基于“有效失败”理论的高中物理学史教学设计及实践研究

2024-01-08吉利

物理教学探讨 2023年12期

吉利

上海市鲁迅中学，上海 200083

1 研究背景

1.1 情境重现

“上科版”高中物理必修一第四章的学习目标：学生能够用牛顿运动定律解释简单现象、解决实际问题。在牛顿第一定律的教学实践中，涉及“惯性”这一概念的物理学史：古希腊哲学家亚里士多德认为物体若要继续运动必须有力的维持；伽利略通过理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因；笛卡尔完善观点；牛顿在此基础上归纳总结出三条运动定律。

学生对于亚里士多德的“失败”观点嗤之以鼻，普遍认为他是荒谬可笑的，这源于学生在初中阶段已经学习、掌握了牛顿第一定律，且“上教版”物理八年级的课本用“错误”、“上教版”高中物理必修一用“提出质疑”对其进行概括。不难发现，在物理教学中往往对“失败”的物理学家、物理实验、思想方法进行简单描述，而对“正确”的内容深入学习。“失败”的背后蕴藏着物理学家敢于设想、勇于尝试的科学精神，学生的认识是“失败”的，教师的课堂设计也不算“成功”。

1.2 研究意义

在课堂教学中，教师更多关注物理观念的形成过程，为了避免学生的误解，刻意规避规律研究过程中的“失败”经验及理论，用40 分钟浓缩了几十年甚至千年的知识形成过程，致使学生产生了物理知识的形成是一蹴而就的观念，缺少了知识探索的过程，最终停留在浅层的学习中，成为了知识的被动接受者。

《普通高中物理课程标准（2017 年版2020年修订）》指出：“遵循高中生的认知规律及物理学科特点，设计循序渐进的必修与选择性必修课程内容。纳入物理学的基本学习内容，既关注全体学生的共同基础，又兼顾部分学生进一步学习的需求。”［1］教师在教学中立足于有效失败理论，基于高中物理学史中的“失败”案例，开展“有效失败”的教学，注重体现物理学科的本质，帮助学生走出物理学史中的“失败”误区，培养学生物理学科核心素养。

2 核心概念

2.1 有效失败理论

2008 年，心理学家马努·卡普尔（Manu Kapur）提出了“有效失败”的新概念。他把成功分为有效成功（productive success）和无效成功（unproductive success），失败分成有效失败（productive failure）和无效失败（unproductive failure）。学生在学习过程中表现出困难和挣扎，在短时间内学习结果是失败的，但从长远来看这种失败是有效的。学生通过知识迁移经历了动脑思考，失败后的反思、知识的整合、分析修正失败，获得了学习结果和行为的共同成功，即为有效失败［2］。将上述概念延伸后，物理学史中物理学家、哲学家基于生活情境和思考整理总结出的“错误”理论，也属于“有效失败”的理论范围。

2.2 物理学史

物理学史不仅要包含历史资料，还要包含科学家的科学方法、思想和态度［3］。物理学史不但可以激发学生的学习兴趣，还能够提升学生对科学本质的认识，进而树立正确的价值观，培养他们的创新精神和能力［4］。

在“上科版”高中物理必修一至必修三中存在大量进行“失败”实验或提出“失败”理论的物理学史案例，如情境重现中亚里士多德对于运动和力关系的归纳总结，托勒密的“地心说”，科拉顿有关电磁感应的实验等。

3 创新实践过程

3.1 课程资源的深度挖掘

设计初期，仔细研读三册必修教材，深度挖掘“有效失败”的物理学史教学资源，如物理学家的贡献，时代背景下提出假设的事实依据，研究过程中的思考与探索，实验的原始数据等，力求形式多样化（表1）。

表1 物理学史教学资源整理

续表1

教材中对于上述“失败”的实验过程仅用寥寥数语进行了描述，学生能初步了解在物理学探究过程中会经历失败，但对于“失败”中蕴含的价值却不甚了解。因此，在课程设计初期，对失败的过程充分延展，将失败分为“观察猜想失败”“实验操作失败”“实验结论失败”和“失败中经历成功”四个类型。

3.2 基于四个“失败”类型的教学实践探索

3.2.1 观察猜想失败

物理学源于自然哲学，如牛顿所著的《自然哲学的数学原理》，欧美现仍将物理博士学位称为哲学博士（Doctor of Philosophy），由此可见物理学与哲学的渊源。早期关于自然的认识都建立在“思辨”的基础上，即观察、猜想及归纳。这源于当时的时代背景，许多哲学家、思想家成为了物理学科的先行者，提出了许多有事实依据作为支撑的理论。回顾史料不难知晓，亚里士多德早在《物理学》中就提出了物理学的公设，并非是通过简单的生活例子，而是在严谨的理论逻辑之下得出的观点，他是能够做到自圆其说的［5］。

基于上述时代背景，提出“思辨”主题，以头脑风暴的形式展开辩论，如“亚里士多德的理论是否为不切实际”“亚里士多德的四元素说如何解释当时的生活现象”等，暂且摆脱物理结论源于实验基础的束缚，以讨论、辩论、解释的形式感受哲学家们的智慧。

3.2.2 实验操作失败

物理是一门实验科学，高中物理实验教学包含了演示实验、学生实验等类型，通过实际情境的猜想、实验的设计、数据处理与分析等得到物理规律。上述多种实验类型往往是给定学生实验器材，根据教学要求进行实验探究，借助信息化处理系统、计算器等就可以得到实验结论。因此，学生在学习过程中了解“实验操作失败”的物理学史部分时，往往会觉得他们运气不佳、错失良机等。如科拉顿在研究电磁感应现象的过程中，经历了一次“成功的失败”，实验装置设计得完全正确，如果不将电流计放到另一个房间，那么他将观测到电流计指针的偏转现象。物理学规律的发现有时候也伴随着运气的成分，因此在对科拉顿表示遗憾的同时，也要关注科拉顿对于实验的巧妙设计。

因此，我们将“实验操作失败”聚焦于“设计”二字，在课堂教学中掌握了电磁场的相关知识后，布置了实验设计作业，即如何自主搭建物理实验验证电磁场现象中某一条规律的准确性，可以是电流周围存在磁场、感应电流产生的条件、安培力等，该作业为小组合作形式，力求培养学生的创新能力。图1 为某小组设计的电磁感应秋千，能够持续摆动的原因之一就是通电导体在磁场中受到了力的作用。

图1 自制器材

学生在自行设计实验的过程中，切身体会到了从无到有的难度、知识应用的迁移度、小组成员的合作度、实验设计的创新度等，深刻地感悟到了物理学家对实验设计所付出的心血与巧思。

3.2.3 实验结论失败

物理学科亦是一门综合类学科，它包含了数据分析运算、相关结论的精练描述等。在研究过程中，虽然已经进行了正确的实验操作，但在数据分析上需要扎实的数学功底，在结论描述时需要使用准确的文字语言，否则将与结论失之交臂。我们认为，“实验结论失败”并非真正意义上的失败，而是“不够完美”。在情境重现中，对于运动和力的关系有多位物理学家进行了探索和总结，而牛顿最终提出了惯性定律。那么，牛顿第一定律究竟“美”在何处呢？

对于该类型我们的解决方案是“赏析”，它包括了英语原文的赏析与中文翻译的赏析。

物理语言有着精练简洁之美，中文翻译又体现了两种文字转化间的智慧。牛顿第一定律原文如下：A particle will stay at rest or continue at a constant velocity,unless acted upon by an external unbalanced force。请你尝试：①用自己的语言翻译它，并能否进行提炼；②用简短的文字概括牛顿第一定律；③你认为书本中的翻译是否简洁优美，请进行赏析。

3.2.4 失败中经历成功

必修三中提及：“经过了近十年的艰苦探索，1831 年，法拉第对此终于有所发现……这种由磁产生电的现象正式定名为电磁感应现象。”虽然法拉第最终取得了成功，但学生对于为何经历十年得到结论的周期仍存有疑问，不了解法拉第在这十年间付出的努力。查阅《法拉第》一书可以了解到，电与磁的关系是法拉第的心结，当电磁感应现象被发现时，法拉第甚至高兴到手舞足蹈，久久不能平息。从这些描写细节中其实不难发现，对于喜欢做科学研究的法拉第而言，科研的过程是快乐的，而不是枯燥无味的［6］。

我们期望通过重现部分实验过程的方式，实现管中窥豹，即“实验经典重现”经历大师之路。如，卡文迪许扭秤实验我们采用了原文呈现：

“卡文迪许发表在《伦敦皇家学会哲学学报》的论文对实验的原始描述：用一根细长的金属丝，悬挂一根1.8 m 长的木棍，木棍两端各有一个重为0.73 kg 的小铅球。两个重为158 kg 的大铅球分别放在小球附近约0.23 m 远。两球之间产生大约为1.4×10-7N 的引力”[7]。学生能否借助计算器（当时还需要手动运算）寻找这些物理量之间的定量关系？

在必修三教材中已回顾了部分当时物理学家的探究手稿，如库仑扭秤、密立根油滴实验。在上述基础上，我们尝试将所有相关数据进行呈现，力求还原研究过程，让学生知道即使物理学家最终取得了成功，也并不是偶然，而是多年心血不断探索的过程，同时也鼓励学生对于上述实验装置提出改进意见，实现深层次的思考。