基于“有效失敗”理論的高中物理學史教學設計及實踐研究

吉 利

上海市魯迅中學，上海 200083

1 研究背景

1.1 情境重現

“上科版”高中物理必修一第四章的學習目標：學生能夠用牛頓運動定律解釋簡單現象、解決實際問題。在牛頓第一定律的教學實踐中，涉及“慣性”這一概念的物理學史：古希臘哲學家亞里士多德認為物體若要繼續運動必須有力的維持；伽利略通過理想斜面實驗提出力不是維持物體運動的原因；笛卡爾完善觀點；牛頓在此基礎上歸納總結出三條運動定律。

學生對于亞里士多德的“失敗”觀點嗤之以鼻，普遍認為他是荒謬可笑的，這源于學生在初中階段已經學習、掌握了牛頓第一定律，且“上教版”物理八年級的課本用“錯誤”、“上教版”高中物理必修一用“提出質疑”對其進行概括。不難發現，在物理教學中往往對“失敗”的物理學家、物理實驗、思想方法進行簡單描述，而對“正確”的內容深入學習。“失敗”的背后蘊藏著物理學家敢于設想、勇于嘗試的科學精神，學生的認識是“失敗”的，教師的課堂設計也不算“成功”。

1.2 研究意義

在課堂教學中，教師更多關注物理觀念的形成過程，為了避免學生的誤解，刻意規避規律研究過程中的“失敗”經驗及理論，用40 分鐘濃縮了幾十年甚至千年的知識形成過程，致使學生產生了物理知識的形成是一蹴而就的觀念，缺少了知識探索的過程，最終停留在淺層的學習中，成為了知識的被動接受者。

《普通高中物理課程標準（2017 年版2020年修訂）》指出：“遵循高中生的認知規律及物理學科特點，設計循序漸進的必修與選擇性必修課程內容。納入物理學的基本學習內容，既關注全體學生的共同基礎，又兼顧部分學生進一步學習的需求。”［1］教師在教學中立足于有效失敗理論，基于高中物理學史中的“失敗”案例，開展“有效失敗”的教學，注重體現物理學科的本質，幫助學生走出物理學史中的“失敗”誤區，培養學生物理學科核心素養。

2 核心概念

2.1 有效失敗理論

2008 年，心理學家馬努·卡普爾（Manu Kapur）提出了“有效失敗”的新概念。他把成功分為有效成功（productive success）和無效成功（unproductive success），失敗分成有效失敗（productive failure）和無效失敗（unproductive failure）。學生在學習過程中表現出困難和掙扎，在短時間內學習結果是失敗的，但從長遠來看這種失敗是有效的。學生通過知識遷移經歷了動腦思考，失敗后的反思、知識的整合、分析修正失敗，獲得了學習結果和行為的共同成功，即為有效失敗［2］。將上述概念延伸后，物理學史中物理學家、哲學家基于生活情境和思考整理總結出的“錯誤”理論，也屬于“有效失敗”的理論范圍。

2.2 物理學史

物理學史不僅要包含歷史資料，還要包含科學家的科學方法、思想和態度［3］。物理學史不但可以激發學生的學習興趣，還能夠提升學生對科學本質的認識，進而樹立正確的價值觀，培養他們的創新精神和能力［4］。

在“上科版”高中物理必修一至必修三中存在大量進行“失敗”實驗或提出“失敗”理論的物理學史案例，如情境重現中亞里士多德對于運動和力關系的歸納總結，托勒密的“地心說”，科拉頓有關電磁感應的實驗等。

3 創新實踐過程

3.1 課程資源的深度挖掘

設計初期，仔細研讀三冊必修教材，深度挖掘“有效失敗”的物理學史教學資源，如物理學家的貢獻，時代背景下提出假設的事實依據，研究過程中的思考與探索，實驗的原始數據等，力求形式多樣化（表1）。

表1 物理學史教學資源整理

續表1

教材中對于上述“失敗”的實驗過程僅用寥寥數語進行了描述，學生能初步了解在物理學探究過程中會經歷失敗，但對于“失敗”中蘊含的價值卻不甚了解。因此，在課程設計初期，對失敗的過程充分延展，將失敗分為“觀察猜想失敗”“實驗操作失敗”“實驗結論失敗”和“失敗中經歷成功”四個類型。

3.2 基于四個“失敗”類型的教學實踐探索

3.2.1 觀察猜想失敗

物理學源于自然哲學，如牛頓所著的《自然哲學的數學原理》，歐美現仍將物理博士學位稱為哲學博士（Doctor of Philosophy），由此可見物理學與哲學的淵源。早期關于自然的認識都建立在“思辨”的基礎上，即觀察、猜想及歸納。這源于當時的時代背景，許多哲學家、思想家成為了物理學科的先行者，提出了許多有事實依據作為支撐的理論。回顧史料不難知曉，亞里士多德早在《物理學》中就提出了物理學的公設，并非是通過簡單的生活例子，而是在嚴謹的理論邏輯之下得出的觀點，他是能夠做到自圓其說的［5］。

基于上述時代背景，提出“思辨”主題，以頭腦風暴的形式展開辯論，如“亞里士多德的理論是否為不切實際”“亞里士多德的四元素說如何解釋當時的生活現象”等，暫且擺脫物理結論源于實驗基礎的束縛，以討論、辯論、解釋的形式感受哲學家們的智慧。

3.2.2 實驗操作失敗

物理是一門實驗科學，高中物理實驗教學包含了演示實驗、學生實驗等類型，通過實際情境的猜想、實驗的設計、數據處理與分析等得到物理規律。上述多種實驗類型往往是給定學生實驗器材，根據教學要求進行實驗探究，借助信息化處理系統、計算器等就可以得到實驗結論。因此，學生在學習過程中了解“實驗操作失敗”的物理學史部分時，往往會覺得他們運氣不佳、錯失良機等。如科拉頓在研究電磁感應現象的過程中，經歷了一次“成功的失敗”，實驗裝置設計得完全正確，如果不將電流計放到另一個房間，那么他將觀測到電流計指針的偏轉現象。物理學規律的發現有時候也伴隨著運氣的成分，因此在對科拉頓表示遺憾的同時，也要關注科拉頓對于實驗的巧妙設計。

因此，我們將“實驗操作失敗”聚焦于“設計”二字，在課堂教學中掌握了電磁場的相關知識后，布置了實驗設計作業，即如何自主搭建物理實驗驗證電磁場現象中某一條規律的準確性，可以是電流周圍存在磁場、感應電流產生的條件、安培力等，該作業為小組合作形式，力求培養學生的創新能力。圖1 為某小組設計的電磁感應秋千，能夠持續擺動的原因之一就是通電導體在磁場中受到了力的作用。

圖1 自制器材

學生在自行設計實驗的過程中，切身體會到了從無到有的難度、知識應用的遷移度、小組成員的合作度、實驗設計的創新度等，深刻地感悟到了物理學家對實驗設計所付出的心血與巧思。

3.2.3 實驗結論失敗

物理學科亦是一門綜合類學科，它包含了數據分析運算、相關結論的精練描述等。在研究過程中，雖然已經進行了正確的實驗操作，但在數據分析上需要扎實的數學功底，在結論描述時需要使用準確的文字語言，否則將與結論失之交臂。我們認為，“實驗結論失敗”并非真正意義上的失敗，而是“不夠完美”。在情境重現中，對于運動和力的關系有多位物理學家進行了探索和總結，而牛頓最終提出了慣性定律。那么，牛頓第一定律究竟“美”在何處呢？

對于該類型我們的解決方案是“賞析”，它包括了英語原文的賞析與中文翻譯的賞析。

物理語言有著精練簡潔之美，中文翻譯又體現了兩種文字轉化間的智慧。牛頓第一定律原文如下：A particle will stay at rest or continue at a constant velocity,unless acted upon by an external unbalanced force。請你嘗試：①用自己的語言翻譯它，并能否進行提煉；②用簡短的文字概括牛頓第一定律；③你認為書本中的翻譯是否簡潔優美，請進行賞析。

3.2.4 失敗中經歷成功

必修三中提及：“經過了近十年的艱苦探索，1831 年，法拉第對此終于有所發現……這種由磁產生電的現象正式定名為電磁感應現象。”雖然法拉第最終取得了成功，但學生對于為何經歷十年得到結論的周期仍存有疑問，不了解法拉第在這十年間付出的努力。查閱《法拉第》一書可以了解到，電與磁的關系是法拉第的心結，當電磁感應現象被發現時，法拉第甚至高興到手舞足蹈，久久不能平息。從這些描寫細節中其實不難發現，對于喜歡做科學研究的法拉第而言，科研的過程是快樂的，而不是枯燥無味的［6］。

我們期望通過重現部分實驗過程的方式，實現管中窺豹，即“實驗經典重現”經歷大師之路。如，卡文迪許扭秤實驗我們采用了原文呈現：

“卡文迪許發表在《倫敦皇家學會哲學學報》的論文對實驗的原始描述：用一根細長的金屬絲，懸掛一根1.8 m 長的木棍，木棍兩端各有一個重為0.73 kg 的小鉛球。兩個重為158 kg 的大鉛球分別放在小球附近約0.23 m 遠。兩球之間產生大約為1.4×10-7N 的引力”[7]。學生能否借助計算器（當時還需要手動運算）尋找這些物理量之間的定量關系？

在必修三教材中已回顧了部分當時物理學家的探究手稿，如庫侖扭秤、密立根油滴實驗。在上述基礎上，我們嘗試將所有相關數據進行呈現，力求還原研究過程，讓學生知道即使物理學家最終取得了成功，也并不是偶然，而是多年心血不斷探索的過程，同時也鼓勵學生對于上述實驗裝置提出改進意見，實現深層次的思考。

4 總結與展望

4.1 基于“有效失敗”理論的高中物理學史實踐策略

從物理學史出發，感受大師們在探索物質世界過程中經歷的“失敗”（表2），以暫時脫離物理實驗的思辨討論、基于物理理論的原創實驗設計、對于物理結論的語言賞析、重現探究過程中從失敗到成功的過程為解決策略，幫助學生正視“失敗”，最終延伸至物理學習探究中的“有效失敗”。

表2 實踐策略

4.2 不足與展望

在課堂設計和實施方面區別于傳統的物理課堂，探索了新的評價方式，較好地體現了“有效失敗”理論，但仍存在一些不足，具體如下：

（1）尚未結合我國當今科技。毫無疑問，無論是“北斗指路”還是“神舟飛天”，我國科學家們都經歷了無數的“有效失敗”，這需要物理教師不斷學習，更新知識，加強對科學·技術·社會·環境關系的認識，更好地培養學生的科學態度與責任。

（2）跨學科間需進一步加強交流合作。教學設計涉及政治、化學、數學、英語等學科，在實踐探索中雖有合作，但其他學科教師并未真正參與，當遇到學科專業問題時，無法當堂解決，降低了教學效率。下階段嘗試多學科教師共同參與，探索跨學科教學的可能性。