物理學(xué)科核心素養(yǎng)視角下的中國(guó)物理學(xué)史教學(xué)策略探究

段宜君 劉碧蕊

(寧夏師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 寧夏 固原 756099)

2021年2月，教育部為深入貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國(guó)教育大會(huì)精神，全面貫徹黨的教育方針，制定了《中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化進(jìn)中小學(xué)課程教材指南》，以指導(dǎo)中小學(xué)課程教材系統(tǒng)、全面落實(shí)中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育[1].該指南指出我國(guó)古人在認(rèn)識(shí)物質(zhì)和科技制作等方面的成果對(duì)中華民族乃至整個(gè)人類的科技文明都具有重大貢獻(xiàn)，在物理教材中應(yīng)該納入我國(guó)古人在探索自然方面積累的知識(shí)與成就，幫助學(xué)生感悟中華民族獨(dú)特的智慧與創(chuàng)造，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感，堅(jiān)定文化自信[2].指南上所指出的該納入物理課程教材的內(nèi)容就是我國(guó)古代物理學(xué)史部分內(nèi)容，指南上所提及的《墨子》《考工記》等科學(xué)典籍，水力磨坊、魯班木工尺等技術(shù)發(fā)明，不過是我國(guó)物理學(xué)史內(nèi)容的冰山一角.

錢三強(qiáng)院士曾說過，“中國(guó)物理學(xué)史是一塊蘊(yùn)含著巨大精神財(cái)富的寶地.這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_墾，這些精神財(cái)富很值得我們?nèi)グl(fā)掘．如果我們都能重視這塊寶地，把寶貴的精神財(cái)富挖掘出來，從中汲取營(yíng)養(yǎng)，獲得教益，我相信對(duì)我國(guó)的教育事業(yè)和人才培養(yǎng)都會(huì)是大有益處的”[3].中國(guó)物理學(xué)史是一塊值得開墾的，擁有豐富精神財(cái)富的寶地，這個(gè)寶地應(yīng)該被好好重視利用起來，發(fā)揮它應(yīng)有的教育教學(xué)價(jià)值.

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中國(guó)物理學(xué)史的研究主要包括以下幾個(gè)方面:一是對(duì)中國(guó)物理學(xué)史史料的整理，比如文獻(xiàn)[4]對(duì)我國(guó)女性物理學(xué)家吳健雄生平事跡的整理，文獻(xiàn)[5]總結(jié)了中華傳統(tǒng)文化中有關(guān)物理學(xué)以及方法論的知識(shí);二是對(duì)中國(guó)物理學(xué)史的教育功能與價(jià)值進(jìn)行分析，比如文獻(xiàn)[6]探討了一下中國(guó)物理學(xué)史在中學(xué)教學(xué)中的教育價(jià)值；三是將中國(guó)物理學(xué)史與物理教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)策略，比如文獻(xiàn)[7]從中國(guó)古代物理學(xué)史、近現(xiàn)代物理學(xué)史和物理時(shí)事及前沿3個(gè)方面對(duì)物理新課程中的中國(guó)物理學(xué)史內(nèi)容的教學(xué)策略進(jìn)行了初步的探索；四是利用中國(guó)物理學(xué)史在教學(xué)中開展愛國(guó)主義教育的策略，比如文獻(xiàn)[8]按照時(shí)間順序，列舉史料，分析了中國(guó)物理學(xué)史的愛國(guó)主義教育價(jià)值，并從課堂教學(xué)和課外教學(xué)兩個(gè)角度，提出了利用中國(guó)物理學(xué)史滲透愛國(guó)主義教育的教學(xué)建議；五是滲透中國(guó)物理學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)，比如文獻(xiàn)[9]在初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)中引入中國(guó)古人對(duì)聲音現(xiàn)象的研究的嘗試.

以上這些研究中，尚未有針對(duì)性地用中國(guó)物理學(xué)史輔助高中物理教學(xué)的策略研究，所以文章嘗試從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度對(duì)高中物理教材中的中國(guó)物理學(xué)史的資源進(jìn)行整理，并從課堂教學(xué)和課外探究?jī)蓚€(gè)角度對(duì)用中國(guó)物理學(xué)史來輔助高中物理教學(xué)的策略進(jìn)行探究.

1 中國(guó)物理學(xué)史在高中物理教學(xué)中的價(jià)值分析

物理學(xué)科核心素養(yǎng)，即物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過物理學(xué)科的學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四部分內(nèi)容[10].

物理學(xué)史是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要材料，而中國(guó)物理學(xué)史在此意義上，從中國(guó)的歷史背景出發(fā)，更能提高學(xué)生對(duì)物理這門學(xué)科的認(rèn)同感，增加學(xué)生的民族自豪感，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的喜愛.

1.1 引入古人的發(fā)現(xiàn) 促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成

在高中物理課堂中，很少有學(xué)生知道中國(guó)的古人在歷史長(zhǎng)河中憑借著對(duì)自然現(xiàn)象的觀察，對(duì)自然規(guī)律的總結(jié)，對(duì)這些發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律的應(yīng)用，讓中國(guó)的科技發(fā)展在很長(zhǎng)一段時(shí)間都處于世界的領(lǐng)先地位，這絕對(duì)稱得上是中國(guó)物理學(xué)史上輝煌的篇章.這段輝煌應(yīng)該通過高中物理課堂讓學(xué)生知曉.

例如在講到彈性定律的時(shí)候，將《考工記》中鄭玄注解時(shí)記載的弓的彈性定律與胡克在彈簧上發(fā)現(xiàn)的彈性定律作一些方面比較，比如《考工記》中鄭玄注解時(shí)記載的彈性定律要比胡克的彈性定律早了近1 500年，通過這樣一個(gè)時(shí)間對(duì)比，大概就能讓學(xué)生明白中國(guó)的物理曾經(jīng)有多輝煌，但進(jìn)行中國(guó)物理學(xué)史教學(xué)的目的，并不是讓學(xué)生盲目自信，而是通過中西方物理學(xué)發(fā)展歷程的對(duì)比，引起學(xué)生對(duì)中國(guó)物理學(xué)在近現(xiàn)代落后的思考，在用中國(guó)物理學(xué)史的內(nèi)容輔助物理觀念形成的過程中，促進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，在學(xué)生心中埋下愛國(guó)愛科學(xué)的種子.

1.2 利用古人對(duì)物理知識(shí)的應(yīng)用營(yíng)造趣味教學(xué)情境 鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維

中國(guó)物理學(xué)史的古代部分，還有很多充滿趣味和極具物理學(xué)思維的故事、技術(shù)發(fā)明、以及習(xí)題等材料可以挖掘，這些材料均是古人對(duì)所發(fā)現(xiàn)的物理知識(shí)的應(yīng)用，用這些材料來營(yíng)造有趣的教學(xué)情境，讓學(xué)生在歡樂的氛圍中積極思考，鍛煉思維的同時(shí)，還能了解我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，堅(jiān)定文化自信.

例如在質(zhì)點(diǎn)與參考系內(nèi)容中用《呂氏春秋》中刻舟求劍的故事引入，帶著如何才能找到劍的疑問，跟著教師進(jìn)入新課的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中，在教師的引導(dǎo)下，給學(xué)生用自己所學(xué)知識(shí)對(duì)故事情節(jié)進(jìn)行綜合分析，歸納概括出結(jié)果的機(jī)會(huì)，如果課堂時(shí)間不夠，可以將這個(gè)找到劍的任務(wù)作為課后作業(yè)，這個(gè)作業(yè)想必也比做題有趣，“找劍”的這個(gè)過程就是學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用的過程，也是鍛煉學(xué)生科學(xué)思維的過程.

1.3 通過古今科學(xué)家的事跡掌握科學(xué)探究方法 領(lǐng)略科學(xué)探究精神

由于近代物理學(xué)在西方蓬勃發(fā)展，在我國(guó)有一段時(shí)間的空白，所以現(xiàn)在的物理教材中大多是外國(guó)物理學(xué)家的理論與實(shí)踐，然而我國(guó)古今科學(xué)家對(duì)物理現(xiàn)象的探索也是經(jīng)歷了反復(fù)失敗、不斷改進(jìn)、獲得突破的過程，在這些探索過程中所蘊(yùn)含的探究方法、思維品質(zhì)和科學(xué)精神都值得學(xué)生好好領(lǐng)略.在物理教學(xué)中，應(yīng)該注意引入我國(guó)古今科學(xué)家的事跡，避免學(xué)生形成“我國(guó)古代無物理，近代無物理學(xué)家”的錯(cuò)誤觀念.

例如《墨經(jīng)》中記載的關(guān)于砌墻的“法式”.墨家算是一個(gè)手工業(yè)團(tuán)體，對(duì)工程問題十分關(guān)注，根據(jù)《墨經(jīng)》中的記載，可以了解到墨家這個(gè)手工業(yè)團(tuán)體在研究砌墻的問題時(shí)所觀察與實(shí)踐得出的結(jié)論.《經(jīng)下》：“堆之必拄，說在廢材.”意思大概是說堆放物體的時(shí)候，物體必定受到另一個(gè)物體的支撐，這是墨家在實(shí)踐中觀察得來的結(jié)論，后在《經(jīng)說下》墨家進(jìn)一步闡述了砌墻的法式，并用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)磚石進(jìn)行了受力分析，來驗(yàn)證了所說的法式，雖然這種解釋粗糙，但其中蘊(yùn)含的基于觀察總結(jié)得出某種觀點(diǎn)，并加以實(shí)驗(yàn)論證的科學(xué)探究方法值得學(xué)生去了解、思考與學(xué)習(xí).

1.4 利用物理時(shí)事及前沿知識(shí)培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感

正所謂少年強(qiáng)則國(guó)強(qiáng)，培養(yǎng)具有道德感，具有科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的人才，是物理教育者重要使命所在，而物理時(shí)事及前沿知識(shí)，便是物理教育者完成這一過程中的一大助手.

例如，人教版必修1教材中第13頁練習(xí)與應(yīng)用欄目里第一題所提到的殲-20隱形戰(zhàn)斗機(jī)，結(jié)合第四章封面中的殲-20插圖，向?qū)W生介紹殲-20的情況或由知道的學(xué)生來介紹，以此引出對(duì)國(guó)防的思考，我們國(guó)家向來提倡和平，為什么又從不輕視軍事國(guó)防，研發(fā)這些戰(zhàn)斗機(jī)又到底是好是壞等，結(jié)合對(duì)這些問題的思考，在傾聽學(xué)生回答的過程中，塑造學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)祖國(guó)、對(duì)科學(xué)、對(duì)世界的責(zé)任感.

2 高中物理教材中的中國(guó)物理學(xué)史的資源整理

表1以高中物理必修1的知識(shí)點(diǎn)為例，整理了人教版、粵教版、魯科版、滬科版、教科版5個(gè)版本的高中物理教材中所包含的中國(guó)物理學(xué)史的資源.

表1 高中物理必修1教材中的中國(guó)物理學(xué)史的資源整理

3 用中國(guó)物理學(xué)史輔助高中物理教學(xué)的策略

物理課堂是可以包含很多元素的，中國(guó)物理學(xué)史只是其中一個(gè)元素，用中國(guó)物理學(xué)史來輔助高中物理教學(xué)，不一定非得整堂課都是中國(guó)物理學(xué)史這一個(gè)元素，可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況來決定補(bǔ)充和挖掘程度，再選擇合適多樣的活動(dòng)去設(shè)計(jì).用中國(guó)物理學(xué)史來輔助高中物理教學(xué)是一個(gè)長(zhǎng)期的慢慢滲透的過程，在合適的教學(xué)內(nèi)容中融入中國(guó)物理學(xué)史，利用物理課堂中的一個(gè)個(gè)小變化結(jié)合課外深度的探究活動(dòng)，潛移默化，由量變引起質(zhì)變，最終達(dá)到更好的教學(xué)效果.

3.1 課堂教學(xué)

3.1.1 將信息技術(shù)與中國(guó)物理學(xué)史相結(jié)合

學(xué)生接觸中國(guó)物理學(xué)史的媒介主要是教材和教師，教材中的中國(guó)物理學(xué)史資源有限且零散，就需要教師找出其中聯(lián)系并結(jié)合教學(xué)內(nèi)容予以補(bǔ)充，教師直接講授中國(guó)物理學(xué)史未免太過單調(diào)，可簡(jiǎn)單利用多媒體展示相關(guān)圖片和視頻影像資料，對(duì)學(xué)生進(jìn)行多感官教學(xué).例如，在講授時(shí)間的知識(shí)點(diǎn)時(shí),可以用我國(guó)古代的一些計(jì)時(shí)儀器來引入，用圖片或者視頻的形式來展示這些儀器或者儀器的變化過程，由此來介紹我國(guó)古代的技術(shù)發(fā)明，增加課堂趣味性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解.或可結(jié)合VR技術(shù)，讓學(xué)生身臨其境感受中國(guó)物理學(xué)史的魅力，由此激發(fā)對(duì)物理學(xué)科的興趣.也可設(shè)計(jì)融入中國(guó)物理學(xué)史元素的翻轉(zhuǎn)課堂等.

3.1.2 制作中國(guó)物理學(xué)史相關(guān)的簡(jiǎn)易教具

中國(guó)古代物理學(xué)史中有很多技術(shù)發(fā)明，彰顯著我國(guó)古人的智慧與勤勞，在實(shí)際物理教學(xué)中，可以結(jié)合知識(shí)點(diǎn)，篩選簡(jiǎn)單的技術(shù)發(fā)明進(jìn)行教具制作，引導(dǎo)學(xué)生分析教具中隱藏的物理原理，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理課程和科學(xué)的熱愛.例如，講到重力時(shí)，可以嘗試制作一個(gè)簡(jiǎn)易版的重石錘自動(dòng)發(fā)火裝置，向?qū)W生普及物理知識(shí)在古代軍事上的應(yīng)用的同時(shí)，講解或者與學(xué)生一起分析討論重力在這個(gè)裝置上的應(yīng)用原理，營(yíng)造有趣的教學(xué)情境.

3.1.3 將中國(guó)物理學(xué)史引入習(xí)題練習(xí)

在整理中國(guó)物理學(xué)史資源的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)教材中有很多引入了中國(guó)物理學(xué)史的習(xí)題，教師可以利用好這些習(xí)題，或者根據(jù)自己收集的資料嘗試編寫或者改編相關(guān)習(xí)題，在習(xí)題中引入有關(guān)聯(lián)的史料，讓題干更精彩，讓學(xué)生在鞏固知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的同時(shí)，了解我國(guó)物理學(xué)的一些發(fā)展，給學(xué)生單調(diào)枯燥的題海增加一點(diǎn)生機(jī).例如在進(jìn)行時(shí)間與位移知識(shí)的鞏固練習(xí)時(shí)結(jié)合我國(guó)航天發(fā)展.

3.1.4 國(guó)外一些物理學(xué)史應(yīng)用方法的參考

國(guó)外研究中的一些物理學(xué)史在課堂上的應(yīng)用方法或可給中國(guó)物理學(xué)史的具體活動(dòng)設(shè)計(jì)一些參考.比如說Henke和H?ttecke在文章中所提及的4種方法[11]：一是閱讀、分析和討論原始的歷史研究論文，實(shí)驗(yàn)室日志或者技術(shù)性的報(bào)告[12～14]；二是講述可以引起概念、方法論或哲學(xué)思考的豐富的歷史軼事，短故事或者互動(dòng)小品[15,16]；三是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歷史上的(思維)實(shí)驗(yàn)或者重現(xiàn)歷史上實(shí)際做過的實(shí)驗(yàn)過程，以追溯科學(xué)方法、科學(xué)概念和科學(xué)理論的發(fā)展[17～21]；四是在跨越多個(gè)學(xué)科課程內(nèi)容的課堂里，進(jìn)行詳細(xì)歷史案例研究的內(nèi)容中，可以綜合運(yùn)用以上策略[22～25].

3.2 課外探究

3.2.1 組織學(xué)生進(jìn)行角色扮演

中國(guó)物理學(xué)史上有很多科學(xué)家的事跡值得學(xué)生知曉，他們的科學(xué)探究方法和科學(xué)精神與態(tài)度值得學(xué)生學(xué)習(xí)，但是歷史中發(fā)生的事情，光憑語言描述和書籍閱讀，印象遠(yuǎn)不及角色扮演深刻，教師可以在課余時(shí)間組織學(xué)生進(jìn)行有關(guān)科學(xué)家故事的收集、劇本的編寫、演員的選擇等一個(gè)表演劇目的活動(dòng)，讓每個(gè)學(xué)生都參與在活動(dòng)中，在整個(gè)活動(dòng)進(jìn)行的過程中都有所收獲.

3.2.2 融入新的教育理念，設(shè)計(jì)一些競(jìng)賽之類的綜合實(shí)踐活動(dòng)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，了解新的教育理念，在活動(dòng)中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，融入中國(guó)物理學(xué)史元素.

例如基于STEAM教育理念，開展以制作“潛艇”“火箭”等為主題的小組競(jìng)賽活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生在工程問題解決過程中，對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)多學(xué)科的綜合應(yīng)用能力.

3.2.3 設(shè)立專題研究，深度挖掘中國(guó)物理學(xué)史的資源

比如說魯科版高中物理必修1當(dāng)中的題目：“上網(wǎng)查詢相關(guān)資料，了解趙州橋及懸空寺等的基本信息、建筑結(jié)構(gòu)、建筑價(jià)值等，完成一篇小論文，并與同學(xué)交流討論”，就以趙州橋和懸空寺為專題進(jìn)行深入研究，在研究中學(xué)生就能了解到趙州橋和懸空寺中蘊(yùn)含的物理奧秘.

4 反思與展望

高中物理課堂是少不了中國(guó)物理學(xué)史這個(gè)元素的，學(xué)生既需要書中的外國(guó)物理學(xué)史的內(nèi)容來打開眼界，也需要中國(guó)物理學(xué)史的內(nèi)容來幫助他們更完整更深刻地理解世界.教材中的中國(guó)物理學(xué)史內(nèi)容零散且少，所以就需要教師予以補(bǔ)充，并且?guī)椭鷮W(xué)生找到內(nèi)容之間的聯(lián)系.在實(shí)際教學(xué)中積極嘗試用中國(guó)物理學(xué)史輔助高中物理教學(xué)，及時(shí)反思，相信融入了中國(guó)物理學(xué)史元素的教學(xué)定會(huì)閃耀著不一樣的光彩.