學習物理學史 培養學生核心素養

楊紅+李成金

摘 要：培養學生的核心素養，首先要培養學生的學科素養。物理學科的核心素養主要包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任。文章用“伽利略關于自由落體運動的研究”一節的教學為載體，嘗試講述物理學史對培養學生核心素養的重要性。

關鍵詞：核心素養；物理學科素養；物理學史

隨著素質教育的不斷發展，培養學生的核心素養已成為教育研究的重點。核心素養是學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格與關鍵能力，它分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養。在“核心素養體系”的整體框架基礎上，高中物理學科的核心素養分為四個維度：物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任。物理學是研究物質及其行為和運動的科學，是最早形成的自然科學之一。它內容廣泛，研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律；結構嚴謹，所有的知識體系、定理規律都經過無數科學家反復摸索、探究、論證、辨析，因此，物理學史是物理學不可分割的重要組成部分。筆者認為通過學習物理學史，了解物理規律發現過程的背景和科學軼事，有助于激發學生的學習興趣，增強學生的物理概念認知，鍛煉學生的科學思維，提高學生的學習探究能力，培養學生的科學態度和責任。

高中物理課改教材各章節都滲透了大量的物理學史教育內容 （“STS”23 篇，“科學足跡”24 篇，“科學漫步”28 篇）。但在中學物理日常教學過程中，教師往往迫于教學進度的壓力，忽視了物理學史的地位和作用，讓學生直接記住物理學家、物理規律以及發現物理規律的時間，很少運用物理學史了解發現過程和背景幫助學生記憶。以下以自由落體運動的問題為例，談談筆者在相關方面的認知。

一、了解物理學史，增強物理觀念，學習科學態度

物理是研究物質形態規律的學科，不僅包括物理知識體系，同時也包含數學形式以及物理思維。“自由落體運動”是人教版高中物理必修一第二章中的內容，其中第六節是伽利略對自由落體運動的研究。在物理學的發展史上，伽利略是一位具有里程碑意義的人物。在伽利略以前，物理學的發展是在哲學體系下進行的邏輯推理，缺少科學的方法，發展進程曲折而緩慢。因此可以安排一課時向學生詳細闡述當時的歷史背景、發生的歷史事件，讓學生通過了解科學家們的事跡，熟悉物理學史的發展歷程，體會科學家們的人格魅力，增強物理概念，學習科學家們的科學態度和責任。

不少物理教師在本課中忽視了“知識的相對觀和發展觀”這一素材，尤其是亞里士多德對物理學的貢獻。事實上，亞里士多德時代對空氣、力等基本的認識還幾乎處于空白，他注意觀察、善于總結的特點對時代的科學進步其實還是有較大的貢獻的。亞里士多德是當時偉大的哲學家、科學家和教育家之一，堪稱希臘哲學的集大成者。他是邏輯推理的創始人，提出了“四因說”：形式因、質料因、動力因、目的因。他提出的理論是基于當時哲學體系下的分析，因此亞里士多德認為“重物的下落”是由于萬物有天然位置，輕在上，重在下。物體越重，下落得越快；物體越輕，則下落得越慢。這一理論在其后的兩千多年里，都被奉為經典。但伽利略則對此提出了質疑，據說伽利略曾當眾從比薩斜塔頂端拋下一輕一重兩個鐵球，結果兩個鐵球同時著地，瞬間推翻了亞里士多德的理論。雖然此說無可查證，但是在《關于兩門新科學的談話和數學證明》一書中，伽利略寫道：“從高200庫比特（1庫比特≈45.7厘米）的塔頂落下的鉛球和烏術球，著地時前者不會比后者超前4英寸”，根據輕重物體幾乎同時著地這一事實，伽利略假定了一種理想狀況，即如果沒有空氣阻力，兩球下落速度相等。

愛因斯坦曾說：“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要，因為解決一個問題也許只是一個數學上或實驗上的技巧問題。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，卻需要創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”在關于運動的問題方面，亞里士多德思考的是物體為什么會運動，是怎樣運動起來的；而伽利略思考的是物體怎樣運動又是怎樣停下來的。學生們從中會積極思考領悟這一故事中所體現的物理知識以及科學精神，如伽利略是在觀察的基礎上進行了思索和實驗論證，從而推翻了亞里士多德的理論；伽利略依靠他首創的科學方法，積極思考，勇于挑戰權威，成為第一個打破“亞氏權威”的人。

二、創設實驗情境，鍛煉學生科學思維，提高學生探究能力

實踐是檢驗真理的唯一標準。任何結論和猜想都必須經過實驗驗證，否則不成理論。猜想或假說只有通過驗證才會成為理論。所謂實驗驗證就是任何人在理論條件下去操作都能得到實驗結果，它具有任意性，但不是無條件的，實驗是在一定條件下的驗證，而與實際有區別。伽利略對自由落體運動的研究，揭示出自由落體運動的規律，對經典物理學體系的建立起到了關鍵性的作用。在教學過程中，通過重現經典實驗過程，將演示實驗和自主實驗相結合，學生們在體驗參與實驗的過程中，能切實感受到實驗的魅力，了解科學家們縝密的思維邏輯，掌握科學實驗的基本步驟，提高科學探究能力。

教師結合教材圖2.6-3講述伽利略研究關于自由落體運動時運用的原理及方法，通過創設情境，引發學生思考，讓學生切實體會到伽利略邏輯和實驗的偉大之處。教師提問一：“物體下落快慢到底和質量有沒有關系，讓大小相同、質量不同的橡皮和粉筆從同一高度同時落下，是同時落地還是先后落地？”學生根據歷史史實以及所學知識回答：“同時落地。”教師做演示實驗證實物體的下落速度與質量無關。提問二：“物體下落的速度和體積有無關系？讓質量相同體積不同的木塊和鐵塊從同一高度同時落下，是同時落地還是先后落地？”學生回答：“同時落地。”教師做演示實驗證實物體下落速度和體積無關。提問三：“從作業本中撕下兩張紙，一張平展，一張揉成團，這兩張紙從同一高度同時落下，是同時落地還是先后落地？”學生自主實驗，交流討論得出結論：“先后落地。”教師繼續引導：“這種現象是什么導致的呢？伽利略的理論難道錯了嗎？”學生們閱讀教材，相互交流思考回答問題：“伽利略開展自由落體運動規律研究的前提是忽略空氣阻力。”實驗的過程中要突出主要因素，忽略次要因素，抓住事物的本質。自由落體運動主要是重力作用引起的，因此，重力為主要因素，阻力為次要因素可忽略不計，從而把自由落體運動理想化為只受重力作用。教師向學生介紹其他人驗證伽利略關于自由落體實驗的方法，開拓學生眼界，發散學生思維，鍛煉學生思維能力。比如，提問四：“如何用一張紙和一本書驗證？”學生小組合作進行自主實驗，交流思考后回答問題：讓書和紙從同一高度同時落下，發現書比紙下落得快；將紙放在書上，讓它們在同一高度同時落下，發現它們同時落地；將紙放在書下在同一高度同時落下，發現也是同時落地。因為紙放在書上和書下時，所受到的空氣阻力可忽略不計。

總之，在教學過程中結合物理學史，設定有助于引發學生自主思考的情境，引導學生在探究中建構物理認知，切實體會物理學家們實驗的卓越之處，學習科學家們在實驗過程中所使用的獨特方法、思維邏輯和科學精神，這些對學生日后長遠發展具有深遠的意義。

參考文獻：

[1]董 彥. 利用物理學史培養學生的核心素養[J].物理教學探討，2016（8）.

[2]施 堅，李 剛.基于物理學史與活動探究的課堂之旅——以人教版教材“伽利略對自由落體運動的研究”為例[J].教學論壇，2015（8）.

（作者單位：蘇州大學物理與光電·能源學部）