基于教科書物理學(xué)史素材發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)策略研究

張 健 王 華 李春密

（1.北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)，北京 100088；2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875）

1 問題的提出

科學(xué)史學(xué)家薩頓指出，科學(xué)史是自然科學(xué)與人文科學(xué)之間的橋梁，它能夠幫助學(xué)生獲得自然科學(xué)的整體形象、人性的形象，從而全面地理解科學(xué)、理解科學(xué)與人文的關(guān)系.物理學(xué)史是科學(xué)史的重要組成部分.它不僅系統(tǒng)地闡述了物理學(xué)的發(fā)展的歷程，還向人們展示了物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律過程中所進(jìn)行的思維活動、所運用的科學(xué)方法以及他們所具有的科學(xué)精神、所表現(xiàn)的科學(xué)道德.因此，將物理學(xué)史融入物理教學(xué)中可以幫助學(xué)生掌握和理解物理學(xué)知識，使學(xué)生認(rèn)識到物理學(xué)知識的動態(tài)性、相對性和暫定性，了解物理學(xué)基本觀念的變革.物理學(xué)史融入教學(xué)也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的有效途徑.它可以發(fā)展學(xué)生的獨立思考能力和質(zhì)疑精神；可以培養(yǎng)學(xué)生的想象力和判斷力；可以發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力，進(jìn)行科學(xué)方法的訓(xùn)練；可以發(fā)展學(xué)生對科學(xué)美的鑒賞能力.［1］物理學(xué)史以其特有的精神價值，在學(xué)生的思想品德教育中，也可以發(fā)揮重要的作用，使學(xué)生形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和正確的價值觀，為做有社會責(zé)任感的公民奠定基礎(chǔ).

隨著基礎(chǔ)教育課程與教學(xué)改革的深入，物理教育界更加重視對物理學(xué)史教育功能與價值的研究，物理學(xué)史正在從教育的邊緣走向中心.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中很多內(nèi)容要求條目均與物理學(xué)史相關(guān)，如“結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)識物理實驗與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用”、“通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程.”等.［2］但反觀現(xiàn)實的物理教學(xué)，有些教師沒有意識到物理學(xué)史對于培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要作用；有些教師在積極探索物理學(xué)史與教學(xué)的融合之道，但在教學(xué)實踐中缺乏行之有效的教學(xué)策略.因此對必修教科書的物理學(xué)史素材進(jìn)行整理、挖掘這些素材的教育教學(xué)價值，構(gòu)建基于學(xué)史的教學(xué)策略，促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的落實與發(fā)展是十分有必要的.

2 必修教科書中的物理學(xué)史素材及功能

2.1 物理學(xué)史素材

縱觀人教版高中物理教科書，其中包含著豐富的物理學(xué)史素材，若能充分挖掘其教育價值并融入物理課堂教學(xué)中，對于促進(jìn)學(xué)生物理素養(yǎng)的發(fā)展大有裨益.筆者將高中物理必修教科書中的物理學(xué)史內(nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，詳見表1.

表1 新課程標(biāo)準(zhǔn)框架下物理必修教科書中物理學(xué)史素材

續(xù)表

2.2 物理學(xué)史素材的功能

2.2.1 突出物理知識的形成與發(fā)展

事實表明，物理學(xué)的歷史不僅是一部一連串的實驗、觀測和數(shù)學(xué)描述的歷史，而且也是一部基本概念的演化史.每當(dāng)物理學(xué)開辟一個新的研究領(lǐng)域時，總會出現(xiàn)一個新的科學(xué)概念的體系，可見物理學(xué)知識體系的發(fā)展與演化反映了人類對自然界的探索愈加深入.

“物體運動的原因是什么？”是一個古老的話題，探尋其中道理的過程是動力學(xué)的發(fā)展過程，也是運動與相互作用觀念不斷革新的過程.最早回答這個問題的是公元前4世紀(jì)的亞里士多德，他從直覺出發(fā)認(rèn)為物體的運動需要力來維持，這一觀點延續(xù)了2000多年.直到伽利略基于觀察后提出“是摩擦使水平面上運動的小球停了下來，如果沒有摩擦，球?qū)⒂肋h(yuǎn)運動下去”；并通過“對接斜面”這一理想實驗說明了力不是維持物體運動的原因.伽利略對亞里士多德觀點的批判就是運動與相互作用觀念的革新，法國笛卡爾又對伽利略的觀點進(jìn)行完善和補(bǔ)充，他指出“如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將保持勻速直線運動”.直到牛頓將物體間復(fù)雜多樣的相互作用抽象為“力”，才用科學(xué)的概念澄清了力與運動的關(guān)系，提出了動力學(xué)的一條基本規(guī)律——牛頓第一定律.

把物理觀念與規(guī)律放入歷史發(fā)展的長河中去看待，可以使學(xué)生感悟到知識的發(fā)展歷程，認(rèn)識到科學(xué)知識的發(fā)展性與暫定性，深化對科學(xué)本質(zhì)的理解.

2.2.2 突出科學(xué)思維與科學(xué)方法

物理學(xué)不僅以其概念、規(guī)律揭示了自然界基本運動的諸多真理，它還在建立這種知識體系的過程中發(fā)展了科學(xué)思維和研究方法，推動了科學(xué)的進(jìn)步.從古代不充分地觀察和簡單的直覺推理，到近代邏輯推理與物理實驗互相促進(jìn)的研究范式，物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程也是方法論進(jìn)步的過程.從宏觀現(xiàn)象到微觀機(jī)理、從低速運動到到高速運動，涉及的研究對象越來越遠(yuǎn)離人們的感性經(jīng)驗，所以創(chuàng)造性思維的作用也越來越突出，科學(xué)想象、理想實驗、抽象思維、大膽創(chuàng)造等對近代物理學(xué)的發(fā)展功不可沒.

新教材特別注重科學(xué)思維和方法的滲透，開設(shè)了“科學(xué)方法”專欄介紹物理學(xué)中常用的、重要的科學(xué)思想和方法.在“自由落體運動”一節(jié)首先提出了伽利略對亞里士多德落體理論的質(zhì)疑，并在“科學(xué)漫步”中詳細(xì)地介紹了伽利略研究自由落體運動的方法.教材在介紹自由落體運動規(guī)律的同時，適當(dāng)?shù)?、有選擇地介紹這個重要研究的歷史過程，說明背景、怎樣提出問題、遇到什么困難、如何獲得突破、曾經(jīng)有過什么曲折和爭論等，使學(xué)生能夠領(lǐng)悟到前輩大師的科學(xué)精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒.

物理學(xué)家勞厄（M.vonLaue）曾說：“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力.教育無非是一切已學(xué)過的東西都遺忘掉的時候，所剩下來的東西.”因此在物理學(xué)習(xí)中，不僅要幫助學(xué)生掌握具體的知識，而且要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和體會物理思想和方法，并努力運用它們解決各種實際問題.

2.2.3 彰顯科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度

物理學(xué)的發(fā)展和成就與它所蘊含的科學(xué)精神密不可分.首先是學(xué)以致知的探索精神.有的科學(xué)研究成果在當(dāng)時無法直接轉(zhuǎn)化為技術(shù)，服務(wù)于實際，被視為“無用之學(xué)”，如牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律、法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律等，但這狹隘的認(rèn)識沒有阻礙科學(xué)家們以求知為目的的探索，使人們獲得了對自然規(guī)律完整深入的認(rèn)識.其次是實事求是的客觀精神.物理學(xué)的目的是求真，客觀事實是判斷對錯的標(biāo)準(zhǔn)，對就是對，錯就是錯.猜想和論斷必須能經(jīng)受得住實驗的檢驗和邏輯的推敲.再有就是理性分析的精神.物理學(xué)強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)計算和邏輯分析，環(huán)環(huán)相扣，因果關(guān)系合理，詭辯之術(shù)在科學(xué)面前無立足之地.［3］

科學(xué)家在科學(xué)研究中所體現(xiàn)出的科學(xué)態(tài)度是學(xué)生形成正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的重要來源.例如，新教材中“從伽利略的一生看科學(xué)與社會”、“法拉第與電氣化時代”介紹了伽利略、法拉第等在科學(xué)研究中所體現(xiàn)出的科學(xué)精神與態(tài)度.在談到萬有引力定律各科學(xué)家的貢獻(xiàn)時特意說明：“哥白尼、第谷、開普勒這些科學(xué)家不畏艱辛、幾十年如一日刻苦鉆研的精神是成功的基石，值得我們學(xué)習(xí).”在電磁感應(yīng)相應(yīng)內(nèi)容處加旁批：“法拉第對科學(xué)的熱愛以及對科學(xué)研究持之以恒、堅韌不拔的態(tài)度是他獲得巨大成就的重要原因之一.”這樣深入挖掘物理學(xué)史的教育價值并將其外顯化是實現(xiàn)物理教育學(xué)科育人的重要途徑.

科學(xué)精神不僅對科學(xué)研究很重要，而且在社會生產(chǎn)、日常生活的各個方面都是有價值的.我們在工作和生活中要做到實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真并且講求邏輯，敬畏和尊重客觀規(guī)律，才能提高效率、減少失誤；秉持這種精神，在我們遇到困難的時候，也能面對現(xiàn)實認(rèn)真分析、理性研判并做出選擇，不盲從、不走極端.

2.2.4 展現(xiàn)物理學(xué)的應(yīng)用價值

物理學(xué)的發(fā)展推動了工業(yè)、農(nóng)業(yè)和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等方面的進(jìn)步，引發(fā)了一次次的產(chǎn)業(yè)革命，改變了人類的生產(chǎn)和生活方式.這是物理學(xué)對人類做出的突出貢獻(xiàn)，凸顯出物理學(xué)的應(yīng)用價值和社會價值.

創(chuàng)建于17世紀(jì)的牛頓力學(xué)被廣泛地應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展；18-19世紀(jì)對蒸汽機(jī)的改進(jìn)又迫使人們對熱的問題深入研究，引發(fā)了熱力學(xué)的巨大進(jìn)步.19-20世紀(jì)初，電磁學(xué)的發(fā)展直接導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)和無線電通訊的產(chǎn)生，電能被廣泛利用，人類由此進(jìn)入了電氣化時代.進(jìn)入20世紀(jì)后，物理學(xué)的研究領(lǐng)域更加廣闊，研究方向趨于精細(xì)化.核能的利用、半導(dǎo)體工作的興起、原子鐘和光纖通信技術(shù)的誕生等無不改變著我們整個世界.可以說，今天世界面貌與物理學(xué)的巨大進(jìn)步密不可分，科學(xué)、技術(shù)、社會發(fā)展是相互聯(lián)系、互相促進(jìn)的.

需要指出：既要使學(xué)生了解到科學(xué)、技術(shù)對社會的積極作用，還要使學(xué)生了解到若不能很好地利用科學(xué)、技術(shù)，將會對社會產(chǎn)生不利影響.這有利于培養(yǎng)學(xué)生用聯(lián)系、發(fā)展、辯證的觀點看待問題，增強(qiáng)社會責(zé)任感.

2.2.5 增強(qiáng)文化自信與民族自豪感

我國科技的發(fā)展，無論是過去還是現(xiàn)在都對人類文明作出了自己的貢獻(xiàn).我國古人在運動的相對性、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁現(xiàn)象的認(rèn)識和應(yīng)用中，有很多領(lǐng)先世界的發(fā)現(xiàn)和記載.直到明、清以前，我國的科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域都居于世界的領(lǐng)先地位.盡管中國古代還沒有產(chǎn)生建立在嚴(yán)密的科學(xué)實驗和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)上的系統(tǒng)的物理學(xué).［4］但確實積累了相當(dāng)豐富的物理學(xué)知識，做出過相當(dāng)精彩的物理實驗，提出過揭示世界本原和解釋物理現(xiàn)象的種種學(xué)說.從人類科學(xué)認(rèn)識的整體發(fā)展來看，中國古代這些杰出的成就，同樣應(yīng)該看作是近現(xiàn)代物理學(xué)的先導(dǎo)與淵源.我們應(yīng)該為中國的古代文明感到自豪.

20世紀(jì)以來，我國科學(xué)家?guī)缀踉诮锢戆l(fā)展的各個階段都留下了自己的足跡.新版教科書有意識地反映了我國科技成果和我國科學(xué)家的事跡.在“科學(xué)漫步——全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”中增加了我國的“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容；在必修第3冊介紹了我國射電望遠(yuǎn)鏡“天眼”的相關(guān)內(nèi)容，同時專門介紹了科學(xué)家南仁東勇于克服困難、獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)的事跡；增加了我國科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域所做研究的介紹，并增配了科學(xué)家的照片，如在序言中，介紹了楊振寧、李政道、丁肇中3位華裔科學(xué)家，在其他部分介紹了錢學(xué)森、趙忠賢、吳健雄等科學(xué)家.

通過這樣的史料介紹，可以使學(xué)生真切地感受到科技的發(fā)展就在身邊，同時也會增強(qiáng)民族自豪感，有利于學(xué)生樹立獻(xiàn)身我國科學(xué)事業(yè)的情懷.

3 基于物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的策略

3.1 運用物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

創(chuàng)設(shè)問題情境的功能不僅是引發(fā)學(xué)生的好奇心，還應(yīng)該有助于學(xué)生從情境中提出問題，并就此展開思維.因此，為引入新課而創(chuàng)設(shè)的情境要簡潔明了，學(xué)生能根據(jù)情境提出可探究的問題或者情境能成為思維的起點；盡可能是憑借物理學(xué)的內(nèi)容激發(fā)著學(xué)生進(jìn)一步展開探索的興趣，而不是依靠有震撼力的視聽效果引起短暫的好奇心.

案例1：“宇宙航行”.

情境設(shè)置.在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星（圖1）.你知道這個速度究竟有多大嗎？

圖1

問題引導(dǎo).

問題1：按牛頓設(shè)想，在忽略阻力的情況下，以越來越大的水平速度拋出物體，物體還做平拋運動嗎？

問題2：物體如果不落地，它將怎樣運動？

問題3：物體繞地球做圓周運動的向心力由什么力提供？是否需要考慮太陽對它的引力？

問題4：你能否計算出物體繞行的速度？

問題5：地球表面有大氣層，為什么月球表面沒有大氣層呢？［5］

案例分析.以多大的速度才能發(fā)射人造地球衛(wèi)星？這個話題最早是牛頓的設(shè)想.在教學(xué)中以牛頓的高山大炮設(shè)想為問題情境，一方面非常符合學(xué)生的生活經(jīng)驗，能夠引發(fā)學(xué)生的共鳴，使其積極思考；另一方面引導(dǎo)學(xué)生建立模型，進(jìn)行推理得出結(jié)論.

3.2 還原實驗設(shè)計為載體，開展探究教學(xué)

回顧科學(xué)史，科學(xué)發(fā)展中的難題正是學(xué)生個體學(xué)習(xí)的難點；學(xué)生“頭腦風(fēng)暴”碰撞出的想法、探究過程中運用的思維和方法正是科學(xué)史上關(guān)鍵性的突破和物理學(xué)大師們的思想精華.將歷史上的重要物理實驗重演，啟發(fā)學(xué)生思考，可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提升.

案例2：“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用”教學(xué)片斷.［6］

師：在1831年8月29日，法拉第終于觀察到了感應(yīng)電流（實驗如圖2所示）.

圖2

生：在通電和斷電的瞬間，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電流穩(wěn)定時指針不動…

師：就剛才的實驗現(xiàn)象，你想提出什么樣的問題？

生：是不是鐵芯起了作用？將鐵芯換成其他材料會不會有電流產(chǎn)生？

師：有道理，鼓勵！總結(jié)：問題1：鐵芯是必需的嗎？

還有其他不同的看法嗎？

生：為什么現(xiàn)象會發(fā)生在瞬間，而不是穩(wěn)定后？

師：很好！問題2：為什么現(xiàn)象發(fā)生在瞬間？

生：不能排除由電生電的可能性，即不一定是磁生電.

師：很棒！問題3：是否一定與磁有關(guān)？3個問題我們逐一討論.

案例分析.先演示法拉第的電磁感應(yīng)實驗，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，然后提出問題，并進(jìn)行實驗研究.設(shè)計優(yōu)點是針對真實問題展開教學(xué)，給學(xué)生觀察、思考、提問的機(jī)會，生成了3個學(xué)生感到疑惑的問題.在學(xué)生的探究中，將法拉第的思考與結(jié)論穿插進(jìn)來，啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生思維的縝密性.

3.3 整合物理學(xué)史形成脈絡(luò)，開展教學(xué)

在教學(xué)中，教師可以先梳理物理知識形成與發(fā)展的脈絡(luò)再將相應(yīng)的物理學(xué)史素材呈現(xiàn)給學(xué)生，通過問題引領(lǐng)啟發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生經(jīng)歷問題的提出、模型的建構(gòu)、證據(jù)的獲得、思維的創(chuàng)新，進(jìn)而建構(gòu)物理知識體系.

20世紀(jì)90年代，英國科學(xué)教育家孟克（MartinMonk）與奧斯本（JonathanOsborne）提出了將HPS教育融入科學(xué)課程的“孟克——奧斯本教學(xué)模式”.該模式將教學(xué)過程分為6個階段，即演示→引出觀念→學(xué)習(xí)歷史→設(shè)計實驗→科學(xué)觀念與驗證性檢驗→評論和評估.基于HPS教育模式整合物理學(xué)史素材，讓學(xué)生了解概念的形成過程、規(guī)律的建立過程，以提升學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力.［7］

案例3：“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計流程（圖3）.［7］

圖3

案例分析.歷史的回顧找到思想的起源，猜想變理想實驗感悟其中的研究方法，舉例說明、設(shè)計實驗、理解定律內(nèi)容等教學(xué)目標(biāo)的完成，很有水到渠成、瓜熟蒂落之感.學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，自始至終處于思考、研究的狀態(tài)，追尋物理學(xué)家的足跡感受科學(xué)研究的魅力，領(lǐng)悟科學(xué)思想方法的精髓.

3.4 開展以物理學(xué)史為核心的活動，拓展學(xué)習(xí)時空

心理學(xué)家布魯諾說：“知識的獲得是一個主動的過程，學(xué)習(xí)者不應(yīng)該是信息的被動接受者，而應(yīng)該是知識獲得過程的參與者”.學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，只有積極參與教學(xué)、主動思考才能促進(jìn)有意義的學(xué)習(xí).比如可以組織對物理學(xué)史某一內(nèi)容感興趣的學(xué)生去查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集、整理、分析、歸納相關(guān)材料，最后以小組匯報或者板報的形式向同學(xué)們介紹.比如在《行星的運動》教學(xué)前，可以布置任務(wù)：請同學(xué)們搜集和整理關(guān)于天體運動的不同觀點和代表任務(wù)，在課堂上與大家分享.

以物理學(xué)經(jīng)典著作為劇本，讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演參與課堂教學(xué)，學(xué)生積極性高，課堂氛圍熱烈而活躍.如在講解相對性原理時，可以請學(xué)生扮演伽利略的《關(guān)于兩大世界體系的對話》中的薩爾維阿蒂，請他精彩地描述在一個勻速直線運動的船艙中發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象；在講解伽利略反駁亞里士多德關(guān)于落體的學(xué)說時，可以使學(xué)生復(fù)現(xiàn)《兩門新科學(xué)的對話》中3位學(xué)者的對話，體會思想實驗的魅力.

教師也可以將物理學(xué)史素材整理成文本資料作為選學(xué)內(nèi)容提供給學(xué)生閱讀，介紹物理學(xué)史的重要史實或概念、規(guī)律的發(fā)展過程，引發(fā)學(xué)生自己主動學(xué)習(xí)，開闊視野，提升閱讀理解能力與信息獲取能力.如《物理學(xué)上關(guān)于兩種“運動量”量度的爭論》、《牛頓是如何提出萬有引力定律的？》、《我國古代力學(xué)研究的成就》、《“質(zhì)量”概念的前世今生》、《庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程》等等.［8］

4 結(jié)語

人教版高中物理必修教科書提供了豐富的物理學(xué)史素材.教師在教學(xué)中可以充分挖掘這些素材蘊含的教育價值，根據(jù)其教學(xué)功能的不同選擇多樣化的教學(xué)策略，將物理學(xué)史有機(jī)地融入物理課堂教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展.