淺論如何在物理教學中融入科學史提升學生核心素養

摘 要：在物理教學中，牛頓第一定律占據了重要的位置。它不僅是經典力學的基礎，更是幫助學生理解物體運動和力的關系的關鍵。然而，單純地傳授這一知識點往往不利于學生深入理解其背后的科學精神和思維方法。而將科學史融入教學，不僅有助于學生更好地理解牛頓第一定律的形成過程，還能有效地提升學生的核心素養，如科學思維、探究能力、合作與交流等。

關鍵詞：科學素養；科學史；質疑

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2024）30-0103-04

為適應社會的發展，中國學生要發展核心素養，以培養“全面發展的人”為核心，科學學科的核心素養主要包括科學觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個要素。怎樣在日常教學中既能把握學科本質特征，又能體現學科育人價值，幫助學生發展科學核心素養，這是一個值得我們深思的問題。而科學史是科學產生、形成和發展及其演變的規律的反映，科學史是由很多科學人物創造的，因此在課堂中引入科學史和培養學生的科學核心素養上天然是可以統一的。

一、 研讀教材，找尋科學史和科學核心素養之間的契合點

牛頓第一定律主要揭示的是運動和力之間關系。

仔細閱讀教材，翻閱書籍關于科學史上人物介紹如圖1所示，沒有過多介紹當時研究的過程，一時難以發現發展的內核，因此需要我們再研讀教材、找尋資料，從整個牛頓第一定律建立的過程可以發現有四個里程碑人物，即亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓。

科學史上觀點在不斷進步，我們絕不能只是照本宣科地將科學史告訴學生。要培養學生的質疑精神。

本節課所要達成的科學觀念即牛頓第一定律。要讓學生形成這樣的科學觀念不應該是直接強加給學生的，而應該是讓學生通過一定途徑獲得。這就是科學探究過程，本節課運用了“實驗+推理”的方式。因此，在課堂當中要引領學生利用實驗，在實驗和邏輯推理中逐步形成科學觀念。

學習科學知識后，要能利用所學知識解決問題，科學走向生活也就是核心素養中科學態度與責任的范疇。

二、 挖掘科學史，為課堂活動設計找尋策略

認真研究關于運動和力關系的科學史，我們會發現人們的思維認識中出現了幾次重大的飛躍。

第一次飛躍：“從運動需要力來維持”到“力不是維持物體運動的原因”。

亞里士多德很早就提出了“有力作用在物體上，物體會運動，沒有力，物體就會靜止”。這跟生活當中經常看到感受到的推物體，物體就運動，不推物體，物體就靜止等現象非常符合，所以 2000 多年來人們一直非常相信這種說法。但自從伽利略做了“理想斜面”實驗。人們打破了這種思維模式和結論，這也就是觀點為什么從“力是維持物體運動的原因”轉變成了“力不是維持物體運動的原因”的過程，是一次了不起的飛躍。（圖2）

第二次飛躍：從“速度不變”到“勻速直線運動”。

伽利略提出“若物體在運動中不受到力的作用，它的速度將保持不變”。而笛卡兒提出“若物體在運動中不受力，物體將永遠沿原來的方向做勻速運動”。這兩種說法貌似沒什么區別，那么飛躍在哪里呢？仔細研讀《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》這本書，我們會發現伽利略所講的這個“平面”其實是個球面，伽利略認為將物體放在任意空間內的斜面上，物體有重力，所以它將會向地心做加速運動；當沿著斜面向上運動時，將會遠離地心做減速運動。那么如果物體不受任何阻力而做勻速運動時，物體就會既不靠近地心也不遠離地心，而是圍繞地心做圓周運動，即物體做勻速運動的平面為一個球面。而笛卡兒提出的運動的物體不受任何力的作用時，將永遠沿原來的方向做勻速運動確實比伽利略的想法更進一步，是一次大飛躍。

第三次飛躍：形成牛頓第一定律。

教材對牛頓第一定律是這樣描述的：“一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。”相比于笛卡兒的描述，很顯然牛頓建立的體系更加完整。一切物體都遵循這個規律，條件是不受外力作用，結果是靜止的物體保持靜止，而運動的物體將做勻速直線運動。

三、 融合科學核心素養和科學史，實施教學設計

愛因斯坦曾指出：“科學結論幾乎以完美的形式出現在讀者面前，讀者體驗不到探索和發現的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難達到清楚地理解全部情況。”

因此，將科學史引入課堂教學，以科學史為主線，又要建立提升學生科學核心素養的目標，更需要體現學生的主體性，讓學生主動參與到科學課堂當中，發揮學生思維的主觀能動性。課堂當中必須設計學生的活動，以學生的活動帶動課堂的進程、思維的發展。

引入：關于運動和力之間的關系，那么就不得不提到亞里士多德，他是世界古代史上偉大的哲學家、科學家和教育家。他通過多年經驗得到“有力作用在物體上物體就會運動，撤去力的作用，物體就會停止”的結論。即我們熟知的“力是維持物體運動的原因”。你能證明他觀點的合理性嗎？

活動1：舉例說明“力是維持物體運動的原因”正確性。

［設計意圖：通過學生設計類似推桌子活動，推桌子，桌子運動；不用力推，桌子靜止。暴露學生前概念，承認前概念，證明亞里士多德觀點的合理性。］

引語：生活中有沒有一些過程和力是維持物體運動的原因這個觀點相違背的事例？

活動2：讓學生推動書桌上的乒乓球。用力推，乒乓球運動；手離開，乒乓球仍然繼續運動。這時再問學生“有力物體會運動，沒有力物體不能運動”這個觀點還正確嗎？學生自然發現不對了。這個步驟就可以讓學生發現有現象與之前的概念是沖突的，并不是完全正確的概念了。但是僅憑這一個學生實驗并不足以讓學生完全放棄前概念，學生會千方百計來證明自己的前觀點是正確的。因此必須還要在這個實驗基礎上增加實驗，由事實來說話，讓學生承認并會用新觀點。

［設計意圖：學會質疑，不迷信權威，能學會用科學的眼光看待生活中的科學問題。］

問題1：桌子和桌上的乒乓球，假如沒有去推，沒有其他物體給它施加力的作用，它們會不會運動？

生：不會，對靜止的物體，如果沒有別的物體對它們施加力的作用，總保持靜止狀態。

引語：不錯，對靜止的物體，如果沒有別的物體對它們施加力的作用，總保持靜止狀態。那原來運動的物體，如果沒有其他物體給它施加力的作用，它會怎樣？為了研究這個問題，我們可以引入實驗。而沒有受外力這個條件，在現實生活中是沒辦法實現的。為了研究這個問題，400多年前，意大利科學家伽利略通過思考，想到了先用實驗探究不同阻力對物體運動的影響，然后再推測物體不受力作用時將做什么運動。請你在課堂中完成合理設計并進行實驗。

活動3：設計并實驗，阻力對小車活動的影響

［設計意圖：學生通過設計阻力對小車活動的影響，認識到控制變量法在科學實驗中的作用。經過實驗再推理得到結論，體會科學研究嚴謹的態度。］

為幫助學生更好地理解實驗的設計，可以追加以下問題鏈：

①實驗的研究對象是什么？研究什么問題？

②如何改變阻力的大小？

③小車速度的快慢看什么？

④為了比較小車在不同材料的水平面上繼續運動的距離，還要控制什么因素？

⑤如果給你一個斜面，你如何確保小車在不同材料的水平面上具有相同的初速度？

在此問題的基礎上學生設計表格然后進行研究。（表1）

學生通過實驗讓小車從斜面的同一位置靜止滑下，分別讓其在鋪有干濕毛巾的木板、鋪有餐巾紙的木板以及涂了油的木板上運動直到停止，觀察小車在不同平面運動距離。觀察到在鋪有干毛巾的木板上運動距離最近；鋪有餐巾紙的木板上要遠些；而在光滑的木板上運動得最遠。實驗現象很明顯，那么接下來事情應該是對實驗進行提煉和總結可以得到表2的情況。

于是問學生三個平面中小車受到阻力最大的是哪一個，造成小車運動的結果是什么？學生自然能夠說出在鋪有干毛巾的木板上小車受到的阻力最大，從而使小車運動的距離最短；而涂了油的木板上小車受到的阻力最小，運動得最遠。進而推理得出：運動的物體如果不受阻力的作用，它將一直運動下去。說明力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動狀態的原因。

教師引語：從教材的介紹中我們順理成章地認為伽利略的結論“如果物體在運動中不受力的作用，它的速度將保持不變”是在做勻速直線運動了，其實當時伽利略受天體運動的特點所左右，他認為的速度保持不變其實是做圓周運動。而教材中提到笛卡兒明確指出：如果運動物體不受到任何力的作用，它不會向左、右方向偏，將永遠沿原來的方向做勻速直線運動。這很明顯是一次大的飛躍。

最后牛頓提出牛頓第一定律又是一次重大飛躍，我們可以從定律的描述中意識到他的偉大之處。

活動4：要點剖析

牛頓第一定律內容：一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。

“一切物體”指的是宇宙中所有物體都遵循，是自然界中普遍的規律。

“沒有受到外力作用”是定律成立的條件，是一種理想情況。

“總”指的是一直的意思，沒有例外。

“或”指的是只能處于一種狀態，到底處于哪種狀態，由原來的狀態決定，原來運動就保持勻速直線運動狀態，原來靜止就保持靜止狀態。

［設計意圖：通過概念的剖析，發現牛頓定律的偉大之處，也加深了對科學觀念的理解，能幫助學生發展科學核心素養。］

活動5：科學史回頭看

最后，用手猛地推一下書本，同樣出現與推乒乓球一樣的現象，也就是當手離開運動的物體，物體并沒有馬上停止運動，而是要繼續運動，只是桌子受到的阻力較大，滑行的距離較短，而乒乓球受到的阻力較小，滾動的距離較遠。

所以亞里士多德在提到不用力時物體靜止是沒有意識到阻力在起作用。

［設計意圖：肯定科學人物所做的貢獻，也找出科學人物在認識上的不足，而認識是隨著一代代科學人經過積淀不斷完善的，他們就像是跨越 2000 年的團隊，也使學生認識到做科學研究的困難和團隊合作意識的重要性。當然其實也是破除學生自身前概念，這一系列的過程，展示了牛頓第一運動定律得出的過程，也讓學生能夠更好地理解牛頓第一運動定律，從而動搖和否定了之前存在的錯誤概念和思想。］

活動6：推導力和物體運動的關系

思考與討論：如圖甲，小球豎直下落的運動中，為什么速度越來越大？

如圖乙，小球豎直向上拋出的運動中，為什么速度越來越小？

如圖丙，小球沿斜上方向拋出的運動中，為什么運動方向會發生變化？

［設計意圖：通過對力和運動的分析，加深科學觀念——牛頓第一定律的理解，學會運用規律解決實際問題，體現了科學思維。］

四、 收獲與反思

牛頓第一定律這節課設計為以科學史為主線，以任務為驅動，在任務的一個個解決中提升學生科學素養這個核心，它是行之有效的。

（一）展現科學史上概念建構的過程，有助于學生對概念的深刻理解

概念的建構中，如果直白地描述，只是相當于空降在學生的腦海中，建立的聯系是不能持久的，學生會很機械地記憶而難以對概念正確理解和運用。科學史能夠展現概念的建構過程，在慢慢地建構的過程中有助于學生將科學知識和之前的前概念進行比較、分析，從而建構起科學的概念，這就是科學核心素養中的科學觀念，對學生的終身發展有益。

（二）展現科學的發展歷程，有助于科學思維的培養

牛頓第一定律是通過很多科學家的努力，不斷質疑，不斷地實驗驗證和科學推理等過程才逐步建立的。將科學史引入課堂，就像學生也經歷了這些過程，無形當中也培養了學生的科學思維，提升了其科學素養。

（三）展現科學的艱難歷程，有助于科學精神的傳承

科學的發展往往要經過漫長的歷史時期，是一代代科學人物艱苦努力的結果，是一種堅毅的精神在起作用，這一種表率作用也會在學生心中扎根，有助于其人生的發展。

然而，在教學過程中也存在一些問題。部分學生對科學史的興趣不高，對實驗操作的難度也有所顧慮。針對這些問題，筆者嘗試通過多樣化的教學方式和實驗設計來激發學生的學習興趣和積極性。同時，筆者也注意到在教學過程中要注重培養學生的批判性思維和獨立思考能力，避免過度依賴教材和教師的講解。

五、 結論與展望

挖掘科學史對科學教學，對科學核心素養的培養是有其積極意義的。教師可根據教學內容、課程目標以及師生的實際情況，運用一定的教學策略，將科學史融入日常的科學教學中，提高學生的科學核心素養。通過將科學史融入物理教學，有助于學生深入理解牛頓第一定律的本質和背后的科學思想。同時，這種教學方法還能有效提升學生的核心素養，包括科學思維、探究能力、合作與交流等。然而，在教學過程中也需要注意培養學生的興趣和積極性，以及批判性思維和獨立思考能力。

展望未來，我們將繼續探索和實踐將科學史融入物理教學的有效方法。我們希望通過不斷優化教學策略和實驗設計，進一步激發學生的學習興趣和探究欲望，培養他們的創新精神和實踐能力。同時，我們也期待通過這種方法培養出更多具有科學素養和創新能力的學生，為科學和社會的發展做出更大的貢獻。

參考文獻：

［1］伽利略.關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話［M］.周煦良，等譯.北京：北京大學出版社，2006.

［2］陳鋒.初中科學概念教學范式的創新研究［M］.上海：上海教育出版社，2017.

［3］中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［4］鄭青岳.鄭青岳教育科學講演錄［M］.杭州：浙江教育出版社，2015.

作者簡介：孫秀娥（1976～），女，漢族，吉林蛟河人，杭州市塘棲中學，研究方向：高中物理教育。