物理新課程中現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)探源

胡俊華 馮 杰

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 234000)

現(xiàn)代技術(shù)是指當(dāng)今社會最高水平和發(fā)展方向的科學(xué)技術(shù)，20世紀(jì)人類科技飛速發(fā)展，形成以信息技術(shù)為前導(dǎo)，以新能源和新材料為兩翼的現(xiàn)代技術(shù)群.這3大技術(shù)群均來源于20世紀(jì)物理學(xué)的重大成就：相對論、量子力學(xué)和原子核物理.可以說，物理學(xué)推動了現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展.

在高中物理新課程中融入現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)體現(xiàn)了課程內(nèi)容的時代性，有助于用現(xiàn)代物理的思想引導(dǎo)學(xué)生重新審視物理概念及規(guī)律，使中學(xué)物理課程適應(yīng)現(xiàn)代物理學(xué)體系，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)未來需要的人才.

1 現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的內(nèi)涵界定

在基礎(chǔ)教育階段，現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)通常與“信息技術(shù)素養(yǎng)”“科學(xué)素養(yǎng)”等價，但從現(xiàn)代技術(shù)與信息技術(shù)、科學(xué)的定義來看，現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的概念應(yīng)該與信息技術(shù)素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)有所不同.美國國家教育進步評估協(xié)會將技術(shù)素養(yǎng)定義為“一個人運用、理解和評價技術(shù)的能力，包括理解制定解決方案和達成目標(biāo)所需的技術(shù)原理和策略”[1].盡管不同學(xué)者對技術(shù)素養(yǎng)的定義各不相同，但其內(nèi)涵的共同要素都包括對技術(shù)理解、評價等內(nèi)在認知和對技術(shù)運用等外在行為能力.在當(dāng)前基礎(chǔ)教育改革的背景下，我們將現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的構(gòu)成要素劃分為3個維度：一是現(xiàn)代技術(shù)知識,指對現(xiàn)代技術(shù)本質(zhì)的理解，認識現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展過程；二是現(xiàn)代技術(shù)運用,指應(yīng)對現(xiàn)代技術(shù)世界的能力，設(shè)計、應(yīng)用和評價現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品的能力，成為科技探索者等；三是現(xiàn)代技術(shù)情意,指認識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境(STSE)之間的相互作用，能夠正確評價現(xiàn)代技術(shù)對人類社會、環(huán)境的作用和影響，形成正確的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感.這3個維度的二級構(gòu)成要素及其具體內(nèi)容如表1所示.

表1 現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的構(gòu)成要素

現(xiàn)代社會越來越離不開現(xiàn)代技術(shù)，培養(yǎng)具有現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的公民應(yīng)該成為教育目標(biāo)的一部分.具有現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的公民，能夠緊跟時代技術(shù)發(fā)展的潮流，理解現(xiàn)代技術(shù)知識并運用它探索自然、解決真實世界的各種問題，知道現(xiàn)代技術(shù)是如何改變社會同時被社會所改變，合理且明智地評價現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品，并對其使用做出具有社會責(zé)任感的決策.我們過去的教育，重系統(tǒng)的學(xué)科知識傳授而輕技術(shù)教育，不符合現(xiàn)在高速發(fā)展的科技時代、經(jīng)濟時代對人才培養(yǎng)的需求.因此，在物理新課程中融入現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)，是物理教育所面臨的新課題，對發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義.

2 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)要求

從2003年到2017年這十幾年間，電子信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、新材料等科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，為技術(shù)進步提供了理論支撐.因此，在物理課程中應(yīng)當(dāng)融入現(xiàn)代技術(shù)以符合時代發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要.2013年教育部啟動物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂工作，于2017年頒布《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(修訂版)》，新的課程標(biāo)準(zhǔn)相較2003版更加突出在物理課程中融入現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面.

2.1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)突出現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)

2017版課程標(biāo)準(zhǔn)一大亮點就是提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，并作為核心內(nèi)容，物理新課程從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容到教學(xué)實施等都應(yīng)以發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，具有較高的學(xué)科核心素養(yǎng)已經(jīng)成為我國新一代公民的基本要求.在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，物理觀念這一要素特別強調(diào)應(yīng)用，因為，科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用是學(xué)生發(fā)展非常重要的核心素養(yǎng)；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任要素也明確提出了STSE教育，要求學(xué)生認識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境的相互作用.由此看出，現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)不可或缺的重要環(huán)節(jié)[2].

2.2 課程結(jié)構(gòu)更新現(xiàn)代技術(shù)

課程理念注重課程的時代性，關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需求，這里與2003版內(nèi)容相似僅闡述改變.但對應(yīng)的課程結(jié)構(gòu)與課程內(nèi)容則更新了較多現(xiàn)代技術(shù)新成果，體現(xiàn)出新課程的時代性，并強調(diào)發(fā)展學(xué)生現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng).

從課程結(jié)構(gòu)來看，2003版的高中物理課程結(jié)構(gòu)模塊劃分為必修和選修共12個模塊，選修模塊劃分為3個系列，其中選修2系列課程以物理學(xué)知識為載體，側(cè)重從技術(shù)應(yīng)用的角度展示物理學(xué)，強調(diào)物理與技術(shù)的結(jié)合，體現(xiàn)物理學(xué)的實用性和應(yīng)用性.但在實施過程中其課程的選擇性沒有得到落實，大部分高中生選擇選修3系列課程，很少有學(xué)生選擇選修2系列課程[3,4].而2017版課程標(biāo)準(zhǔn)將高中物理課程結(jié)構(gòu)劃分為必修、選擇性必修和選修共9個模塊，必修課程增加課程內(nèi)容的廣度，相較2003版刪除了較多難、繁、舊的技術(shù)應(yīng)用，但在選擇性必修中增加較多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識，并強調(diào)其在人類生活和社會發(fā)展中的作用，強調(diào)STSE教育.選修部分中選修2模塊為物理學(xué)與技術(shù)應(yīng)用，在物理學(xué)知識中融入的現(xiàn)代技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生視野，滿足時代要求，有利于學(xué)生終身發(fā)展.2017版課程標(biāo)準(zhǔn)更加突出課程的選擇性，更新技術(shù)應(yīng)用，體現(xiàn)時代性，將新課程中的物理知識與現(xiàn)代技術(shù)深度融合.

2.3 課程內(nèi)容突出現(xiàn)代技術(shù)知識

課程內(nèi)容方面，以2017年頒布《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(修訂版)》為研究對象，根據(jù)現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的構(gòu)成要素(表1)，對高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的課程內(nèi)容部分進行文本分析如表2所示，以了解物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中所體現(xiàn)的現(xiàn)代技術(shù).

橫向來看，在高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的3個要素：現(xiàn)代技術(shù)知識、現(xiàn)代技術(shù)運用和現(xiàn)代技術(shù)情意分別占比70.4%、13.4%、16.2%.因此，現(xiàn)代技術(shù)在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求中主要以現(xiàn)代技術(shù)知識的形式來呈現(xiàn)，其中本體性知識和原理性知識占比最大，分別為38.1%和28.2%,說明物理新課程更加關(guān)注學(xué)生對現(xiàn)代技術(shù)的本體及其背后所體現(xiàn)的物理原理的理解，要求在理解知識的基礎(chǔ)上，再對現(xiàn)代技術(shù)加以運用，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)價值觀.

縱向來看，課程標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)代技術(shù)的要求隨學(xué)生學(xué)習(xí)的深入逐漸增加,物理新課程對學(xué)生現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)層層遞進.由必修課程要求初步認識科學(xué)技術(shù)對社會的推動作用，體會其影響，認識STSE之間的關(guān)系，到選擇性必修課程要求能夠用物理知識解釋一些現(xiàn)代技術(shù)及常用設(shè)備等原理，知道科學(xué)技術(shù)帶來的積極與消極影響，具有正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，再到選修課程關(guān)注物理學(xué)前沿知識與技術(shù)，拓展學(xué)生視野.

表2 高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)要素分析表

3 高中物理課程中現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)內(nèi)容探討

以人教版普通高中《物理·必修1》為例，分析教材中所包含的現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)要素.

從表3可以看出，在人教版普通高中《物理·必修1》教材中，現(xiàn)代技術(shù)要素的呈現(xiàn)形式豐富多樣，主要分布在正文中的“做一做”欄目和科學(xué)專題中“科學(xué)漫步”欄目、“STS”欄目.

表3 人教版高中物理必修1中包含的現(xiàn)代技術(shù)要素及其教材呈現(xiàn)形式

其中，“做一做”欄目將物理學(xué)科知識與現(xiàn)代技術(shù)深度融合，要求學(xué)生能夠利用現(xiàn)代技術(shù)解決實際問題，從而體會到物理學(xué)推動技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)代技術(shù)帶給社會生活巨大的便利.并且，“做一做”欄目中所包含的現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的要素主要為現(xiàn)代技術(shù)運用，占比最大.也就是說，現(xiàn)代技術(shù)在生活、生產(chǎn)中的實際運用格外重要，教學(xué)中融入應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)更能加深學(xué)生對知識的理解.例如，在教學(xué)中，教師可以在學(xué)生學(xué)習(xí)過“用打點計時器測速度”的實驗后，向?qū)W生介紹利用傳感器測速度的方法，然后利用氣墊導(dǎo)軌、光電門和傳感器等器材進行DIS實驗，加深學(xué)生對瞬時速度本質(zhì)的理解，并比較兩種測速的方法，體會現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用價值.

“科學(xué)漫步”欄目主要包含了現(xiàn)代技術(shù)知識要素，這一欄目作為知識拓展，通過在教材中滲透與物理知識相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)知識，使物理知識可感知、易理解、更有趣，從而促進物理教學(xué).并且，現(xiàn)代技術(shù)知識能夠成為溝通科學(xué)與實際生活之間的橋梁，彌合抽象的物理概念與實際生活之間的距離.例如，教師可以通過介紹全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的原理，使參考系、坐標(biāo)系等抽象的物理概念富于生活化和趣味性.

“STS”欄目主要包含了現(xiàn)代技術(shù)情意要素，其欄目放在教材正文之后，目的在于在學(xué)生認識科學(xué)本質(zhì)后，更進一步地認識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境之間的相互關(guān)系，了解技術(shù)給社會帶來巨大便利的同時也存在著一些問題，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)觀和社會責(zé)任感，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

4 高中物理課程中現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)教學(xué)策略探討

4.1 深入挖掘教材中的現(xiàn)代技術(shù)知識

物理教材中的知識內(nèi)容非常廣泛，現(xiàn)代技術(shù)的知識也是從基礎(chǔ)知識中“生長”出來的，教師可以利用與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，尤其是一些社會熱點問題更能引起學(xué)生的興趣；其次，教師可以篩選與教材內(nèi)容相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)知識，并深入淺出地融入到課堂教學(xué)中.

以能源技術(shù)為例，具體探討在物理知識中融入現(xiàn)代技術(shù)，發(fā)展學(xué)生現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng).這一技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容包括能源的來源與設(shè)施，可以在學(xué)習(xí)原子核的知識后介紹現(xiàn)代能源技術(shù)之一——核能.

核能是20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的低碳、高能的一種新能源，它是原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的能量，其來源有兩種：重核裂變和輕核聚變.

核能從發(fā)現(xiàn)到工業(yè)應(yīng)用不過半個世紀(jì)的時間.1942年12月美國建起世界上第一座原子反應(yīng)堆.1944年費米提出了核燃料增值的方法以解決核燃料不足，依據(jù)這個方法，美國于1951年建成了世界上第一座快中子增殖反應(yīng)堆，它可以將自然界常見的鈾238和釷232分別轉(zhuǎn)變成自然界含量微乎其微的核燃料钚239和鈾233，通過快中子增殖反應(yīng)堆可以擴大核燃料資源.

我國目前核電的發(fā)展主力是壓水堆，其發(fā)展方向圍繞安全、長期和高效.快堆和第四代堆是核能領(lǐng)域下一步的發(fā)展方向，其中鈉冷快堆是我國以及世界核利用大國的主要發(fā)展方向.以上的反應(yīng)堆都是利用核裂變技術(shù)，解決能源問題的理想戰(zhàn)略能源是實現(xiàn)可控核聚變，但磁約束和慣性約束兩種途徑均處于探索階段，距離核聚變能源的應(yīng)用還需要進一步地研究[5].目前，核能源技術(shù)的應(yīng)用不僅限于核能發(fā)電，呈現(xiàn)多元化發(fā)展.我國于2017年自主研發(fā)了“燕龍”泳池式低溫供熱堆(圖1).未來，海上核動力平臺、空間核動力平臺等都為核能應(yīng)用的多元化打開了新的思路.

圖1 中國首創(chuàng)供暖核反應(yīng)堆——燕龍泳池式低溫供熱堆

4.2 關(guān)注科技前沿信息

教師關(guān)注國內(nèi)外科技前沿信息并融入課堂教學(xué)，能夠拓展學(xué)生科技視野，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注現(xiàn)代科技的意識，緊跟時代步伐.例如，在學(xué)習(xí)“粒子與宇宙”一節(jié)時，可以介紹圖2所示黑洞的探測歷史，也可介紹圖3所示的用于探測脈沖星的中國天眼——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)，以豐富課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生為實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興而努力奮斗的愛國熱情.

圖2 M87中心超大質(zhì)量黑洞

圖3 中國天眼

4.3 利用選修課或開發(fā)校本課程將物理學(xué)知識與現(xiàn)代技術(shù)知識深度融合

對于一些難度較大而學(xué)生卻感興趣的現(xiàn)代技術(shù)知識，教師無法在時間較少的課堂系統(tǒng)講授，可由學(xué)校開設(shè)現(xiàn)代技術(shù)專題選修課或校本課程，例如，物理學(xué)與醫(yī)療技術(shù)(圖4)、物理學(xué)與信息技術(shù)等.也可以邀請相關(guān)行業(yè)專家進校開展專題講座，豐富學(xué)生課余生活，拓展學(xué)生視野；其次，可以抓住高中物理課程與通用技術(shù)課程中高契合度的元素，創(chuàng)設(shè)綜合選修課程.

圖4 物理學(xué)與醫(yī)療技術(shù):核磁共振

4.4 開展有關(guān)現(xiàn)代技術(shù)的研究性實踐活動

研究性實踐活動圍繞一個學(xué)習(xí)項目，充分利用學(xué)習(xí)資源，在實踐中探索、創(chuàng)新，獲得完整的知識.開展課外研究性實踐活動，有利于發(fā)展學(xué)生現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的研究意識.例如，在學(xué)習(xí)原子和原子核專題時，可以給學(xué)生“核廢料處理”“核電廠選址”等課題，讓學(xué)生從原理、技術(shù)、社會、環(huán)境等幾個方面進行分組課外研究，并在課堂上進行匯報[6].

綜上，目前關(guān)于現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)的研究較少，在科技高速發(fā)展的時代背景下，這是物理新課程中亟待學(xué)者們開展理論研究和實踐論證的新課題.此外，如何在教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的現(xiàn)代技術(shù)素養(yǎng)，除本文所列舉的教學(xué)策略外，還有更多問題值得我們深入探討.