發(fā)揮物理學史功效培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)

鄭群淼

[摘要]物理學史教學過程中，若能從培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)的角度進行教學設計，則能使物理學史知識的教學發(fā)揮無可替代的育人功效，讓學生領悟和理解物理思維方法，發(fā)展學生的實踐探究能力，進一步培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。

[關鍵詞]物理學史；育人功效；核心素養(yǎng)

[中圖分類號]G633.7[文獻標識碼]A[文章編號]16746058（2018）05004302

整個世界文明的進步，都來源于人類不斷發(fā)現(xiàn)問題與解決問題，來自人人都具有的創(chuàng)造潛能。時代在變遷，人類在發(fā)展，我們所積累的知識會越來越多，信息貯存越來越豐富。如何利用這些物理學史知識開展教學，讓學生領悟和理解物理思維方法，發(fā)展學生的實驗探究能力，進而培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任？本文結合教學實踐進行分析探討。

一、物理學科核心素養(yǎng)的內涵

學生核心素養(yǎng)，主要是指學生應具備的，能夠適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展的必備品格和關鍵能力。就物理學科來說，其核心素養(yǎng)包括：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。在這四個要素中，最基礎的核心素養(yǎng)是物理觀念，它代表對物理知識的內化，是其他三個素養(yǎng)的基礎，科學思維與科學探究代表了學生的關鍵能力，科學態(tài)度與責任顯現(xiàn)了每個人必備的品格。物理學科核心素養(yǎng)的具體內涵可用下圖表示。

二、物理學史中的猜想與假設——科學探究的魅力

在物理學發(fā)展的每一個階段，猜想與假設讓很多物理學家走向成功。成功的科學家通過適當?shù)牟孪肱c假設發(fā)現(xiàn)了一個又一個的物理定律，我們可從以下場景中領悟猜想與假設的魅力。

1.牛頓——發(fā)現(xiàn)萬有引力定律

情景1：天上的力與地上的力能和諧統(tǒng)一嗎？牛頓為了驗證地球表面的物體受到的重力與地球吸引月球以及太陽吸引各大行星的力是同一性質的力，遵循共同的規(guī)律，牛頓利用猜想與假設的方法，做了著名的“月地”檢驗。他的基本思想方法是：假設地球上的物體所受重力和各大星體間的引力是同一性質的力，都與它們之間的距離的平方成反比關系，那么月球繞地球做近似勻速圓周運動的向心加速度就應該是地面重力加速度的1/3600，因為月心到地心的距離是地球半徑的60倍。

猜想與假設的魅力：牛頓根據(jù)月球繞地球運動的周期和運行的軌道半徑，計算得到了月球圍繞地球做勻速圓周運動的向心加速度為：

a=4π2T2r=2.74×10-3m/s2

物體在地球表面的重力加速度為g=9.8m/s2，若把這個物體慢慢移到月球軌道所在的高度，h=60R（R為地球的半徑），這樣我們可算出其加速度值為：

a=1602g=2.72×10-3m/s2

從上面的分析可以看出，這兩個結果幾乎等同，在誤差允許的范圍內這兩種方法求得的向心加速度相同，這樣牛頓就檢驗了自己的猜想是正確的，也就是地球對地面上所有物體的引力與各星體間的引力，本質上遵循同一規(guī)律，是同一種性質的力，即引力的相互作用。

2.伽利略——自由落體運動

情景2：如果我們沒有學過相關的物理知識，憑借日常生活經(jīng)驗，肯定會說重的物體比輕的物體下落更快。例如，一金屬塊和一片樹葉同時從同一高度掉下來，一定是金屬塊先落地。因此，在16世紀以前，以亞里士多德為代表的學者一致認為物體下落的快慢是由物體的重量決定的，物體越重下落越快。當時亞里士多德是偉大的人物，在各方面都有突出的成就，人們信仰他、尊敬他，自然將他的觀點奉為經(jīng)典。其實，當時也有不少人懷疑這個觀點，但由于教會利用他的結論，進行神化處理，所以他們都沒有大膽地提出自己的觀點。到了文藝復興時期，伽利略通過邏輯推理的方法研究自由落體運動，并將這個運動規(guī)律正式發(fā)表。在這之后，伽利略也由于他的著作而受到教會的迫害，他的著作也被列為禁書。

猜想與假設的魅力：如果亞里士多德的觀點是正確的，那么用繩子把一塊重為20N的石頭和另一塊重為10N的石頭連在一起，由于總體重量為30N大于前兩者中的任一石頭的重量，按照亞里士多德的觀點，其下落速度應大于前兩塊石頭單獨下落的速度；但是另一方面，用繩子連在一起的兩塊石頭畢竟仍是分開運動的，大石頭20N運動得快，小石頭10N運動得慢，20N的大石頭必然會被10N的小石頭“拖后腿”，使它們總體的運動速度小于大石頭單獨運動的速度。用亞里士多德的觀點分析同一問題得到完全矛盾的兩個結論，說明亞里士多德的觀點本身就是錯誤的。

3.伽利略——理想斜面實驗

情景3：科學的方法與科學的思維是我們認知世界奧秘的基本手段。在具體解決問題時，當然需要相關的知識，但還要有科學的思維方法。伽利略的理想斜面實驗，是在實驗的基礎上進行科學的邏輯推理，理想實驗有時更能深刻地反映大自然的規(guī)律。如上圖所示，伽利略假設了一個理想斜面實驗。

猜想與假設的魅力：下面是我們模擬伽利略與小球的一段對白，在這個對話場景中，我們可真正領悟到科學方法的重要性。

伽利略：小球先生你好，如果斜面沒有任何摩擦，你會慢慢爬上怎樣的高度呢？

小球：我非常自信，我會搭乘夢想的階梯一步一步努力向上爬，直到爬上原來的高度。

伽利略：如果我把右斜面的傾角減小，你是不是還想爬到原來的高度嗎？

小球：我有一顆執(zhí)著的心，夢想有多高，我就可以爬多高，只是我要走的路程更長了。

伽利略：如果我將右斜面的傾角繼續(xù)減小呢？你還想爬到原來的高度嗎？

小球：既定目標，我心已定，只是又多了一段山高水長之美景。

伽利略：如果我把右斜面放成水平狀態(tài)，你還會為了自己的夢想而行進嗎？

小球：路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。既然選擇了那個高度，我只能一直執(zhí)著向前，留給世界的便只能是孤獨的背影。

三、物理學史的靈魂——辯證的科學思維

皮亞杰的認知發(fā)展階段論認為，中學生隨著年齡增長，抽象思維逐漸占主導地位。學生的物理學習過程就是將生活中的感性認識上升為理性認識，再從理性到解決實際生活中的具體問題，而這其中主要就是靠思維。學生的智力發(fā)展主要就是體現(xiàn)在思維的發(fā)展上。良好的思維可以為學好物理打下基礎，而通過物理學習更能促進其思維的變化和發(fā)展。物理思維能力包括抽象能力、概括能力、判斷推理能力和綜合分析能力等。

例如，《伽利略對自由落體運動的研究》一課中，伽利略是利用怎樣的思維推翻了亞里士多德的觀點呢？他假設有輕、重兩個小球，若重球下落比輕球快，那么將兩球捆綁成一體，輕球會影響重球下落，所以下落快慢就介于兩者之間；另一方面，由于兩球捆綁在一起后，重量大于任何一球，就可以得出下落的速度大于兩球單獨下落時的速度，進而得出兩個相互矛盾的結論，這樣看亞里士多德的觀點不就不成立了嗎？這一思維推理之美怎不叫人拍案叫絕？

大家知道，在1820年奧斯特那小磁針的偉大轉動說明利用電流可以得到磁場，人們自然會提出問題：能否利用磁場產生電流呢？這就是一個電生磁、磁生電的辯證思維。奧斯特實驗指出：如果恒定的電流通過金屬導體，那么在金屬導體周圍就會產生恒定的磁場；相反的實驗被認為是利用恒定的磁場能夠得到恒定的電流，也就是在磁鐵的旁邊放一個線圈就能夠在線圈中產生電流。然而這并不是真正相反的實驗，因為上述的推論出現(xiàn)了邏輯錯誤。這正是延誤電磁感應發(fā)現(xiàn)的主要因素。后來法拉第從靜止的思想突破到了變化的思想，有了“動態(tài)”觀，在動態(tài)變化的過程中，才發(fā)現(xiàn)運動的磁鐵能產生變化的磁場，才能生電。這種邏輯思想的突破在科學規(guī)律研究中堪稱一絕。由此可以讓學生領略思維才是學習的中心，提升思維能力也是學習的目的。

四、物理學史中的情感體驗——科學態(tài)度與責任

我們?yōu)槭裁唇涛锢恚康降自趺唇涛锢恚坎粩嗟慕虒W改革讓教學形式發(fā)生了各種變化，但其目的無非是想全面回歸教育本質。從知識本位到以人為本，從物理教學到物理教育，從雙基到三維目標再到核心素養(yǎng)，既有融合更有超越。而作為核心素養(yǎng)主要構成的關鍵能力和必備品格，實際上就是三維目標的提煉和整合。因此在有限的課堂時間內，教師應該給予學生對科學無限的崇尚和堅定的研究意志。

比如《行星的運動》的教學中，如果教師只關注規(guī)律本身，學生定會覺得枯燥無味，而這章內容在“學考中”所占比例不大，所以教師和學生都很容易忽略其重要性。而本人認為本章的教學設計應該立足于科學精神的培養(yǎng)，提供給學生大量的科學史料，讓學生了解科學探究的過程，獲得探究的樂趣，從中感悟科學家求真求簡的研究思路和獻身科學的精神。在教學實踐中，我設計了一個辯論活動：正方“仰望星空時我們思考和追問天體是怎么運動的，這是我們必須做的對真理的追求”，反方“天體運動，不管是誰繞誰轉，都不影響我們的吃穿住行，所以不必深究。”正反方都是憑學生最原始的態(tài)度組隊的，但在正反方的激烈辯論下，戲劇化的結果出現(xiàn)了，反方陸陸續(xù)續(xù)都站到了正方隊伍當中來。這種內心情感和態(tài)度的轉變不就是學生認知的提升嗎？學生不僅了解了“地心說”和“日心說”的發(fā)展，而且充分挖掘了物理學史背后隱含著的科學家的“較真”。

教師應該認識到物理學史的重要意義，通過優(yōu)化教學設計，讓學生在感知生活、學習物理學史的過程中，感知規(guī)律發(fā)現(xiàn)的原生態(tài)過程，體驗科學家的人格魅力，領悟其中的科學方法與科學精神。

（責任編輯易志毅）