物理學科核心素養視角下的中國物理學史教學策略探究

段宜君 劉碧蕊

(寧夏師范學院物理與電子信息工程學院 寧夏 固原 756099)

2021年2月，教育部為深入貫徹習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，全面貫徹黨的教育方針，制定了《中華優秀傳統文化進中小學課程教材指南》，以指導中小學課程教材系統、全面落實中國優秀傳統文化教育[1].該指南指出我國古人在認識物質和科技制作等方面的成果對中華民族乃至整個人類的科技文明都具有重大貢獻，在物理教材中應該納入我國古人在探索自然方面積累的知識與成就，幫助學生感悟中華民族獨特的智慧與創造，培養學生的民族自豪感，堅定文化自信[2].指南上所指出的該納入物理課程教材的內容就是我國古代物理學史部分內容，指南上所提及的《墨子》《考工記》等科學典籍，水力磨坊、魯班木工尺等技術發明，不過是我國物理學史內容的冰山一角.

錢三強院士曾說過，“中國物理學史是一塊蘊含著巨大精神財富的寶地.這塊寶地很值得我們去開墾，這些精神財富很值得我們去發掘．如果我們都能重視這塊寶地，把寶貴的精神財富挖掘出來，從中汲取營養，獲得教益，我相信對我國的教育事業和人才培養都會是大有益處的”[3].中國物理學史是一塊值得開墾的，擁有豐富精神財富的寶地，這個寶地應該被好好重視利用起來，發揮它應有的教育教學價值.

目前國內學者對中國物理學史的研究主要包括以下幾個方面:一是對中國物理學史史料的整理，比如文獻[4]對我國女性物理學家吳健雄生平事跡的整理，文獻[5]總結了中華傳統文化中有關物理學以及方法論的知識;二是對中國物理學史的教育功能與價值進行分析，比如文獻[6]探討了一下中國物理學史在中學教學中的教育價值；三是將中國物理學史與物理教學相結合的教學策略，比如文獻[7]從中國古代物理學史、近現代物理學史和物理時事及前沿3個方面對物理新課程中的中國物理學史內容的教學策略進行了初步的探索；四是利用中國物理學史在教學中開展愛國主義教育的策略，比如文獻[8]按照時間順序，列舉史料，分析了中國物理學史的愛國主義教育價值，并從課堂教學和課外教學兩個角度，提出了利用中國物理學史滲透愛國主義教育的教學建議；五是滲透中國物理學史的教學設計，比如文獻[9]在初中物理教學設計中引入中國古人對聲音現象的研究的嘗試.

以上這些研究中，尚未有針對性地用中國物理學史輔助高中物理教學的策略研究，所以文章嘗試從物理學科核心素養的角度對高中物理教材中的中國物理學史的資源進行整理，并從課堂教學和課外探究兩個角度對用中國物理學史來輔助高中物理教學的策略進行探究.

1 中國物理學史在高中物理教學中的價值分析

物理學科核心素養，即物理學科育人價值的集中體現，是學生通過物理學科的學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四部分內容[10].

物理學史是培養學生物理學科核心素養的重要材料，而中國物理學史在此意義上，從中國的歷史背景出發，更能提高學生對物理這門學科的認同感，增加學生的民族自豪感，激發學生對物理的探究興趣，培養學生對科學的喜愛.

1.1 引入古人的發現 促進學生物理觀念的形成

在高中物理課堂中，很少有學生知道中國的古人在歷史長河中憑借著對自然現象的觀察，對自然規律的總結，對這些發現的現象和規律的應用，讓中國的科技發展在很長一段時間都處于世界的領先地位，這絕對稱得上是中國物理學史上輝煌的篇章.這段輝煌應該通過高中物理課堂讓學生知曉.

例如在講到彈性定律的時候，將《考工記》中鄭玄注解時記載的弓的彈性定律與胡克在彈簧上發現的彈性定律作一些方面比較，比如《考工記》中鄭玄注解時記載的彈性定律要比胡克的彈性定律早了近1 500年，通過這樣一個時間對比，大概就能讓學生明白中國的物理曾經有多輝煌，但進行中國物理學史教學的目的，并不是讓學生盲目自信，而是通過中西方物理學發展歷程的對比，引起學生對中國物理學在近現代落后的思考，在用中國物理學史的內容輔助物理觀念形成的過程中，促進引導學生進行思考，在學生心中埋下愛國愛科學的種子.

1.2 利用古人對物理知識的應用營造趣味教學情境 鍛煉學生的科學思維

中國物理學史的古代部分，還有很多充滿趣味和極具物理學思維的故事、技術發明、以及習題等材料可以挖掘，這些材料均是古人對所發現的物理知識的應用，用這些材料來營造有趣的教學情境，讓學生在歡樂的氛圍中積極思考，鍛煉思維的同時，還能了解我國優秀傳統文化，堅定文化自信.

例如在質點與參考系內容中用《呂氏春秋》中刻舟求劍的故事引入，帶著如何才能找到劍的疑問，跟著教師進入新課的學習，在學習過程中，在教師的引導下，給學生用自己所學知識對故事情節進行綜合分析，歸納概括出結果的機會，如果課堂時間不夠，可以將這個找到劍的任務作為課后作業，這個作業想必也比做題有趣，“找劍”的這個過程就是學生將知識應用的過程，也是鍛煉學生科學思維的過程.

1.3 通過古今科學家的事跡掌握科學探究方法 領略科學探究精神

由于近代物理學在西方蓬勃發展，在我國有一段時間的空白，所以現在的物理教材中大多是外國物理學家的理論與實踐，然而我國古今科學家對物理現象的探索也是經歷了反復失敗、不斷改進、獲得突破的過程，在這些探索過程中所蘊含的探究方法、思維品質和科學精神都值得學生好好領略.在物理教學中，應該注意引入我國古今科學家的事跡，避免學生形成“我國古代無物理，近代無物理學家”的錯誤觀念.

例如《墨經》中記載的關于砌墻的“法式”.墨家算是一個手工業團體，對工程問題十分關注，根據《墨經》中的記載，可以了解到墨家這個手工業團體在研究砌墻的問題時所觀察與實踐得出的結論.《經下》：“堆之必拄，說在廢材.”意思大概是說堆放物體的時候，物體必定受到另一個物體的支撐，這是墨家在實踐中觀察得來的結論，后在《經說下》墨家進一步闡述了砌墻的法式，并用實驗的方式對磚石進行了受力分析，來驗證了所說的法式，雖然這種解釋粗糙，但其中蘊含的基于觀察總結得出某種觀點，并加以實驗論證的科學探究方法值得學生去了解、思考與學習.

1.4 利用物理時事及前沿知識培養科學態度與責任感

正所謂少年強則國強，培養具有道德感，具有科學態度與責任感的人才，是物理教育者重要使命所在，而物理時事及前沿知識，便是物理教育者完成這一過程中的一大助手.

例如，人教版必修1教材中第13頁練習與應用欄目里第一題所提到的殲-20隱形戰斗機，結合第四章封面中的殲-20插圖，向學生介紹殲-20的情況或由知道的學生來介紹，以此引出對國防的思考，我們國家向來提倡和平，為什么又從不輕視軍事國防，研發這些戰斗機又到底是好是壞等，結合對這些問題的思考，在傾聽學生回答的過程中，塑造學生形成正確的價值觀，培養學生對祖國、對科學、對世界的責任感.

2 高中物理教材中的中國物理學史的資源整理

表1以高中物理必修1的知識點為例，整理了人教版、粵教版、魯科版、滬科版、教科版5個版本的高中物理教材中所包含的中國物理學史的資源.

表1 高中物理必修1教材中的中國物理學史的資源整理

3 用中國物理學史輔助高中物理教學的策略

物理課堂是可以包含很多元素的，中國物理學史只是其中一個元素，用中國物理學史來輔助高中物理教學，不一定非得整堂課都是中國物理學史這一個元素，可以根據實際教學情況來決定補充和挖掘程度，再選擇合適多樣的活動去設計.用中國物理學史來輔助高中物理教學是一個長期的慢慢滲透的過程，在合適的教學內容中融入中國物理學史，利用物理課堂中的一個個小變化結合課外深度的探究活動，潛移默化，由量變引起質變，最終達到更好的教學效果.

3.1 課堂教學

3.1.1 將信息技術與中國物理學史相結合

學生接觸中國物理學史的媒介主要是教材和教師，教材中的中國物理學史資源有限且零散，就需要教師找出其中聯系并結合教學內容予以補充，教師直接講授中國物理學史未免太過單調，可簡單利用多媒體展示相關圖片和視頻影像資料，對學生進行多感官教學.例如，在講授時間的知識點時,可以用我國古代的一些計時儀器來引入，用圖片或者視頻的形式來展示這些儀器或者儀器的變化過程，由此來介紹我國古代的技術發明，增加課堂趣味性，促進學生對知識的理解.或可結合VR技術，讓學生身臨其境感受中國物理學史的魅力，由此激發對物理學科的興趣.也可設計融入中國物理學史元素的翻轉課堂等.

3.1.2 制作中國物理學史相關的簡易教具

中國古代物理學史中有很多技術發明，彰顯著我國古人的智慧與勤勞，在實際物理教學中，可以結合知識點，篩選簡單的技術發明進行教具制作，引導學生分析教具中隱藏的物理原理，鼓勵學生進行相關創新，激發學生對物理課程和科學的熱愛.例如，講到重力時，可以嘗試制作一個簡易版的重石錘自動發火裝置，向學生普及物理知識在古代軍事上的應用的同時，講解或者與學生一起分析討論重力在這個裝置上的應用原理，營造有趣的教學情境.

3.1.3 將中國物理學史引入習題練習

在整理中國物理學史資源的時候，發現教材中有很多引入了中國物理學史的習題，教師可以利用好這些習題，或者根據自己收集的資料嘗試編寫或者改編相關習題，在習題中引入有關聯的史料，讓題干更精彩，讓學生在鞏固知識和應用知識的同時，了解我國物理學的一些發展，給學生單調枯燥的題海增加一點生機.例如在進行時間與位移知識的鞏固練習時結合我國航天發展.

3.1.4 國外一些物理學史應用方法的參考

國外研究中的一些物理學史在課堂上的應用方法或可給中國物理學史的具體活動設計一些參考.比如說Henke和H?ttecke在文章中所提及的4種方法[11]：一是閱讀、分析和討論原始的歷史研究論文，實驗室日志或者技術性的報告[12～14]；二是講述可以引起概念、方法論或哲學思考的豐富的歷史軼事，短故事或者互動小品[15,16]；三是引導學生進行歷史上的(思維)實驗或者重現歷史上實際做過的實驗過程，以追溯科學方法、科學概念和科學理論的發展[17～21]；四是在跨越多個學科課程內容的課堂里，進行詳細歷史案例研究的內容中，可以綜合運用以上策略[22～25].

3.2 課外探究

3.2.1 組織學生進行角色扮演

中國物理學史上有很多科學家的事跡值得學生知曉，他們的科學探究方法和科學精神與態度值得學生學習，但是歷史中發生的事情，光憑語言描述和書籍閱讀，印象遠不及角色扮演深刻，教師可以在課余時間組織學生進行有關科學家故事的收集、劇本的編寫、演員的選擇等一個表演劇目的活動，讓每個學生都參與在活動中，在整個活動進行的過程中都有所收獲.

3.2.2 融入新的教育理念，設計一些競賽之類的綜合實踐活動

根據相關文獻，了解新的教育理念，在活動中結合教學內容，融入中國物理學史元素.

例如基于STEAM教育理念，開展以制作“潛艇”“火箭”等為主題的小組競賽活動，培養學生在工程問題解決過程中，對科學、技術、工程、藝術以及數學多學科的綜合應用能力.

3.2.3 設立專題研究，深度挖掘中國物理學史的資源

比如說魯科版高中物理必修1當中的題目：“上網查詢相關資料，了解趙州橋及懸空寺等的基本信息、建筑結構、建筑價值等，完成一篇小論文，并與同學交流討論”，就以趙州橋和懸空寺為專題進行深入研究，在研究中學生就能了解到趙州橋和懸空寺中蘊含的物理奧秘.

4 反思與展望

高中物理課堂是少不了中國物理學史這個元素的，學生既需要書中的外國物理學史的內容來打開眼界，也需要中國物理學史的內容來幫助他們更完整更深刻地理解世界.教材中的中國物理學史內容零散且少，所以就需要教師予以補充，并且幫助學生找到內容之間的聯系.在實際教學中積極嘗試用中國物理學史輔助高中物理教學，及時反思，相信融入了中國物理學史元素的教學定會閃耀著不一樣的光彩.