基于結(jié)合物理學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的探討

呂星 李子婧 彭盈

摘要：本文以“牛頓第一定律”的建立過程為例，論述在中學(xué)物理教學(xué)中如何結(jié)合物理學(xué)史，來培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，從而促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

關(guān)鍵字：物理學(xué)史?核心素養(yǎng)?牛頓第一定律

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育的過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力，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”四個(gè)方面.在物理課堂教學(xué)中合理結(jié)合物理學(xué)史，有助于激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的物理觀念形成，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度.本文以“牛頓第一定律”的建立過程為例，闡述在物理課堂教學(xué)中如何有效結(jié)合物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

一、“牛頓第一定律”的建立過程

公元前4世紀(jì)，希臘哲學(xué)家亞里士多德根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)斷言：物體只有在一個(gè)不斷作用者的直接接觸下，才能保持運(yùn)動(dòng)，一旦推動(dòng)者停止作用，或兩者脫離接觸，物體就會(huì)停止下來.從而得出力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，有力就有運(yùn)動(dòng)，沒有力就沒有運(yùn)動(dòng).亞里士多德的這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)，將近兩千年來一直統(tǒng)治著人們的頭腦，直到伽利略時(shí)代為止.

17世紀(jì)，意大利物理學(xué)家伽利略通過觀察注意到，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度增大，而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度減小.他由此猜想：當(dāng)球沿水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度應(yīng)該不增不減.但實(shí)際情況卻是，即使沿水平面運(yùn)動(dòng)，球也越來越慢，最后停了下來.伽利略認(rèn)為，這是摩擦阻力作用的結(jié)果，因?yàn)樗瑯舆€觀察到，表面越光滑，球便會(huì)運(yùn)動(dòng)得越遠(yuǎn).于是，他推斷：若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.伽利略為了證明他的猜想，設(shè)計(jì)了著名的“理想斜面實(shí)驗(yàn)”：讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始向下運(yùn)動(dòng)，小球?qū)_上另一個(gè)斜面，如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?減小第二個(gè)斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍將達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要運(yùn)動(dòng)得遠(yuǎn)些;繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，球達(dá)到同一高度時(shí)就會(huì)離得更遠(yuǎn).于是他對(duì)斜面平放時(shí)的情況進(jìn)行研究，結(jié)論顯然是球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去.也就是說，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.當(dāng)然，我們不能消除一切阻力，也不能把第二個(gè)斜面做得無限長(zhǎng).所以伽利略的實(shí)驗(yàn)是個(gè)理想實(shí)驗(yàn).伽利略得到的結(jié)論，打破了亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的錯(cuò)誤觀點(diǎn).

1644年，法國(guó)著名物理學(xué)家笛卡兒在他的《哲學(xué)原理》一書中彌補(bǔ)了伽利略的不足.他明確地指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且還特地聲明，慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而只保持在直線上運(yùn)動(dòng).

1687年，牛頓在伽利略、笛卡兒等人的工作基礎(chǔ)上，又通過自己大量的觀察和實(shí)驗(yàn)，撰寫了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，完全擺脫了舊觀念的束縛，把牛頓第一定律作為第一原理正式提了出來：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

二、結(jié)合物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)

將“牛頓第一定律”的建立過程引入物理教學(xué)中，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

1.物理觀念方面

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能力等的基本知識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素.

在學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”這一節(jié)課時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生憑借自己的生活經(jīng)驗(yàn)仍然認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而讓學(xué)生改變這一前科學(xué)概念非常困難.為了使學(xué)生能真正理解和掌握這一定律，教師可以結(jié)合伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生頭腦中引發(fā)認(rèn)知沖突，破除頭腦中的前科學(xué)概念，從而使學(xué)生深刻理解“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”，進(jìn)而形成正確的物理觀念.

2.科學(xué)思維方面

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.

在“牛頓第一定律”教學(xué)中，教師可以演示伽利略的“理想斜面實(shí)驗(yàn)”，通過展示伽利略做實(shí)驗(yàn)時(shí)忽略摩擦，使得實(shí)驗(yàn)理想化，以及運(yùn)用實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理相結(jié)合的方法得出結(jié)論的過程，使學(xué)生真正領(lǐng)悟和掌握這種抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，以及理想實(shí)驗(yàn)法的科學(xué)思維方法.

3.科學(xué)探究方面

科學(xué)探究是指具有科學(xué)探究的意識(shí)，能在真實(shí)情景中提出物理問題，形成猜測(cè)和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取信息和處理信息，形成結(jié)論，以及對(duì)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.科學(xué)探究包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.

在教學(xué)過程中，教師可以結(jié)合“理想斜面實(shí)驗(yàn)”來完整地呈現(xiàn)科學(xué)探究的過程：①提出問題：運(yùn)動(dòng)需要力來維持嗎？②猜想假設(shè)：運(yùn)動(dòng)不需要力來維持.③設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需材料（球、斜面）.④收集數(shù)據(jù)：記錄小球在不同的斜面上上升的高度.⑤總結(jié)規(guī)律：分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論.⑥交流反思：發(fā)表論文并與他人交流.教師可以利用這個(gè)科學(xué)探究的一般步驟，讓學(xué)生分小組進(jìn)行一個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)：讓小車從同一個(gè)斜面頂端滑下，分別滑到鋪有毛巾、紙板、玻璃板的水平面上，觀察小車滑行的距離，得出跟伽利略同樣的結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐步形成的探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理等要素.

教師可以結(jié)合物理學(xué)史，介紹伽利略運(yùn)用實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理相結(jié)合的方法推翻了亞里士多德維持了將近兩千年的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，讓學(xué)生樹立不迷信權(quán)威、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀.

綜上所述，中學(xué)物理教學(xué)中物理學(xué)史的應(yīng)用是十分有必要的.物理教師要結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生實(shí)際情況將物理學(xué)史與課堂教學(xué)有效結(jié)合，從而幫助學(xué)生建構(gòu)正確的物理觀念，領(lǐng)悟科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)科學(xué)的探究能力，并樹立正確的世界觀.

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