识形成与发展的脉络再将相应的物理学史素材呈现给学生，通过问题引领启发学生思考，使学生经历问题的提出、模型的建构、证据的获得、思维的创新，进而建构物理知识体系.

20世纪90年代，英国科学教育家孟克（MartinMonk）与奥斯本（JonathanOsborne）提出了将HPS教育融入科学课程的“孟克——奥斯本教学模式”.该模式将教学过程分为6个阶段，即演示→引出观念→学习历史→设计实验→科学观念与验证性检验→评论和评估.基于HPS教育模式整合物理学史素材，让学生了解概念的形成过程、规律的建立过程，以提升学生对科学本质的理解，培养学生的创新意识和创造能力.［7］

案例3：“牛顿第一定律”教学设计流程（图3）.［7］

图3

案例分析.历史的回顾找到思想的起源，猜想变理想实验感悟其中的研究方法，举例说明、设计实验、理解定律内容等教学目标的完成，很有水到渠成、瓜熟蒂落之感.学生在学习过程中，自始至终处于思考、研究的状态，追寻物理学家的足迹感受科学研究的魅力，领悟科学思想方法的精髓.

3.4 开展以物理学史为核心的活动，拓展学习时空

心理学家布鲁诺说：“知识的获得是一个主动的过程，学习者不应该是信息的被动接受者，而应该是知识获得过程的参与者”.学生是学习的主体，只有积极参与教学、主动思考才能促进有意义的学习.比如可以组织对物理学史某一内容感兴趣的学生去查阅相关文献，收集、整理、分析、归纳相关材料，最后以小组汇报或者板报的形式向同学们介绍.比如在《行星的运动》教学前，可以布置任务：请同学们搜集和整理关于天体运动的不同观点和代表任务，在课堂上与大家分享.

以物理学经典著作为剧本，让学生进行角色扮演参与课堂教学，学生积极性高，课堂氛围热烈而活跃.如在讲解相对性原理时，可以请学生扮演伽利略的《关于两大世界体系的对话》中的萨尔维阿蒂，请他精彩地描述在一个匀速直线运动的船舱中发生的力学现象；在讲解伽利略反驳亚里士多德关于落体的学说时，可以使学生复现《两门新科学的对话》中3位学者的对话，体会思想实验的魅力.

教师也可以将物理学史素材整理成文本资料作为选学内容提供给学生阅读，介绍物理学史的重要史实或概念、规律的发展过程，引发学生自己主动学习，开阔视野，提升阅读理解能力与信息获取能力.如《物理学上关于两种“运动量”量度的争论》、《牛顿是如何提出万有引力定律的？》、《我国古代力学研究的成就》、《“质量”概念的前世今生》、《库仑定律的发现过程》等等.［8］