基于核心素養導向的物理學發展史教學探究

曾榮華

2017年，隨著《普通高中物理課程標準》的頒布，學科核心素養的提出為物理教學提供了明確的方向，物理學科核心素養受到了許多教育工作者的重視。由于物理學發展史的真實性、完整性，并且蘊含著豐富的人文價值，不僅能夠清晰地呈現物理知識發展脈絡，其背后所蘊涵的哲理則更富啟迪性，具有豐富的育人功能，把物理學發展史滲透到物理教學中，能有效地培養學生的科學態度和責任感。

一、利用物理學發展史來促進教學的背景和對“科學態度和責任感”概念的界定

在國際上，關于“在教材中引入物理學發展史來培養學生的科學素養”的研究最早始于二十世紀的50年代。當初的目的是把學生引入到物理學發展史的具體情境中，引導學生從對物理知識的機械性模仿和記憶中解脫出來。在國內，利用物理學發展史來服務教學的舉措要稍晚一些，到了二十世紀80年代，物理學史的教育功能才引起有關方面的重視。

物理學科核心素養指的是物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任感，這四個要素是密不可分的，它們既相互影響，又相輔相成。物理核心素養中的“科學態度與責任”是指在認識科學本質，理解科學、技術、社會、環境關系的基礎上，逐漸形成的對科學和技術應有的正確態度和責任感，是個體對特定對象所持的穩定心理傾向，主要包含有好奇心、實事求是、追求創新、合作分享等四個方面。社會責任感主要包含科學倫理、社會與環境（STSE ）兩部分，比如社會倫理道德規范、主流價值觀的取向、熱愛自然、保護環境和促進可持續發展的責任感。在初中物理教學中，本人認為科學態度和責任感具體體現為：好奇心、尊重事實、批判性地思考、勇于創新和具有人文情懷等幾個方面。

二、在課堂中滲透物理學發展史培養學生的科學態度和責任感的具體方法和策略

（一）利用物理學發展史創設認知沖突，激發學生的好奇心和探索欲望，培養學生尊重事實的科學態度

人類對物理概念及其規律的認知是經歷了漫長而復雜的過程才形成的，但教材由于其篇幅等客觀條件的限制，對知識點的介紹和推導往往高度概括，對概念及其規律形成的歷史背景的介紹就更顯單薄。然而，物理學發展史上，人們對物理概念和規律的認知過程，在某種程度上也代表了學生對事物的認知規律，兩者具有一定的相似性。因此，我們可以在課堂上適當地滲透物理學發展史，讓學生體驗物理概念和規律的形成過程，體會真實的歷史，加深對物理概念和規律的理解，以此來培養學生尊重事實和批判性思考的科學態度。比如，在現行的粵滬版教材《6.5探究杠桿的平衡條件》中，課本從日常生活的蹺蹺板引入，然后用帶刻度的木尺代替蹺蹺板，用鉤碼代替人，進而抽象出一個杠桿的模型進行探究，得出杠桿平衡的條件。站在認知的角度看，從生活中熟悉的蹺蹺板引入杠桿模型固然容易讓學生接受，具有一定的親切感，但是，從認知心理學上看，這種教學安排顯得過于平淡，缺乏趣味性，無法激起學生的認知沖突，激發學生的學習積極性，不利于學科核心素養的培養。

筆者認為，在本節的教學過程中，我們可以滲透物理學發展史來彌補教材的這一不足。在生活中，學生對利用撬棒可以撬動重物是有一定生活經驗的，所以，我們就順著這種思路，從阿基米德對徐拉古國王“給我一個支點，我能把地球撬起來”這句響徹云霄的名言出發，讓學生在心理上產生了一個巨大的認知沖突：撬棒可以撬起重物，但它真的能撬起地球嗎？穿過了千年的時光，這句豪言卻依然散發著一股不可抵擋的傲氣，馬上點燃了學生的學習熱情。然后，再從撬棒中抽象出杠桿模型，引導學生進行探究，不難得出杠桿的平衡條件。但是，我們的課到這里并沒有結束，我們將帶領學生回過頭來探究阿基米德的那句名言的科學性：假如給阿基米德一個合適的支點，阿基米德是否真的能把地球撬起來？地球的質量為6 x 1024千克，重力大約為6 x 1025牛頓， 假設我們能夠提供一個合適的支點，這個支點距地球1米，阿基米德給杠桿的最大壓力為600牛頓，根據杠桿平衡原理，我們需要給阿基米德提供一根長約1 x 1023米的輕質杠桿，如果把地球撬起1厘米，那么，阿基米德不得不在另一端把杠桿按下10x1021米的距離。假如他以接近聲速的1000千米每小時的速度風馳電掣般地飛行，那他也需要花費大約1011年，這個時間有多長呢？我們先來看看時間長度的極限，那就是宇宙的年齡，大約為137億年，也就是1.37 x 1010年，假如從宇宙誕生的那一刻開始，阿基米德就開始按下那根撬動地球的撬棒，直到現在，他也還沒能讓地球上升哪怕只有1厘米呢！這顯然不現實。

在教學過程中，我們不必拘泥于杠桿趙和移動距離等螂的具體計算，單就這個數量級，就足以給學生留下深刻的印象。這節謝艮好地利用了物理學發展史來激發學生對杠桿平衡條件的學習興趣，經過對撬動地球的計算與探究，學生對規律的理解也必將更為深刻，而且能夠培養學生客觀地面對實驗數據，尊重事實的科學態度。

（二）利用物理學發展史創設情景，培養學生敢于質疑和批判性思考，勇于創新、合作分享的科學態度

建構主義學習理論認為，學習不是由教師簡單地把知識傳遞給學生，而是學生以原有的知識體系為基礎，對新事物進行重新的認識和組合，在學習過程中，學生與外在環境之間發生相互作用，對認知結構進行重組，對科學態度與價值觀的培養同樣如此。物理學發展史是情景創設的重要來源之一，讓學生置身于真實的時代背景中，去建構物理概念和規律，可以有效培養學生敢于質疑的科學精神和批判性思考的科學態度。比如，在學習牛頓第一定律時，現行的粵滬版《7.3探究物體不受力時怎樣運動》教材從“運動是否需要力來維持”這兩種相互矛盾的觀點出發，然后利用理想實驗來得出力是改變物體運動狀態的原因，而不是維持物體運動的原因。站在學生的角度來看，這樣的教學安排并不符合學生認知的實際，因為“力是維持運動狀態的原因”即使是在今天，也具有很大的迷惑性，簡單地用一個實驗來推翻人們根深蒂固的觀念并不容易，在邏輯上跳躍性太大，在內容上則顯得過于單調而枯燥，不符合建構主義理論對新事物的認知特點。因此，本人認為可以在教學過程中創設相關的歷史情景，引導學生置身于真實的歷史背景中，讓學生循著偉人的足跡，重新經歷從亞里士多德、伽利略、笛卡爾到牛頓的心路歷程，不僅對力和運動的關系有了更加全面的認識，也培養了學生對科學知識敢于質疑，而非全盤接受的科學態度，同時，也培養了學生對前人的經驗進行批判性思考的科學態度，這樣的教學安排在邏輯上更順暢，內容上更詳實，情感上更貼近學生的心理，在物理學發展史的背景下，學生從科學家的更迭中受到了熏陶，也培養了學生敢于質疑和批判性思考的科學態度。

又比如，在《電磁感應》一節的教學中，首先，從奧斯特電流的磁效應出發，把學生置身于研究電和磁的歷史場景中，然后拋出問題：既然電能產生磁，那么，磁能否產生電？點燃學生的探索的熱情。然后，提供一些實驗儀器，把學生置身于真實的歷史背景中，引導學生像科學家那樣去思考和探索，得到磁生電的奧秘。培養學生勇于創新的科學精神和堅持不懈的科學態度。最后，組織學生進行小組討論：還能用什么方法讓磁產生電呢？并讓學生嘗試自己組裝發電機模型，讓學生在實驗中體會到動手的樂趣和成就感，培養學生合作分享的科學態度。

（三）凸顯物理學發展史豐富的人文精神，引發學生的情感共鳴，培養學生愛國情懷和社會責任感

在情感態度價值觀上，需要用物理學發展史來激發學生的情感共鳴時滲透物理學發展史，培養學生的科學態度和責任感。物理學發展史不僅具有教學功能，作為物理文化的載體，她更兼備育人功能，利用物理學史能夠培養學生的人文情懷和熱愛祖國等主流價值觀的取向。比如，在講電學知識時，“靜電學三劍客”就能夠為我們提供很好的教育素材：在學習電流時滲透勤奮好學，把奔跑的馬車背板當成黑板來演算的安培;學習電壓時，引入淡薄名利，無私奉獻的伏特;學習歐姆定律時，講述克服千辛萬苦，在逆境中飛揚的歐姆。這些物理學家們的動人故事，能夠很好地豐富學生的精神世界，培養他們吃苦耐勞、堅持不懈、無私奉獻的人文情懷。在學習原子物理和熱機的時候，則可以滲透錢學森、鄧稼先等一大批兩彈一星元勛和老一輩科學家們的動人故事，讓學生感受老一輩科學家們偉大的人格魅力和艱苦奮斗、自力更生的愛國主義精神，這些寶貴的精神財富在今天經濟發達的社會生活中顯得尤為珍貴。而在電磁學部分的學習過程中，則可以滲透近現代電磁學發展史，讓學生體會物理技術對日常生活的巨大影響，在講運動和力的時候，則可以利用我國奮發圖強建設北斗衛星導航系統那曲折而感人的過程，增強學生的民族自豪感和社會責任感，激發他們的愛國情懷，樹立為祖國的繁榮富強而努力學習的志向，提升學習的內驅力。

總之，核心素養是我們教學的指導方向，而物理學科核心素養的四個方面是相互聯系、共同發展的。正如邢紅軍教授說的，如果把核心素養下的物理教學比喻成一棵大樹，那么，科學態度和責任感則是這棵大樹得以茁壯成長的養分和土壤，如果缺少了物理精神的物理教育，這棵樹是斷然無法成長為參天大樹的。楊振寧曾經說過，“要站在問題開始的地方，要面對原始的問題，而不要淹沒在文獻的海洋里……”我們不應該淹沒在題目的海洋中，教科書上呈現的物理知識固然重要，但是，隱藏在背后的知識脈絡則更富有理性的力量和教育意義。我們要讓學生面對原汁原味的物理問題，把學生置身于真實的歷史背景中，引導他們去親歷物理概念的形成討釋以及物理規律的發現過程，讓他們像科學家那樣去思考，在潛移默化中讓學生形成正確的情感態度和價值觀，利用物理學發展史來培養學生的科學態度和責任感具有不可替代的作用。