素養指向下的物理科學真實數據教育轉化

鄧先君 喬翠蘭

(華中師范大學物理科學與技術學院,湖北 武漢 430079)

鑒于現代自然科學之體系大多源于西方語系，我國自然科學引入、傳播以至當下的科學教育都存在一個話語體系問題。在教育國際化時代背景和教育信息化傳媒推動下，指向高階思維能力和科學素養的物理科研產出真實科學數據的教育價值值得關注。科學研究和科學教育在相對長的歷史周期里存在足夠緊密的依賴促進關系：科學教育的落后會影響科學研究科技創新，科學研究和科技創新的可持續發展離不開科學教育的跟進和全體民眾科學素養的提升。

“科學——科學教育”，科學研究和科學教育本身的恰和發展，一方面是人才培養的問題，另一方面是教育素材的轉化問題，與此同時的民族自信和文化自信同樣意義深遠。于是，對于物理科研工程中真實情景和真實數據的教育素材轉化問題的思考和研究可以說迫在眉睫意義深遠。

以下從物理教育內容、理念關系，物理課程標準和教材體系，物理教育考核評估，結合具體的教育資源案例等方面討論物理科學真實數據的教育轉化和意識滲透。

1 基于物理科學真實數據的內容更新與理念更新

物理科學真實數據對于課程改革有教育內容更新和教育理念更新的雙重意義。

教學當然可以從教育方式和教育方法上去找到一些積極因素，但是，從根本上來說，往往是我們教什么更多的在決定我們怎么去教，并且進一步決定了教育的效果。如果在教育內容的選擇上的判斷和選擇更為科學，那么對于包括顯性的和隱性的教育目的的達成都會具有巨大的建設價值。在國際教育比較分析的時候，國外的教育評價機構往往會聚焦到我們是怎么在教學的，關注我們的班級組織，教學組織，教學紀律，教師的組織協作能力和班級管理能力等層面的積極因素。但是它們也承認，盡管以探究為基礎的科學活動與更好的科學表現有關——但并非一直如此(Enquiry-based science activities are associated with better science performance-but not all the time)[1]。

選擇怎么樣的教學內容和教學主題，往往會決定，至少是影響我們的教學方式，從而對教學雙方和學生的教學表現產生作用。內容的選擇和更新不能與所呼吁的教育教學方式理念相匹配的時候，教學的凝滯感則會增強，教學的有效性會降低，呈現事倍功半的效果。這也是我國當下物理教育所面臨的問題：課程改革所倡導的教育理念和教育方式在具體的教育落實中的遲滯感——教師和學生進行了極大的教育投入，但是所面臨的教學問題并不能有效的解決，存在教學模式要求和教學內容組織上的矛盾問題。而這樣的問題，其內在的解決之道，還是關于科學真實場景和真實數據的教育素材選擇和組織問題，也就是切合于時代，貼合于立德樹人導向，與素養追求相緊密的教什么的問題。

具體到物理學科，教什么——基于哪些科學素材，在哪些科學真實場景中，采用哪些科學真實數據，闡明哪些具體科學問題，體會哪些科學方法，往往比空洞的教學模式和教學方法討論更具有時代意義，更能豐富教學創造性。離開了物理學科本質來討論教學方式方法的時代性，離開了科學本質的進步來談科學素養進步，離開了科學發展的教育更新來談學科教學知識(PCK)、TPACK等的教育應用，從當下的教育現狀來看總是困難的。

2 物理科學真實數據視角的課程標準解讀

從物理教育的課程標準取向來看，主要基于經典物理的物理基礎教育其體系的破缺是自然而且不可逆的。我國從2001年開始的從大綱到課程標準的基于標準的教學改革開始就有過刪除知識體系上的“繁難偏舊”，逐漸從“基本知識”“基本技能”的“雙基”取向過渡到2004年版課程標準“知識與技能”“過程與方法”“情感態度價值觀”的三維目標取向。2017年12月印發的課程改革標準所強調的“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”，則直接的聚焦到觀念和思維上，從知識取向到能力取向的傾向愈加明顯，經典物理在知識內容上和教育價值導向上都急劇趨于分散。這對于經典時空觀和經典物理概念所體現的物理觀念、思維特質無疑應該有更多的批判性屬性，所以基于經典物理相對穩固的知識體系有必要做出更多選擇，為更立體的物理概念體系的建立提供空間，貫徹完成基于標準的課程體系更符合立德樹人的教育觀念，又保證富于創新和發展的學科本質。

物理知識邏輯取向和科學素養指向之間存在一定的教育價值偏差，但并不完全對立。從歷史和時代的縱深來看知識邏輯的結構體系，其選擇總是建立在一定的歷史時期之上的，這種選擇都會表現得相當“穩固”和“有用”。這種“穩固”和“有用”在教育，尤其是基礎教育領域的很多時候會表現出令人滿意的教育價值。偏執所在，如果我們不能很好地審視我們在教什么，不能隨著時代的發展對“教什么”做出合乎教育價值的并且飽有警惕之心的判斷，我們往往就難以獲得獨立于知識體系之外更多的高階教育與追求，抽象解決問題能力、科學推理能力、批判性思維能力、科學創新能力、科學實踐能力和科學團隊合作意識等。

站在教師和專家的角度偏重知識邏輯的選擇似乎更容易理解，因為這樣的選擇更具建構價值。但是如果站在學生的角度，這種建構價值在點滴的教學中并不是能很好體現，知識的邏輯架構對于學生而言在更多時候是向上后發的生成。小的體系狀態里教育當然要追求自圓其說的邏輯自洽，當然要首先培養建立在知識基礎上的理解能力，但是這種理解的發散則往往會主動地尋求去打破這種邏輯閉合，去生產教育的隱性價值：產生問題，促成思維發展。

例如伽利略運動學部分，盡管對于運動的合成與分解的矢量問題多有強調，盡管對于微分思想多有鋪墊，但是在曲線運動部分，很多學生甚至教師都未能充分意識到基于拋體運動的矢量投影方法對于降低空間維度的物理學理論意義、基于圓周運動的建立在法向概念和切向概念上微分原理對于空間軌跡的解析；例如牛頓動力學體系基于牛頓運動定律的“初始條件”和受力情況共同決定運動狀態判斷，在經典力學的教學中反復灌輸的知識鏈條其實都是很機械的唯物主義論調。靜態教材很多時候沒有辦法更為具體地解釋解決這些問題，往往以“局限”草草掠過；教學考核和學業能力評估時，這些方面也難以被考察。

基于標準的課程改革的學科課程標準，“更新了教學內容，重視以科學大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情景化”“注重課程的時代性，注重反映當代科學技術發展的重要成果和科學思想”[2]的改革意識能夠幫助我們解決上述問題。新課程標準所體現出的改革意識和物理科學真實數據和真實情境的教育轉化有好的統一性，新課程標準的改革意識的落實與推動需要借助物理科學真實數據和真實情境。

3 基于物理科學真實數據教育素材的教材更新

科學形態向教學形態的轉化過程中基于科學真實情境和真實數據的物理教材更新是關鍵。一方面接受科學真實情境和真實數據的教材可以有更多的教育素材來源，增強教材參考書和工具書的功能，提升教材的實用性；另一方面借助真實科學數據和真實科研情境的表達也會給教材中的科學探究案例更多的素材選擇。

教育之面向未來，在教育素材組織層面上，除了歷史的素材，當今時代物理科研工程的科研場景至少是有必要得到更多關注。更新教學內容，言之其易，行之其難，可以從以下幾個方面加以考慮。

3.1 物理科學真實科學數據與教材更新

物理教育的科學性體現，有必要甚至很多時候必須將科學問題放到具體的科學場景中去實現，例如：理解科學家和工程師所處的時代里的認知動力，認知環境，體會科學工作者思考的過程和整個過程中的困境，像科學家和工程師那樣去建構科學問題。科學探究首先應該是一個科學過程，然后才是一個教育過程。作為科學一部分和科學研究具有一致性的基于科學真實數據和科學真實場景的教育探究過程，對基于學科科學本質的核心科學素養凝練事關重要，最具教育價值。物理教育中的“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”與物理科學研究中的“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”是相一致的，這種科學教育與科學研究的一致性這才是學科本質的體現，最終滲透到教學之外所體現的基于科技社會生活的自覺認知才是素養追求的社會化目的。

和美國不同，我國物理教材在各教育層級和教育階段具有權威性、系統性、實用和適用性等諸多優勢，能在相當程度和相當廣度上影響物理教育的內容選擇、素材組織。和課程標準相適應的物理教材更新比課程標準本身有更直接更具體的規定和指導意義。所以在考慮物理科學真實數據教育轉化時充分利用好科學真實數據立足于教材的轉化這一方向，教育活力和教育影響力會進一步增強。

縱觀人民教育出版社出版的一系列高中物理教材，2003年版的新課標高中物理教材(包括選修和必修系列)中的基礎性物理知識其絕大部分都可以在 1980年版的全日制十年制學校高中物理課本(上下冊)中找到，而后者比前者的內容更為豐富。我們的物理教材其在歷次課程改革中的發展趨勢是：刪減有余，遞增不足；經典物理的強化有余，而現代物理的滲透不足；基礎理論純粹性增強，科技社會相關的應用性不足。

好的方面，現行高中物理教材中以“科學漫步”等閱讀材料形式介入了一些物理科學真實數據和真實情境，如“黑洞”“時間和空間是什么”[3]，令人印象深刻，卻又意猶未盡。

義務教育階段多有強調“從生活走向物理，從物理走向社會，關心科技發展，注重探究教學”[4]，在高中階段則有必要注意到“從物理走向科學研究，從科學研究走進物理”。在經典力學誕生之前，樸素唯物主義的經驗之談對于是當時時代的教育素材，可以想象的“亞里斯多德是古希臘的圣人，他說過的話人們都把它當作真理”時代科學教育的哲學傾向。經典力學的發展所伴隨的能源革命深刻影響了人類社會的發展，自然也決定了科學教育的內容和價值取向，至今我們的物理教育尤其是基礎教育階段的物理教育素材和體系的選擇仍然重點集中在那一部分。

橫向做國際物理教材的比對，歐美諸國的物理教科書對于單一的教材依賴程度較小，且與教材功能相當的其它教學素材在課堂的接入更為容易。在教學資源開發，教學內容更新方面，多種多樣的與物理學新發現，物理學相關的新科技應用都比較快的會進入到教材體系。這固然和西方語系的語言表達話語權有關，也和國家科技發展，科學工程的教育多樣化推動有關，事實上，美國一直有科學家、科技工作者編寫教科書或者參與科學教育的傳統，這也會促成科學研究形態盡快的向科學教育形態轉變，使得科學教育的科學性得以增強。

有政治文化上的歷史傳習原因，使得西方語系國家在包括物理在內的自然學科教育方面存在一定的語言和文化氛圍上的優勢，使得它們的物理教育更自然地適應于社會生活并且更易于從社會自然生活中取材；有由于科技發展和現代自然科學起源方面的地域優勢和話語權優勢，使得它們的物理教育在知識內容和科學家工程師之間的具體工作之間的聯系理解上更為方便，也更易于從科學家工程師的理解、從人的發展的角度去理解科學技術的發展從而更方便將知識的內化轉化為能力的發展。但是這種固然固化確實是可以通過教材的發展和教學內容的選擇來淡化和平衡的，并且從現在的科技發展和我國的物理科研工作來看，我國一系列重大物理科研工程的展開，從教育素材選擇的角度是能夠比過去更好地緩解、彌合中西方的差距的。

關注重大物理科研工程的教育價值，關注從科學研究形態到科學教育形態的轉化和銜接問題，對于物理學科的學校教育而言，在教育素材選擇、教育資源的理解方面也有更積極親和的因子在里面；對于教育資源建設而言，真實的物理科研情景和真實的物理科研數據的有效利用能夠引導基于主題基于探究過程的物理教學在形式之外有更豐富的內容內涵；對于大眾教育而言，更多的關注我們自己的科研工程，對于培養國家民族文化自信、科學自信其裨益不言而喻，以教育做科普，則科普有源有根，有助于形成學習型社會提升全民科學素養。

3.2 物理科學真實情境和真實數據與探究教學

經過一系列基于課程標準的改革推動，絕大部分老師對于探究教學的教育價值表現出了一定程度的教學認同，老師們愿意也樂意尊重學生在課堂上的主體地位，在維護課堂紀律和營造寬松的小組探究性活動分為之間有做出平衡和努力，但是對于探究內容和探究主題的選擇方面，一線教師通常陷入困惑。

首先，教材所給出的探究案例過于形式化，探究的結果結論和科學過程要么太依賴于物理原理，要么驗證性痕跡太明顯，使得教師和學生的探究熱情大打折扣。如果過于參考過于依賴教材探究案例，則探究過程和探究的目的容易失去其意義和價值，很多時候案例反而變成了一種約束，顯然這并不受教師和學生的歡迎，也有悖于探究其本質。

其次，探究的主題選擇范圍過于狹窄，探究的內容主題過于陳舊，缺乏時代感，很多的探究主題其探究目的、探究過程、探究方法、主要注意事項經過多年的教學、考評，加之學生多元化的信息獲取，使得這些探究性活動的安排缺乏深度廣度，不能夠引起教學雙方的興趣，也使得探究很多時候流于形式。

最后，探究性活動的探究內容和主題缺乏時代性和科學性，用現代化的手段去進行傳統的探究活動，會破壞物理學發展的真實過程。并且探究性活動的主題內容與學生的社會生活所見所聞差距較大，物理的探究性活動與物理科學技術的發展聯系較弱，探究性活動的教學影響力有限，往往被局限于學業成績考察，對于學生和由之延展開的民眾科學素養的提升幫助有限。

針對上述問題，如果從物理科研工程的真實情境和真實數據出發，將物理教學過程和真實的物理科研過程關系緊密起來，使得物理教材不論是在基礎物理的角度還是在現代物理的角度，都能讓學生獲得更為具體生動，更具時代參與感的科學體驗；使得以科學家和工程師的態度、思維、方法、科學過程進行科學分工、提出問題、解決問題、原理應用、吐故納新的過程能依托于素材供應。那么教材中呈現的探究的主題和探究的內容將不再固化于既有的框架，將會在一定程度上跳出物理學發展歷史的制約，依托現代物理科研工程的展開尋求到一個動態的發展的巨大空間，教材編寫和教材的現實指向性都會更加靈活，教材對于教學的指導意義會更加凸顯。

站在探究教學的角度，以科學家和工程師工作的方式學習科學知識，物理真實情境和真實數據的探究教學應用能夠為探究教學提供豐富而且有意思得多的探究主題和教育素材，滿足探究的創生需要，也會切實拉近學生和教師的距離，拉近學生和科學家的距離，拉近科學教育過程和科學素養追求之間的距離。科學探究不再是無源之水，科學教學不再是紙上談兵，教育除了與生活的聯系以外，與科學的聯系更緊密一些，這才是教育之面向未來，面向現代科技社會的素養追求所在。

靜態教材的科學指向對于科學形態和教育形態的表達在基礎教育階段很可能在很多時候更多的是一個價值導向上的指引，著眼于問題和原理的知識取向還是會占有更多的比重。教師主導的創生型教學過程則更容易走到前面，基于物理真實情境和真實數據的教學是科學研究形態走向科學教育形態的另一個重要部分。而建立在問題與原理基礎上的探究教學其科學過程和科學方法的多樣性靈活性都會為指向科學素養追求的物理真實情境和真實數據的教育轉化提供好的窗口。

以2016年LIGO Scientific Collaboration和Virgo Collaboration發布的作為美國國家科學基金會宣告激光波引力波探測(LIGO)首次發現引力波事件的公共材料的一部分名為《Direct Observation of Gravitational Waves—— Educator’s Guide》(引力波的直接觀測——教育工作者指南)[5]的小冊子為例，我們可以管窺這項于2018年獲得諾貝爾物理學獎的科研成果在其研究過程中的教育轉化工作，或許會給我們帶來一些可能有益的參考。

這份指南包含了幾部分背景材料: Gravitational Waves as Signals from the Universe(作為來自宇宙信號的引力波)，Gravity from Newton to Einstein(從牛頓到愛因斯坦時代的引力)，Gravitational Waves(引力波)，The Direct Observation of Gravitational Waves by LIGO(通過LIGO對引力波的直接觀測)，和Black Holes(黑洞)，以及兩項符合美國下一代科學標準NGSS的課堂探究展示活動。每一個背景材料都可以放到物理知識學習的過程中去討論，在不同的層級都可以或多或少的去理解一些相關的物理概念和知識，個人認為是可以放到教材中相應的知識模塊中去的。這里重點介紹一下為課堂探究而準備的兩個活動

活動一，主題：黑洞合并(coalescing black holes)，時長：約30分鐘

本質問題：兩個黑洞旋轉靠近的塌縮過程會發生什么？

活動目的：學生將觀察到軌道頻率隨著兩個物體軌道間距的減小而增加。

科學概念：引力波是宇宙中一些最劇烈的事件——如大質量致密恒星或黑洞的碰撞和合并，在時空中產生的漣漪。這些漣漪以光速穿過宇宙，攜帶著關于它們起源的信息。

當兩個致密物體相互環繞時，它們就會發射引力波。這種纏繞會帶走能量，因此減少了軌道距離，增加了軌道的轉速。產生的波形稱為啁啾(chirp)，因為波的頻率和振幅都在增加。通過將這個波縮放到音頻范圍內的頻率，你可以聽到這種啁啾聲。這里通過演示模擬了如GW150914事件[6](observation of gravitational waves from a binary black hole merger)的黑洞合并啁啾。

通過圖1左側部分給出了GW150914的主要分析結果。圖的中間部分是哈佛的探測器所看到的重力波應變模式的重建。特別要注意的是，正如廣義相對論所預測的那樣，對于兩個合并的黑洞，這種模式(灰色顯示)和(黑色顯示)最佳匹配的計算波形之間令人印象深刻的一致性。頂部顯示了一幅代表該事件所有三個階段的漫畫:當兩個黑洞相互靠近時的激發，黑洞的靠近合并，以及最后新形成的單個黑洞在穩定下來之前的短暫振蕩。

圖1 黑洞合并數據和模擬圖示

探究程序：實驗過程比較簡單，通過繩子懸掛的小球轉動，通過讓重物下墜改變旋轉半徑，調整相互旋轉的半徑來討論周期情況。

問題：

1. 這兩個小球代表地是什么？

2. 沿著弦向下滑動的質量從系統中帶走了能量，這類似于雙黑洞系統中的什么？

活動二，主題：時空彎曲(The Warping of Spacetime)。

在用布料拉平而成的平臺上放置有質量的小球，演示黑洞(質量)如何扭曲時空，進而進一步演示雙黑洞合并對時空的影響，觀察合并過程中對模擬的空間的扭曲痕跡(引力波類比實驗)。這里不再具體展開。

在這個小冊子里還圍繞NGSS標準對不同的學齡段的學習要求和學習建議做了分析。結合“Science and Engineering Practices， Disciplinary Core Ideas， Crosscutting Concepts”三個維度給出了如表1的對照。

表1 課堂活動的NGSS標準對照

從上述的簡要介紹中，我們大致可以看到美國基于物理真實數據的教育轉化情況。其中以下幾點尤其值得注意。

(1) 在物理研究的過程中注重物理研究的教育轉化。在LIGO項目的的幾個官方的網站上(如LIGO的加州理工學院 (Caltech)網站https://www.ligo.caltech.edu/，LIGO科學合作(LIGO Scientific Collaboration (LSC) )網站https://www.ligo.org/)，主頁上都有專門的 “教育資源”(Educational Resources)欄目；在相關的文件管理中心的網站，如https://dcc.ligo.org/cgi-bin/DocDB/DocumentDatabase上，將和科學教育相關的文件和科學研究成果或者觀測數據的文件是并列而置的。

(2) 圍繞科研的教育轉化對于真實數據和真實情境的利用和挖掘比較全面。除了上述展示的兩個活動，還有相關的還有諸多如：Hands-on Gravitational Wave Astronomy: Extraction of Astrophysical Information from Simulated Signals(引力波天文學: 從模擬信號中提取天體物理信息)、LIGO Star Chart(LIGO星圖)、Powers of Two(2的力量，關于線性增長和指數增長的教學活動)、The Scientific Method with a Pendulum研究擺的科學方法、邁克爾遜干涉儀的制作……對于相關的物理原理、交叉學科，實驗工具制作、天文觀測，信息學科，都有所涉及……

(3) 對于不同的教育受眾群體都有所覆蓋，并且和NGSS課程標準相契合。NGSS提出后，基于科學研究的教育資源開發在很多時候對于NGSS有補充和促進作用。NGSS對于教材的指導作用，無論是分主題的還是還科學核心概念的，或者學科交叉的教育指向，都為現代物理科學技術的教育開發提供了接入口。比如說是美國粒子物理和加速器實驗室的實驗室(Fermilab)項目網站，從教育來說，其面向對象包括教育工作者(educator)、學生(students)、訪客(visitor)、本科生(undergraduates)。其資源搜索欄[7]也很好地說明了這個問題，如圖2。

圖2 費米實驗室教育資源搜索

LIGO的項目網站也說 “無論您是K-12教育工作者、家長或感興趣的學生，您都應該瀏覽我們的教育網頁。這里對每個人都有一些有趣的和有教育意義的東西(Whether you’re a K-12 educator, a parent, or an interested student, you should browse our education web pages. There’s something fun and educational here for everyone.)”。

對于物理科技前沿研究的教育轉化，很多時候我們習慣于在一種距離感的思維中，認為前沿物理或者現代物理、科學研究和教育的距離比較遠，好像了解物理科學真實數據只是科學家的事情，或者至少是研究生的事情，而一般的本科生，遑論中學生小學生幼兒園的兒童是無法理解也沒有必要去理解科學家在做什么的。此種想法足以為戒！

(4) 在教育資源開發上，科學家工作團隊會主動參與其中，教師教育系統也會參與其中，教師群體也會參與其中。科學家一方面在做科研，一方面也在做科學教育，除了研究生團隊以外的本科生，中學生都可以參與其中，所以我們會看到很多的科學工作者寫的物理教材，這不僅僅是科普的事情了；教育研究和教師教育研究對于基于科學數據的教育資源開發應該也可以成為一個總要的方面，在學習現代物理知識的過程中去為物理教育做準備，教師教育群體的成員也可以利用并且參與科學數據的教育資源開發。

(5) 在教師專業發展相關的教師教育方面，科學數據也會給教師提供學習機會。無論你是科學教育工作者還是對科學相關教師工作感興趣的行政人員，科研項目中新都會對教師提供教師專業發展服務，旨在加深他們對物理科學概念的理解。因為他們相信，對教師的投資可以顯著提高學生在所有領域的成就和成功的機會，特別是在培養未來的科學家方面。科學研究項目的外展團

隊會根據教師的具體需求提供定制的教師專業發展課程。

4 結語

科學教育是科學研究的基礎，物理教育雖然不必是為了培養科學家和工程師而準備的，但是也至少是應該要有這樣的教育追求的，科學素養價值追求下的科學教育其目標應該是求諸其上的。物理科學真實數據和真實情境可能也有必要即時地向教育轉化，而非特要再等到幾百年后再進入教材進入教學體系。歐美教育先進國家在科學研究真實數據教育轉化方面注意到了科學研究和科學教育的一致性，有好的教育資源更新，所以聚焦于教育理念和教育方式；我們則應該充分利用我們的教育執行力，做好可以科學研究的教育轉化，溝通科學研究和科學教育之間的素養需求，然后再去談物理概念，科學思維，科學探究，科學態度與科學責任。