新教材中“科学漫步”栏目的物理文化教育价值与教学建议

郑 康

（常州市戚墅堰高级中学，江苏常州 213025）

1 引言

物理学是一门研究自然界物质基本结构、相互作用和运动规律的基础学科.物理学基于观察和实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系.物理学作为一门学科，它不仅是一种知识体系，同时也是人类精神文明的硕果，在物理学的建立和发展过程中，人们积累了丰富的科学研究方法和思维方式，树立了求真、求善、求美的科学态度和人文精神，因而物理学也蕴含着丰富的文化品性.物理文化，即历代物理学家在建立物理学理论过程中，发现、创造和形成的物理概念、物理定律、物理语言符号、物理仪器设备、物理方法、物理思想、科学精神以及价值观念的总和.这些部分各具特色又相互联系，共同组成物理文化的有机整体.

在《普通高中物理课程标准》中，明确提出应“引导学生了解物理学发展历程，关注科学技术的主要成就和发展趋势以及物理学对经济、社会发展的影响；了解物理学的研究方法，认识实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用；养成良好思维习惯、培养科学思维能力；培养学生学习科学的兴趣、实事求是的科学态度和科学精神，结合物理教学进行辩证唯物主义教育和爱国主义教育.”

在物理教学中提高学生的物理文化素养，要求物理教学不仅要向学生教授知识，更注重对学生能力的培养、思维品质的提高以及科学情感、态度与价值观的形成.在人教版高中物理教材中，“科学漫步”栏目蕴含大量的物理文化内容，具有丰富的教育价值，对提高学生的物理文化素养具有重要的作用.

2 “科学漫步”内容梳理

以人教版高中物理必修1－3，选择性必修1－3共6本教材中的“科学漫步”栏目为研究对象，通过梳理发现教材中共有35节教学内容含有“科学漫步”栏目，主要可以分为以下3大类：物理学史、物理前沿和技术与生活.其中，物理学史方面主要展现了科学家进行物理实验和科学研究的过程，介绍了他们在科学研究过程中所体现出的方法和思维；物理前沿方面主要介绍了当前物理学领域较新的研究成果和前沿进展，以开拓学生的视野，激发学生的学习兴趣；技术与生活方面主要介绍了科学技术在生活中的应用，加深了科学技术与生产生活的联系.因此，“科学漫步”栏目蕴含丰富的物理文化教育价值，笔者将其总结为四个方面：知识观念方面、过程方法方面、科学思维方面和态度与价值观方面，并分析每一节“科学漫步”所属分类及对应的教育价值.梳理结果如表1－表6所示.

表1 必修1中“科学漫步”栏目内容梳理

表6 选择性必修3中“科学漫步”栏目内容梳理

续表

表2 必修2中“科学漫步”栏目内容梳理

表3 必修3中“科学漫步”栏目内容梳理

表4 选择性必修1中“科学漫步”栏目内容梳理

续表

表5 选择性必修2中“科学漫步”栏目内容梳理

3 “科学漫步”的物理文化教育价值与教学建议

“科学漫步”栏目在物理教学中具有重要的教育价值，归纳起来主要有以下4点，并针对这些教育价值提出相关教学建议.

3.1 拓宽学生的知识面，加深学生对物理概念和规律的理解

在物理教学中，有些“科学漫步”介绍的内容虽略高于考试要求，但又与高中物理知识体系密切相关.学生在学完相关的物理概念和规律后，是具备一定的理论基础的，因此，在学生已有的基础上，教师不妨再推进一步，认真组织好这部分内容的教学，将其当成对课堂内容的迁移和拓展，这既有助于学生加深对相关内容的理解和掌握，又可以开阔学生的视野，拓宽学生的知识面.

3.2 再现物理研究的历程，让学生感悟科学研究的过程和方法

“伽利略对自由落体运动的研究”科学漫步中，介绍了伽利略对自由落体运动研究的过程.我们知道，物体做短距离的下落是非常快的，而为了准确测量时间，伽利略巧妙设计出“冲淡重力”的方法，让小球沿阻力较小的斜面滚下，通过重新测量位移与时间的关系，得到小球沿斜面的运动确实是匀加速直线运动.在此基础上，伽利略做了合理的外推，如果斜面的倾角逐渐增大并增大到90°，则小球的运动变成自由落体运动，这时小球仍会保持匀加速直线运动的性质，因而得到，所有物体下落的加速度都是一样的.可以看出，在伽利略对自由落体运动的研究中，不仅确立了许多描述运动的基本概念，而且还创造了一套对近代科学发展极为有益的科学方法，即将实验探究和逻辑推理（包括数学演算）相结合起来，如果将这些研究过程介绍给学生，无疑会对我们学生开展科学探究提供重要的借鉴.

“石墨烯实验研究背后的故事”科学漫步中，介绍了安德烈对石墨烯的研究过程.在2004年之前，人类对材料的研究已经进入纳米、甚至原子尺度，人们也对石墨烯的结构有了更清晰的认识，预言了单层石墨可能会有非常好的物理性质.但如何把石墨不断磨薄，薄到只有一个原子的厚度，这对很多科学家来说是一个世界性难题，令他们望而却步.然而安德烈在偶然的机会下，观察到助手们用透明胶带去除石墨块表面的污渍.这时他凭借天才的直觉将粘过的胶带放到仪器下观察，发现远比助手们打磨好的样品薄了许多，随即他便利用透明胶带反复地粘黏，直到获得了单层的石墨——石墨烯.通过对石墨烯的开创性研究，从而获得了2010 年的诺贝尔物理学奖.由此可以看出，解决具有挑战性的科学问题，除了扎实的理论和精密的仪器外，想象力、对日常生活的细致观察和灵活运用也尤为重要.

物理研究的过程不是一帆风顺的，历史上许多物理学家在研究的过程中遇到了许多实验和方法上的困难.在某种程度上，掌握这些研究的方法比掌握知识本身更为重要.如果教师在物理课堂中能够向学生再现物理学家构思实验、精巧设计和改进方法的研究过程，则可以让学生积累更多的方法和经验.学生只有掌握了基本的方法和能力，才能够独立自主地开展研究，并进行创造性地发挥.

3.3 使学生突破传统观念的束缚，培养其开放和创新的思维

“人类对行星运动规律的认识”科学漫步中，古时候欧洲人认为地球是宇宙的中心，地球静止不动，所有的星体都在围绕地球运动.这在当时成为了社会的主流看法，而在哥白尼看来，地球中心宇宙观是非常狭隘和偏执的，他突破传统观念的束缚，采用更广阔的视角洞察自然.哥白尼提出，地球是宇宙的一个普通天体，行星和地球绕太阳做匀速圆周运动，只有月球绕地球运行.哥白尼的理论使人们对天体运行的认识向前跨出了一大步，这与他敢于突破固有观念束缚、采用更广阔的视角看待问题是分不开的.

“正电子的发现”科学漫步中，介绍了正电子发现的过程.1930年，英国物理学家狄拉克从理论上预言了电子的反粒子的存在，这个反粒子就是正电子.1932年，美国物理学家安德森利用放在强磁场中的云室来研究宇宙线粒子，他发现当宇宙线粒子通过云室内的强磁场时，粒子的径迹与电子的径迹十分相似，只不过偏转方向相反，由此安德森大胆提出该粒子即为正电子.然而，在这一发现之前不久，约里奥－居里夫妇也同样在云室照片中发现了与电子偏转方向相反的粒子径迹，但遗憾的是，他们未能深入研究这一现象，就把这一特殊现象放走了.而安德烈能够突破已有的认知和束缚，大胆地提出该粒子即为正电子.正由于这一发现，安德烈获得了1936年的诺贝尔物理学奖.

同样的一个物理现象，在不同人看来却会得到不同的结论.历史上有一些科学发现并不是因为运用了高超的实验技巧、方法和深奥复杂的理论，而恰恰在于研究者本人能够突破固有观念的束缚，解放思想，运用更加开放性的思维去分析和判断.在物理教学中，教师不妨利用“科学漫步”资源展现物理学家对于同一物理现象的不同认知，引导学生分析物理学家成功取得和未能成功取得科学发现的原因，让学生意识到突破观念束缚和开拓新思维的重要性，培养学生开放的、创新的思维.

3.4 激发学生学习物理的兴趣，培养其科学态度和科学精神

“牛顿的科学生涯”科学漫步中，介绍了牛顿的进行科学研究的方法.一是重视实验，从归纳入手.这是牛顿科学方法论的基础.牛顿本人在实验上具有高度的严谨性和娴熟的技巧，在《自然哲学的数学原理》一书中他描述了大量的实验.二是为了归纳成功，需要有清晰的逻辑头脑.牛顿善于从众多的事实中挑选出几个最基本的要素，形成深刻反映事物本质的概念，然后以此为基石找出事物之间的各种联系并得出结论.三是应用数学将事物之间的本质联系归纳为公式和定律.牛顿的数学才能帮助他解决了旁人解不开的难题.他把一些基本概念定义为严格的物理量，并且创造出新的数学工具来研究变量间的关系，从而建立了运动三定律和万有引力定律.此外，牛顿勤奋学习的精神，积极思索、耐心实验，以及年复一年坚持不懈地集中思考某一问题等优秀品质，也是他取得伟大成就的内在因素.

“天然放射现象的发现”科学漫步中，居里夫人对放射现象进行研究，证实铀盐发出射线的强度只与化合物中铀的含量有关，与其成正比.后来，居里夫妇对其他元素进行研究，发现钍也具有放射性.居里夫妇继续艰苦的工作，先后发现了钋、镭等元素.起初镭的存在受到怀疑，为了排除这一怀疑，居里夫妇对镭进行上万次的提炼，最终从8吨沥青铀矿渣中提炼出0.12 克纯净的氯化镭，向世人证实了镭的存在.在发现镭具有致癌功能后，居里夫妇认为这种济世救人之物应该属于全世界，当镭以昂贵价格出现在市场上时，他们自己却甘愿过着清贫的生活，一战期间，居里夫人还将诺贝尔奖金献给政府，用于战时动员.可能由于长期受到射线的照射，居里夫人死于白血病.

先辈的科研和生活经历具有丰富的教育意义.在物理课堂上，教师利用“科学漫步”相关内容介绍科学家的事迹可以让学生参与物理现象、规律的发现过程，增强学生对物理学习的兴趣，培养学生在科学家科研过程中所体现的坚持真理、实事求是、坚持不懈、踏实严谨的科学态度和科学精神.而对于一些科学家将自己的一生奉献给科学事业和祖国的事迹，可用其对学生进行爱国主义教育，从而激发学生的爱国热情，激励学生树立强烈的社会责任感.

4 总结

人教版高中物理教材中的“科学漫步”栏目蕴含大量的物理文化内容，具有丰富的教育价值.教师在课堂上运用“科学漫步”栏目渗透物理文化教育有利于提高学生的物理文化素养，能够加深学生对物理概念和规律的理解，让学生感悟科学研究的过程和方法，使学生突破传统观念的束缚、培养开放和创新的思维，以及激发学生学习物理的兴趣、培养其科学态度和科学精神.在高中物理教学中，教师应该充分重视“科学漫步”这一重要的教学资源，根据不同的教育价值实施教学，发挥其存在的应有价值.