物理新課程中現代技術素養探源

胡俊華 馮 杰

(上海師范大學數理學院 上海 234000)

現代技術是指當今社會最高水平和發展方向的科學技術，20世紀人類科技飛速發展，形成以信息技術為前導，以新能源和新材料為兩翼的現代技術群.這3大技術群均來源于20世紀物理學的重大成就：相對論、量子力學和原子核物理.可以說，物理學推動了現代技術的發展.

在高中物理新課程中融入現代技術素養體現了課程內容的時代性，有助于用現代物理的思想引導學生重新審視物理概念及規律，使中學物理課程適應現代物理學體系，發展學生物理學科核心素養，培養未來需要的人才.

1 現代技術素養的內涵界定

在基礎教育階段，現代技術素養通常與“信息技術素養”“科學素養”等價，但從現代技術與信息技術、科學的定義來看，現代技術素養的概念應該與信息技術素養和科學素養有所不同.美國國家教育進步評估協會將技術素養定義為“一個人運用、理解和評價技術的能力，包括理解制定解決方案和達成目標所需的技術原理和策略”[1].盡管不同學者對技術素養的定義各不相同，但其內涵的共同要素都包括對技術理解、評價等內在認知和對技術運用等外在行為能力.在當前基礎教育改革的背景下，我們將現代技術素養的構成要素劃分為3個維度：一是現代技術知識,指對現代技術本質的理解，認識現代技術的發展過程；二是現代技術運用,指應對現代技術世界的能力，設計、應用和評價現代技術產品的能力，成為科技探索者等；三是現代技術情意,指認識科學·技術·社會·環境(STSE)之間的相互作用，能夠正確評價現代技術對人類社會、環境的作用和影響，形成正確的科學態度與社會責任感.這3個維度的二級構成要素及其具體內容如表1所示.

表1 現代技術素養的構成要素

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

2 普通高中物理課程標準中的現代技術素養要求

從2003年到2017年這十幾年間，電子信息技術、生物技術、新能源、新材料等科學技術飛速發展，物理學作為自然科學的基礎，為技術進步提供了理論支撐.因此，在物理課程中應當融入現代技術以符合時代發展和人才培養的需要.2013年教育部啟動物理課程標準修訂工作，于2017年頒布《普通高中物理課程標準(修訂版)》，新的課程標準相較2003版更加突出在物理課程中融入現代技術素養，主要表現在以下幾個方面.

2.1 物理學科核心素養突出現代技術素養

2017版課程標準一大亮點就是提出了物理學科核心素養，并作為核心內容，物理新課程從課程目標、課程內容到教學實施等都應以發展學生物理學科核心素養為目標，具有較高的學科核心素養已經成為我國新一代公民的基本要求.在物理學科核心素養中，物理觀念這一要素特別強調應用，因為，科學、技術與應用是學生發展非常重要的核心素養；科學態度與責任要素也明確提出了STSE教育，要求學生認識科學·技術·社會·環境的相互作用.由此看出，現代技術素養是發展學生物理學科核心素養不可或缺的重要環節[2].

2.2 課程結構更新現代技術

課程理念注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求，這里與2003版內容相似僅闡述改變.但對應的課程結構與課程內容則更新了較多現代技術新成果，體現出新課程的時代性，并強調發展學生現代技術素養.

從課程結構來看，2003版的高中物理課程結構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系列課程以物理學知識為載體，側重從技術應用的角度展示物理學，強調物理與技術的結合，體現物理學的實用性和應用性.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，很少有學生選擇選修2系列課程[3,4].而2017版課程標準將高中物理課程結構劃分為必修、選擇性必修和選修共9個模塊，必修課程增加課程內容的廣度，相較2003版刪除了較多難、繁、舊的技術應用，但在選擇性必修中增加較多現代科學技術知識，并強調其在人類生活和社會發展中的作用，強調STSE教育.選修部分中選修2模塊為物理學與技術應用，在物理學知識中融入的現代技術，激發學生學習興趣，拓展學生視野，滿足時代要求，有利于學生終身發展.2017版課程標準更加突出課程的選擇性，更新技術應用，體現時代性，將新課程中的物理知識與現代技術深度融合.

2.3 課程內容突出現代技術知識

課程內容方面，以2017年頒布《普通高中物理課程標準(修訂版)》為研究對象，根據現代技術素養的構成要素(表1)，對高中物理新課程標準的課程內容部分進行文本分析如表2所示，以了解物理新課程標準中所體現的現代技術.

橫向來看，在高中物理新課程標準中現代技術素養的3個要素：現代技術知識、現代技術運用和現代技術情意分別占比70.4%、13.4%、16.2%.因此，現代技術在高中物理課程標準的內容要求中主要以現代技術知識的形式來呈現，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注學生對現代技術的本體及其背后所體現的物理原理的理解，要求在理解知識的基礎上，再對現代技術加以運用，發展學生的科學價值觀.

縱向來看，課程標準中現代技術的要求隨學生學習的深入逐漸增加,物理新課程對學生現代技術素養的培養目標層層遞進.由必修課程要求初步認識科學技術對社會的推動作用，體會其影響，認識STSE之間的關系，到選擇性必修課程要求能夠用物理知識解釋一些現代技術及常用設備等原理，知道科學技術帶來的積極與消極影響，具有正確的科學態度與責任感，再到選修課程關注物理學前沿知識與技術，拓展學生視野.

表2 高中物理新課程標準中現代技術素養要素分析表

3 高中物理課程中現代技術素養內容探討

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代技術素養要素.

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

表3 人教版高中物理必修1中包含的現代技術要素及其教材呈現形式

其中，“做一做”欄目將物理學科知識與現代技術深度融合，要求學生能夠利用現代技術解決實際問題，從而體會到物理學推動技術的發展，而現代技術帶給社會生活巨大的便利.并且，“做一做”欄目中所包含的現代技術素養的要素主要為現代技術運用，占比最大.也就是說，現代技術在生活、生產中的實際運用格外重要，教學中融入應用現代技術更能加深學生對知識的理解.例如，在教學中，教師可以在學生學習過“用打點計時器測速度”的實驗后，向學生介紹利用傳感器測速度的方法，然后利用氣墊導軌、光電門和傳感器等器材進行DIS實驗，加深學生對瞬時速度本質的理解，并比較兩種測速的方法，體會現代技術的應用價值.

“科學漫步”欄目主要包含了現代技術知識要素，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的現代技術知識，使物理知識可感知、易理解、更有趣，從而促進物理教學.并且，現代技術知識能夠成為溝通科學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星定位系統(GPS)的原理，使參考系、坐標系等抽象的物理概念富于生活化和趣味性.

“STS”欄目主要包含了現代技術情意要素，其欄目放在教材正文之后，目的在于在學生認識科學本質后，更進一步地認識科學·技術·社會·環境之間的相互關系，了解技術給社會帶來巨大便利的同時也存在著一些問題，培養學生正確的科學觀和社會責任感，發展學生物理學科核心素養.

4 高中物理課程中現代技術素養教學策略探討

4.1 深入挖掘教材中的現代技術知識

物理教材中的知識內容非常廣泛，現代技術的知識也是從基礎知識中“生長”出來的，教師可以利用與教學內容相關的現代技術創設教學情境，尤其是一些社會熱點問題更能引起學生的興趣；其次，教師可以篩選與教材內容相關的現代技術知識，并深入淺出地融入到課堂教學中.

以能源技術為例，具體探討在物理知識中融入現代技術，發展學生現代技術素養.這一技術領域的學習內容包括能源的來源與設施，可以在學習原子核的知識后介紹現代能源技術之一——核能.

核能是20世紀發現的低碳、高能的一種新能源，它是原子核鏈式反應產生的能量，其來源有兩種：重核裂變和輕核聚變.

核能從發現到工業應用不過半個世紀的時間.1942年12月美國建起世界上第一座原子反應堆.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堆，它可以將自然界常見的鈾238和釷232分別轉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堆可以擴大核燃料資源.

我國目前核電的發展主力是壓水堆，其發展方向圍繞安全、長期和高效.快堆和第四代堆是核能領域下一步的發展方向，其中鈉冷快堆是我國以及世界核利用大國的主要發展方向.以上的反應堆都是利用核裂變技術，解決能源問題的理想戰略能源是實現可控核聚變，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用還需要進一步地研究[5].目前，核能源技術的應用不僅限于核能發電，呈現多元化發展.我國于2017年自主研發了“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用的多元化打開了新的思路.

圖1 中國首創供暖核反應堆——燕龍泳池式低溫供熱堆

4.2 關注科技前沿信息

教師關注國內外科技前沿信息并融入課堂教學，能夠拓展學生科技視野，培養學生關注現代科技的意識，緊跟時代步伐.例如，在學習“粒子與宇宙”一節時，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)，以豐富課程內容，激發學生為實現中華民族的偉大復興而努力奮斗的愛國熱情.

圖2 M87中心超大質量黑洞

圖3 中國天眼

4.3 利用選修課或開發校本課程將物理學知識與現代技術知識深度融合

對于一些難度較大而學生卻感興趣的現代技術知識，教師無法在時間較少的課堂系統講授，可由學校開設現代技術專題選修課或校本課程，例如，物理學與醫療技術(圖4)、物理學與信息技術等.也可以邀請相關行業專家進校開展專題講座，豐富學生課余生活，拓展學生視野；其次，可以抓住高中物理課程與通用技術課程中高契合度的元素，創設綜合選修課程.

圖4 物理學與醫療技術:核磁共振

4.4 開展有關現代技術的研究性實踐活動

研究性實踐活動圍繞一個學習項目，充分利用學習資源，在實踐中探索、創新，獲得完整的知識.開展課外研究性實踐活動，有利于發展學生現代技術素養，更有利于培養學生的研究意識.例如，在學習原子和原子核專題時，可以給學生“核廢料處理”“核電廠選址”等課題，讓學生從原理、技術、社會、環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，目前關于現代技術素養的研究較少，在科技高速發展的時代背景下，這是物理新課程中亟待學者們開展理論研究和實踐論證的新課題.此外，如何在教學中發展學生的現代技術素養，除本文所列舉的教學策略外，還有更多問題值得我們深入探討.