新教材中“科學漫步”欄目的物理文化教育價值與教學建議

鄭 康

（常州市戚墅堰高級中學，江蘇常州 213025）

1 引言

物理學是一門研究自然界物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律的基礎學科.物理學基于觀察和實驗，建構(gòu)物理模型，應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系.物理學作為一門學科，它不僅是一種知識體系，同時也是人類精神文明的碩果，在物理學的建立和發(fā)展過程中，人們積累了豐富的科學研究方法和思維方式，樹立了求真、求善、求美的科學態(tài)度和人文精神，因而物理學也蘊含著豐富的文化品性.物理文化，即歷代物理學家在建立物理學理論過程中，發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和形成的物理概念、物理定律、物理語言符號、物理儀器設備、物理方法、物理思想、科學精神以及價值觀念的總和.這些部分各具特色又相互聯(lián)系，共同組成物理文化的有機整體.

在《普通高中物理課程標準》中，明確提出應“引導學生了解物理學發(fā)展歷程，關注科學技術(shù)的主要成就和發(fā)展趨勢以及物理學對經(jīng)濟、社會發(fā)展的影響；了解物理學的研究方法，認識實驗、物理模型和數(shù)學工具在物理學發(fā)展過程中的作用；養(yǎng)成良好思維習慣、培養(yǎng)科學思維能力；培養(yǎng)學生學習科學的興趣、實事求是的科學態(tài)度和科學精神，結(jié)合物理教學進行辯證唯物主義教育和愛國主義教育.”

在物理教學中提高學生的物理文化素養(yǎng)，要求物理教學不僅要向?qū)W生教授知識，更注重對學生能力的培養(yǎng)、思維品質(zhì)的提高以及科學情感、態(tài)度與價值觀的形成.在人教版高中物理教材中，“科學漫步”欄目蘊含大量的物理文化內(nèi)容，具有豐富的教育價值，對提高學生的物理文化素養(yǎng)具有重要的作用.

2 “科學漫步”內(nèi)容梳理

以人教版高中物理必修1－3，選擇性必修1－3共6本教材中的“科學漫步”欄目為研究對象，通過梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有35節(jié)教學內(nèi)容含有“科學漫步”欄目，主要可以分為以下3大類：物理學史、物理前沿和技術(shù)與生活.其中，物理學史方面主要展現(xiàn)了科學家進行物理實驗和科學研究的過程，介紹了他們在科學研究過程中所體現(xiàn)出的方法和思維；物理前沿方面主要介紹了當前物理學領域較新的研究成果和前沿進展，以開拓學生的視野，激發(fā)學生的學習興趣；技術(shù)與生活方面主要介紹了科學技術(shù)在生活中的應用，加深了科學技術(shù)與生產(chǎn)生活的聯(lián)系.因此，“科學漫步”欄目蘊含豐富的物理文化教育價值，筆者將其總結(jié)為四個方面：知識觀念方面、過程方法方面、科學思維方面和態(tài)度與價值觀方面，并分析每一節(jié)“科學漫步”所屬分類及對應的教育價值.梳理結(jié)果如表1－表6所示.

表1 必修1中“科學漫步”欄目內(nèi)容梳理

表6 選擇性必修3中“科學漫步”欄目內(nèi)容梳理

續(xù)表

表2 必修2中“科學漫步”欄目內(nèi)容梳理

表3 必修3中“科學漫步”欄目內(nèi)容梳理

表4 選擇性必修1中“科學漫步”欄目內(nèi)容梳理

續(xù)表

表5 選擇性必修2中“科學漫步”欄目內(nèi)容梳理

3 “科學漫步”的物理文化教育價值與教學建議

“科學漫步”欄目在物理教學中具有重要的教育價值，歸納起來主要有以下4點，并針對這些教育價值提出相關教學建議.

3.1 拓寬學生的知識面，加深學生對物理概念和規(guī)律的理解

在物理教學中，有些“科學漫步”介紹的內(nèi)容雖略高于考試要求，但又與高中物理知識體系密切相關.學生在學完相關的物理概念和規(guī)律后，是具備一定的理論基礎的，因此，在學生已有的基礎上，教師不妨再推進一步，認真組織好這部分內(nèi)容的教學，將其當成對課堂內(nèi)容的遷移和拓展，這既有助于學生加深對相關內(nèi)容的理解和掌握，又可以開闊學生的視野，拓寬學生的知識面.

3.2 再現(xiàn)物理研究的歷程，讓學生感悟科學研究的過程和方法

“伽利略對自由落體運動的研究”科學漫步中，介紹了伽利略對自由落體運動研究的過程.我們知道，物體做短距離的下落是非常快的，而為了準確測量時間，伽利略巧妙設計出“沖淡重力”的方法，讓小球沿阻力較小的斜面滾下，通過重新測量位移與時間的關系，得到小球沿斜面的運動確實是勻加速直線運動.在此基礎上，伽利略做了合理的外推，如果斜面的傾角逐漸增大并增大到90°，則小球的運動變成自由落體運動，這時小球仍會保持勻加速直線運動的性質(zhì)，因而得到，所有物體下落的加速度都是一樣的.可以看出，在伽利略對自由落體運動的研究中，不僅確立了許多描述運動的基本概念，而且還創(chuàng)造了一套對近代科學發(fā)展極為有益的科學方法，即將實驗探究和邏輯推理（包括數(shù)學演算）相結(jié)合起來，如果將這些研究過程介紹給學生，無疑會對我們學生開展科學探究提供重要的借鑒.

“石墨烯實驗研究背后的故事”科學漫步中，介紹了安德烈對石墨烯的研究過程.在2004年之前，人類對材料的研究已經(jīng)進入納米、甚至原子尺度，人們也對石墨烯的結(jié)構(gòu)有了更清晰的認識，預言了單層石墨可能會有非常好的物理性質(zhì).但如何把石墨不斷磨薄，薄到只有一個原子的厚度，這對很多科學家來說是一個世界性難題，令他們望而卻步.然而安德烈在偶然的機會下，觀察到助手們用透明膠帶去除石墨塊表面的污漬.這時他憑借天才的直覺將粘過的膠帶放到儀器下觀察，發(fā)現(xiàn)遠比助手們打磨好的樣品薄了許多，隨即他便利用透明膠帶反復地粘黏，直到獲得了單層的石墨——石墨烯.通過對石墨烯的開創(chuàng)性研究，從而獲得了2010 年的諾貝爾物理學獎.由此可以看出，解決具有挑戰(zhàn)性的科學問題，除了扎實的理論和精密的儀器外，想象力、對日常生活的細致觀察和靈活運用也尤為重要.

物理研究的過程不是一帆風順的，歷史上許多物理學家在研究的過程中遇到了許多實驗和方法上的困難.在某種程度上，掌握這些研究的方法比掌握知識本身更為重要.如果教師在物理課堂中能夠向?qū)W生再現(xiàn)物理學家構(gòu)思實驗、精巧設計和改進方法的研究過程，則可以讓學生積累更多的方法和經(jīng)驗.學生只有掌握了基本的方法和能力，才能夠獨立自主地開展研究，并進行創(chuàng)造性地發(fā)揮.

3.3 使學生突破傳統(tǒng)觀念的束縛，培養(yǎng)其開放和創(chuàng)新的思維

“人類對行星運動規(guī)律的認識”科學漫步中，古時候歐洲人認為地球是宇宙的中心，地球靜止不動，所有的星體都在圍繞地球運動.這在當時成為了社會的主流看法，而在哥白尼看來，地球中心宇宙觀是非常狹隘和偏執(zhí)的，他突破傳統(tǒng)觀念的束縛，采用更廣闊的視角洞察自然.哥白尼提出，地球是宇宙的一個普通天體，行星和地球繞太陽做勻速圓周運動，只有月球繞地球運行.哥白尼的理論使人們對天體運行的認識向前跨出了一大步，這與他敢于突破固有觀念束縛、采用更廣闊的視角看待問題是分不開的.

“正電子的發(fā)現(xiàn)”科學漫步中，介紹了正電子發(fā)現(xiàn)的過程.1930年，英國物理學家狄拉克從理論上預言了電子的反粒子的存在，這個反粒子就是正電子.1932年，美國物理學家安德森利用放在強磁場中的云室來研究宇宙線粒子，他發(fā)現(xiàn)當宇宙線粒子通過云室內(nèi)的強磁場時，粒子的徑跡與電子的徑跡十分相似，只不過偏轉(zhuǎn)方向相反，由此安德森大膽提出該粒子即為正電子.然而，在這一發(fā)現(xiàn)之前不久，約里奧－居里夫婦也同樣在云室照片中發(fā)現(xiàn)了與電子偏轉(zhuǎn)方向相反的粒子徑跡，但遺憾的是，他們未能深入研究這一現(xiàn)象，就把這一特殊現(xiàn)象放走了.而安德烈能夠突破已有的認知和束縛，大膽地提出該粒子即為正電子.正由于這一發(fā)現(xiàn)，安德烈獲得了1936年的諾貝爾物理學獎.

同樣的一個物理現(xiàn)象，在不同人看來卻會得到不同的結(jié)論.歷史上有一些科學發(fā)現(xiàn)并不是因為運用了高超的實驗技巧、方法和深奧復雜的理論，而恰恰在于研究者本人能夠突破固有觀念的束縛，解放思想，運用更加開放性的思維去分析和判斷.在物理教學中，教師不妨利用“科學漫步”資源展現(xiàn)物理學家對于同一物理現(xiàn)象的不同認知，引導學生分析物理學家成功取得和未能成功取得科學發(fā)現(xiàn)的原因，讓學生意識到突破觀念束縛和開拓新思維的重要性，培養(yǎng)學生開放的、創(chuàng)新的思維.

3.4 激發(fā)學生學習物理的興趣，培養(yǎng)其科學態(tài)度和科學精神

“牛頓的科學生涯”科學漫步中，介紹了牛頓的進行科學研究的方法.一是重視實驗，從歸納入手.這是牛頓科學方法論的基礎.牛頓本人在實驗上具有高度的嚴謹性和嫻熟的技巧，在《自然哲學的數(shù)學原理》一書中他描述了大量的實驗.二是為了歸納成功，需要有清晰的邏輯頭腦.牛頓善于從眾多的事實中挑選出幾個最基本的要素，形成深刻反映事物本質(zhì)的概念，然后以此為基石找出事物之間的各種聯(lián)系并得出結(jié)論.三是應用數(shù)學將事物之間的本質(zhì)聯(lián)系歸納為公式和定律.牛頓的數(shù)學才能幫助他解決了旁人解不開的難題.他把一些基本概念定義為嚴格的物理量，并且創(chuàng)造出新的數(shù)學工具來研究變量間的關系，從而建立了運動三定律和萬有引力定律.此外，牛頓勤奮學習的精神，積極思索、耐心實驗，以及年復一年堅持不懈地集中思考某一問題等優(yōu)秀品質(zhì)，也是他取得偉大成就的內(nèi)在因素.

“天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)”科學漫步中，居里夫人對放射現(xiàn)象進行研究，證實鈾鹽發(fā)出射線的強度只與化合物中鈾的含量有關，與其成正比.后來，居里夫婦對其他元素進行研究，發(fā)現(xiàn)釷也具有放射性.居里夫婦繼續(xù)艱苦的工作，先后發(fā)現(xiàn)了釙、鐳等元素.起初鐳的存在受到懷疑，為了排除這一懷疑，居里夫婦對鐳進行上萬次的提煉，最終從8噸瀝青鈾礦渣中提煉出0.12 克純凈的氯化鐳，向世人證實了鐳的存在.在發(fā)現(xiàn)鐳具有致癌功能后，居里夫婦認為這種濟世救人之物應該屬于全世界，當鐳以昂貴價格出現(xiàn)在市場上時，他們自己卻甘愿過著清貧的生活，一戰(zhàn)期間，居里夫人還將諾貝爾獎金獻給政府，用于戰(zhàn)時動員.可能由于長期受到射線的照射，居里夫人死于白血病.

先輩的科研和生活經(jīng)歷具有豐富的教育意義.在物理課堂上，教師利用“科學漫步”相關內(nèi)容介紹科學家的事跡可以讓學生參與物理現(xiàn)象、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，增強學生對物理學習的興趣，培養(yǎng)學生在科學家科研過程中所體現(xiàn)的堅持真理、實事求是、堅持不懈、踏實嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學精神.而對于一些科學家將自己的一生奉獻給科學事業(yè)和祖國的事跡，可用其對學生進行愛國主義教育，從而激發(fā)學生的愛國熱情，激勵學生樹立強烈的社會責任感.

4 總結(jié)

人教版高中物理教材中的“科學漫步”欄目蘊含大量的物理文化內(nèi)容，具有豐富的教育價值.教師在課堂上運用“科學漫步”欄目滲透物理文化教育有利于提高學生的物理文化素養(yǎng)，能夠加深學生對物理概念和規(guī)律的理解，讓學生感悟科學研究的過程和方法，使學生突破傳統(tǒng)觀念的束縛、培養(yǎng)開放和創(chuàng)新的思維，以及激發(fā)學生學習物理的興趣、培養(yǎng)其科學態(tài)度和科學精神.在高中物理教學中，教師應該充分重視“科學漫步”這一重要的教學資源，根據(jù)不同的教育價值實施教學，發(fā)揮其存在的應有價值.