發(fā)揮物理學(xué)史功效培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)

鄭群淼

[摘要]物理學(xué)史教學(xué)過程中，若能從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，則能使物理學(xué)史知識的教學(xué)發(fā)揮無可替代的育人功效，讓學(xué)生領(lǐng)悟和理解物理思維方法，發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐探究能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

[關(guān)鍵詞]物理學(xué)史；育人功效；核心素養(yǎng)

[中圖分類號]G633.7[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]16746058（2018）05004302

整個(gè)世界文明的進(jìn)步，都來源于人類不斷發(fā)現(xiàn)問題與解決問題，來自人人都具有的創(chuàng)造潛能。時(shí)代在變遷，人類在發(fā)展，我們所積累的知識會越來越多，信息貯存越來越豐富。如何利用這些物理學(xué)史知識開展教學(xué)，讓學(xué)生領(lǐng)悟和理解物理思維方法，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任？本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行分析探討。

一、物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

學(xué)生核心素養(yǎng)，主要是指學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力。就物理學(xué)科來說，其核心素養(yǎng)包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。在這四個(gè)要素中，最基礎(chǔ)的核心素養(yǎng)是物理觀念，它代表對物理知識的內(nèi)化，是其他三個(gè)素養(yǎng)的基礎(chǔ)，科學(xué)思維與科學(xué)探究代表了學(xué)生的關(guān)鍵能力，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任顯現(xiàn)了每個(gè)人必備的品格。物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體內(nèi)涵可用下圖表示。

二、物理學(xué)史中的猜想與假設(shè)——科學(xué)探究的魅力

在物理學(xué)發(fā)展的每一個(gè)階段，猜想與假設(shè)讓很多物理學(xué)家走向成功。成功的科學(xué)家通過適當(dāng)?shù)牟孪肱c假設(shè)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)的物理定律，我們可從以下場景中領(lǐng)悟猜想與假設(shè)的魅力。

1.牛頓——發(fā)現(xiàn)萬有引力定律

情景1：天上的力與地上的力能和諧統(tǒng)一嗎？牛頓為了驗(yàn)證地球表面的物體受到的重力與地球吸引月球以及太陽吸引各大行星的力是同一性質(zhì)的力，遵循共同的規(guī)律，牛頓利用猜想與假設(shè)的方法，做了著名的“月地”檢驗(yàn)。他的基本思想方法是：假設(shè)地球上的物體所受重力和各大星體間的引力是同一性質(zhì)的力，都與它們之間的距離的平方成反比關(guān)系，那么月球繞地球做近似勻速圓周運(yùn)動的向心加速度就應(yīng)該是地面重力加速度的1/3600，因?yàn)樵滦牡降匦牡木嚯x是地球半徑的60倍。

猜想與假設(shè)的魅力：牛頓根據(jù)月球繞地球運(yùn)動的周期和運(yùn)行的軌道半徑，計(jì)算得到了月球圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動的向心加速度為：

a=4π2T2r=2.74×10-3m/s2

物體在地球表面的重力加速度為g=9.8m/s2，若把這個(gè)物體慢慢移到月球軌道所在的高度，h=60R（R為地球的半徑），這樣我們可算出其加速度值為：

a=1602g=2.72×10-3m/s2

從上面的分析可以看出，這兩個(gè)結(jié)果幾乎等同，在誤差允許的范圍內(nèi)這兩種方法求得的向心加速度相同，這樣牛頓就檢驗(yàn)了自己的猜想是正確的，也就是地球?qū)Φ孛嫔纤形矬w的引力與各星體間的引力，本質(zhì)上遵循同一規(guī)律，是同一種性質(zhì)的力，即引力的相互作用。

2.伽利略——自由落體運(yùn)動

情景2：如果我們沒有學(xué)過相關(guān)的物理知識，憑借日常生活經(jīng)驗(yàn)，肯定會說重的物體比輕的物體下落更快。例如，一金屬塊和一片樹葉同時(shí)從同一高度掉下來，一定是金屬塊先落地。因此，在16世紀(jì)以前，以亞里士多德為代表的學(xué)者一致認(rèn)為物體下落的快慢是由物體的重量決定的，物體越重下落越快。當(dāng)時(shí)亞里士多德是偉大的人物，在各方面都有突出的成就，人們信仰他、尊敬他，自然將他的觀點(diǎn)奉為經(jīng)典。其實(shí)，當(dāng)時(shí)也有不少人懷疑這個(gè)觀點(diǎn)，但由于教會利用他的結(jié)論，進(jìn)行神化處理，所以他們都沒有大膽地提出自己的觀點(diǎn)。到了文藝復(fù)興時(shí)期，伽利略通過邏輯推理的方法研究自由落體運(yùn)動，并將這個(gè)運(yùn)動規(guī)律正式發(fā)表。在這之后，伽利略也由于他的著作而受到教會的迫害，他的著作也被列為禁書。

猜想與假設(shè)的魅力：如果亞里士多德的觀點(diǎn)是正確的，那么用繩子把一塊重為20N的石頭和另一塊重為10N的石頭連在一起，由于總體重量為30N大于前兩者中的任一石頭的重量，按照亞里士多德的觀點(diǎn)，其下落速度應(yīng)大于前兩塊石頭單獨(dú)下落的速度；但是另一方面，用繩子連在一起的兩塊石頭畢竟仍是分開運(yùn)動的，大石頭20N運(yùn)動得快，小石頭10N運(yùn)動得慢，20N的大石頭必然會被10N的小石頭“拖后腿”，使它們總體的運(yùn)動速度小于大石頭單獨(dú)運(yùn)動的速度。用亞里士多德的觀點(diǎn)分析同一問題得到完全矛盾的兩個(gè)結(jié)論，說明亞里士多德的觀點(diǎn)本身就是錯(cuò)誤的。

3.伽利略——理想斜面實(shí)驗(yàn)

情景3：科學(xué)的方法與科學(xué)的思維是我們認(rèn)知世界奧秘的基本手段。在具體解決問題時(shí)，當(dāng)然需要相關(guān)的知識，但還要有科學(xué)的思維方法。伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)，是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)的邏輯推理，理想實(shí)驗(yàn)有時(shí)更能深刻地反映大自然的規(guī)律。如上圖所示，伽利略假設(shè)了一個(gè)理想斜面實(shí)驗(yàn)。

猜想與假設(shè)的魅力：下面是我們模擬伽利略與小球的一段對白，在這個(gè)對話場景中，我們可真正領(lǐng)悟到科學(xué)方法的重要性。

伽利略：小球先生你好，如果斜面沒有任何摩擦，你會慢慢爬上怎樣的高度呢？

小球：我非常自信，我會搭乘夢想的階梯一步一步努力向上爬，直到爬上原來的高度。

伽利略：如果我把右斜面的傾角減小，你是不是還想爬到原來的高度嗎？

小球：我有一顆執(zhí)著的心，夢想有多高，我就可以爬多高，只是我要走的路程更長了。

伽利略：如果我將右斜面的傾角繼續(xù)減小呢？你還想爬到原來的高度嗎？

小球：既定目標(biāo)，我心已定，只是又多了一段山高水長之美景。

伽利略：如果我把右斜面放成水平狀態(tài)，你還會為了自己的夢想而行進(jìn)嗎？

小球：路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。既然選擇了那個(gè)高度，我只能一直執(zhí)著向前，留給世界的便只能是孤獨(dú)的背影。

三、物理學(xué)史的靈魂——辯證的科學(xué)思維

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段論認(rèn)為，中學(xué)生隨著年齡增長，抽象思維逐漸占主導(dǎo)地位。學(xué)生的物理學(xué)習(xí)過程就是將生活中的感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識，再從理性到解決實(shí)際生活中的具體問題，而這其中主要就是靠思維。學(xué)生的智力發(fā)展主要就是體現(xiàn)在思維的發(fā)展上。良好的思維可以為學(xué)好物理打下基礎(chǔ)，而通過物理學(xué)習(xí)更能促進(jìn)其思維的變化和發(fā)展。物理思維能力包括抽象能力、概括能力、判斷推理能力和綜合分析能力等。

例如，《伽利略對自由落體運(yùn)動的研究》一課中，伽利略是利用怎樣的思維推翻了亞里士多德的觀點(diǎn)呢？他假設(shè)有輕、重兩個(gè)小球，若重球下落比輕球快，那么將兩球捆綁成一體，輕球會影響重球下落，所以下落快慢就介于兩者之間；另一方面，由于兩球捆綁在一起后，重量大于任何一球，就可以得出下落的速度大于兩球單獨(dú)下落時(shí)的速度，進(jìn)而得出兩個(gè)相互矛盾的結(jié)論，這樣看亞里士多德的觀點(diǎn)不就不成立了嗎？這一思維推理之美怎不叫人拍案叫絕？

大家知道，在1820年奧斯特那小磁針的偉大轉(zhuǎn)動說明利用電流可以得到磁場，人們自然會提出問題：能否利用磁場產(chǎn)生電流呢？這就是一個(gè)電生磁、磁生電的辯證思維。奧斯特實(shí)驗(yàn)指出：如果恒定的電流通過金屬導(dǎo)體，那么在金屬導(dǎo)體周圍就會產(chǎn)生恒定的磁場；相反的實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是利用恒定的磁場能夠得到恒定的電流，也就是在磁鐵的旁邊放一個(gè)線圈就能夠在線圈中產(chǎn)生電流。然而這并不是真正相反的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樯鲜龅耐普摮霈F(xiàn)了邏輯錯(cuò)誤。這正是延誤電磁感應(yīng)發(fā)現(xiàn)的主要因素。后來法拉第從靜止的思想突破到了變化的思想，有了“動態(tài)”觀，在動態(tài)變化的過程中，才發(fā)現(xiàn)運(yùn)動的磁鐵能產(chǎn)生變化的磁場，才能生電。這種邏輯思想的突破在科學(xué)規(guī)律研究中堪稱一絕。由此可以讓學(xué)生領(lǐng)略思維才是學(xué)習(xí)的中心，提升思維能力也是學(xué)習(xí)的目的。

四、物理學(xué)史中的情感體驗(yàn)——科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

我們?yōu)槭裁唇涛锢恚康降自趺唇涛锢?？不斷的教學(xué)改革讓教學(xué)形式發(fā)生了各種變化，但其目的無非是想全面回歸教育本質(zhì)。從知識本位到以人為本，從物理教學(xué)到物理教育，從雙基到三維目標(biāo)再到核心素養(yǎng)，既有融合更有超越。而作為核心素養(yǎng)主要構(gòu)成的關(guān)鍵能力和必備品格，實(shí)際上就是三維目標(biāo)的提煉和整合。因此在有限的課堂時(shí)間內(nèi)，教師應(yīng)該給予學(xué)生對科學(xué)無限的崇尚和堅(jiān)定的研究意志。

比如《行星的運(yùn)動》的教學(xué)中，如果教師只關(guān)注規(guī)律本身，學(xué)生定會覺得枯燥無味，而這章內(nèi)容在“學(xué)考中”所占比例不大，所以教師和學(xué)生都很容易忽略其重要性。而本人認(rèn)為本章的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該立足于科學(xué)精神的培養(yǎng)，提供給學(xué)生大量的科學(xué)史料，讓學(xué)生了解科學(xué)探究的過程，獲得探究的樂趣，從中感悟科學(xué)家求真求簡的研究思路和獻(xiàn)身科學(xué)的精神。在教學(xué)實(shí)踐中，我設(shè)計(jì)了一個(gè)辯論活動：正方“仰望星空時(shí)我們思考和追問天體是怎么運(yùn)動的，這是我們必須做的對真理的追求”，反方“天體運(yùn)動，不管是誰繞誰轉(zhuǎn)，都不影響我們的吃穿住行，所以不必深究?！闭捶蕉际菓{學(xué)生最原始的態(tài)度組隊(duì)的，但在正反方的激烈辯論下，戲劇化的結(jié)果出現(xiàn)了，反方陸陸續(xù)續(xù)都站到了正方隊(duì)伍當(dāng)中來。這種內(nèi)心情感和態(tài)度的轉(zhuǎn)變不就是學(xué)生認(rèn)知的提升嗎？學(xué)生不僅了解了“地心說”和“日心說”的發(fā)展，而且充分挖掘了物理學(xué)史背后隱含著的科學(xué)家的“較真”。

教師應(yīng)該認(rèn)識到物理學(xué)史的重要意義，通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在感知生活、學(xué)習(xí)物理學(xué)史的過程中，感知規(guī)律發(fā)現(xiàn)的原生態(tài)過程，體驗(yàn)科學(xué)家的人格魅力，領(lǐng)悟其中的科學(xué)方法與科學(xué)精神。

（責(zé)任編輯易志毅）