馮 爽

(北京教育學(xué)院物理系，北京 100120)

1 問題的提出

隨著《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)2020年修訂》(以下簡稱“課標(biāo)”)的頒布,高中物理課程目標(biāo)由三維目標(biāo)走向了物理學(xué)科核心素養(yǎng),主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面．[1]育人方式和教學(xué)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變需要教學(xué)模式也發(fā)生相應(yīng)的變化和革新,一些教師在實(shí)踐教學(xué)中已做出了探索,例如利用科普名著轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)等．[2]但大部分教師仍對如何在日常教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)感到束手無策,融入物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)正是解決這一問題的有效途徑．

學(xué)界對物理學(xué)史具有重要的教育價值已達(dá)成共識,物理學(xué)史正在從教育的邊緣走向中心,已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)．杜西爾指出,如果沒有說明科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)一個科學(xué)理論,學(xué)生可能會誤認(rèn)為知識的成長是一個常態(tài)的、線性累積過程．[3]物理學(xué)史蘊(yùn)含了豐富的與物理學(xué)科核心素養(yǎng)緊密聯(lián)系的教育價值,歷史回顧可使學(xué)生從知識建立、概念規(guī)律完善修正的發(fā)展過程中認(rèn)識它的必要性、局限性,進(jìn)而深刻理解科學(xué),[4]使課程更為完整、更具吸引力．

我國高中新課程改革非常重視物理學(xué)史的育人價值,不但注重知識是什么,也注重知識是怎么來的．仔細(xì)研讀 “課標(biāo)”,我們可以發(fā)現(xiàn),其中很多內(nèi)容要求條目都與物理學(xué)史相關(guān)．然而現(xiàn)實(shí)教學(xué)中大部分教師并沒有清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識到“課標(biāo)”對物理學(xué)史要求的用意,忽視了物理學(xué)史對于落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要價值,在實(shí)踐層面上更沒有行之有效的教學(xué)策略,實(shí)踐效果不盡人意．因此,十分有必要對 “課標(biāo)”中物理學(xué)史的內(nèi)容進(jìn)行分析并構(gòu)建教學(xué)策略,這對于達(dá)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

2 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中物理學(xué)史內(nèi)容要求與分析

為使教師縱覽并準(zhǔn)確把握“課標(biāo)”對物理學(xué)史的要求與建議,筆者對“課標(biāo)”中的物理學(xué)史內(nèi)容進(jìn)行了梳理和分析．

表1 “課標(biāo)”必修課程中的物理學(xué)史內(nèi)容梳理

續(xù)表

表2 “課標(biāo)”選擇性必修課程中的物理學(xué)史內(nèi)容梳理

表3 “課標(biāo)”選修課程中的物理學(xué)史內(nèi)容梳理

續(xù)表

通過研究我們可以看出:第一,“課標(biāo)”對物理學(xué)史的要求涵蓋了高中物理課程的各個部分:必修、選擇性必修和選修課程,涉及到力學(xué)、電磁學(xué)、原子物理、熱學(xué)、量子力學(xué)等諸多概念、規(guī)律．可以看出,對于新課程改革倡導(dǎo)的核心素養(yǎng)教育,物理學(xué)史不是可有可無的,不是教學(xué)中的粉飾花樣,而是“課標(biāo)”明確要求的,是核心素養(yǎng)教育不可分割的有機(jī)組成部分．

第二,“課標(biāo)”中對物理學(xué)史內(nèi)容的要求分為直接和間接．以上表格梳理了最為典型和直接要求的條目,除此之外還有間接聯(lián)系物理學(xué)史或者科技史的內(nèi)容,比如“了解19世紀(jì)末物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)對于近代物理學(xué)革命的意義”、“ 了解計(jì)算機(jī)、手機(jī)等發(fā)展的大致歷程及其對生活的影響”等,由于本文篇幅所限,這些條目未一一呈現(xiàn)．

第三,“課標(biāo)”對物理學(xué)史的要求不僅體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容上,還體現(xiàn)在教學(xué)方法和策略上．對教學(xué)內(nèi)容上的要求,如“了解人類探索高速世界的大致歷程,知道這種探索將不斷深入”“了解我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果及其對人類文明的影響．關(guān)注與磁相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展．”此類條目側(cè)重要求學(xué)生了解物理學(xué)發(fā)展過程中的相關(guān)研究成果以及涉及的物理知識．除此之外,還有對教學(xué)方法和策略上的要求,如“通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識自由落體運(yùn)動規(guī)律．結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容,認(rèn)識物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用”“知道熱力學(xué)第一定律．通過有關(guān)史實(shí),了解熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程,體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義．”等．科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義有很多方式讓學(xué)生體會,課標(biāo)中此條目對實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的教學(xué)過程、方法和策略進(jìn)行了明確要求,即“通過有關(guān)史實(shí),了解熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程”來讓學(xué)生“體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義”．因此要全面落實(shí)課標(biāo)要求,就需要通過“史實(shí)” “了解……發(fā)現(xiàn)過程”來讓學(xué)生“體會”,不但學(xué)習(xí)結(jié)果要達(dá)到課標(biāo)要求,教學(xué)過程和方法也應(yīng)符合課標(biāo)要求．

第四,“課標(biāo)”對物理學(xué)史內(nèi)容要求的形式和活動環(huán)節(jié)也非常多樣．不僅有常規(guī)的課堂學(xué)習(xí),如“通過史實(shí),了解量子概念的建構(gòu)對人類認(rèn)識自然的影響．”“通過史實(shí),了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程．知道萬有引力定律．認(rèn)識發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義．認(rèn)識科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用”等;還有論壇、查閱資料、閱讀著作、簡報等,如“活動建議(2)舉辦與現(xiàn)代物理進(jìn)展有關(guān)的科普論壇,通過班會或墻報交流．”“活動建議(4)收集我國和世界航天事業(yè)發(fā)展歷史和前景的資料,寫出調(diào)查報告”等．可以說無論在課堂中還是課前、課后,物理學(xué)史都可以在各個環(huán)節(jié)、以各種形式融入教學(xué)．

3 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中物理學(xué)史內(nèi)容的教學(xué)策略構(gòu)建

融入物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)是實(shí)現(xiàn)“課標(biāo)”理念的重要途徑,然而,遺憾的是在實(shí)踐層面上教師并沒有找到行之有效的教學(xué)策略,出現(xiàn)了很多誤區(qū),例如將物理學(xué)史作為附加內(nèi)容,課堂花樣繁雜,與教學(xué)目標(biāo)脫節(jié);篇幅過多,平鋪直敘,沒有挖掘物理學(xué)史的具體教育價值等．筆者結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個方面,針對“課標(biāo)”中具體條目的要求,舉例說明如何挖掘物理學(xué)史的教育價值形成教學(xué)策略,達(dá)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)．筆者著重分析如何挖掘某段物理學(xué)史所體現(xiàn)最為凸出、聯(lián)系最為緊密的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)價值形成教學(xué)策略作為舉例,并沒有否定涉及到的物理學(xué)科核心素養(yǎng)其他方面的教育價值,且處理方式并不唯一，僅供參考．

3.1 在人類文明發(fā)展的脈絡(luò)中感悟物理觀念

教學(xué)時教師不能只盯著一個知識點(diǎn)去教學(xué),應(yīng)在人類文明發(fā)展的脈絡(luò)中實(shí)現(xiàn)感知認(rèn)識的過程,使學(xué)生通過理解重復(fù)發(fā)生的事件獨(dú)自建構(gòu)知識,感悟物理觀念．馬修斯認(rèn)為借助探索科學(xué)概念的發(fā)展與精致化的過程,可促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念的理解．[5]物理觀念隨著人們對自然認(rèn)識的不斷深入而不斷變化,這種更新變化只有在歷史中才能充分的顯現(xiàn)出來．

例如萬有引力定律只是眾多物理規(guī)律中的一個,考試分值并不多,但是它卻使人類對世界的認(rèn)識觀念發(fā)生了革命性的變化,萬有引力定律具有重要的教育價值,而這一教育價值通過與物理學(xué)史的結(jié)合,會更好的發(fā)揮．“課標(biāo)”中也進(jìn)行了相應(yīng)的要求,如必修2的內(nèi)容要求:“2.2.4 通過史實(shí),了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程．知道萬有引力定律．認(rèn)識發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義．認(rèn)識科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用”． 還有一些相關(guān)的要求,比如選修1的內(nèi)容要求:“1.1.1 了解古希臘的宇宙觀與中國古代的宇宙觀．了解哥白尼日心說對宇宙觀的沖擊．了解開普勒定律對牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要作用” “1.1 活動建議(1)通過了解牛頓建立萬有引力定律的過程,體會數(shù)學(xué)方法對物理學(xué)發(fā)展以及對人們探索自然奧秘的作用”,以及選修3的內(nèi)容要求:“3.4.2 初步了解追求相互作用統(tǒng)一的思想和探索在物理學(xué)發(fā)展中的作用”．

古人對上天非常崇拜,用神靈或者神話來解釋自然現(xiàn)象,認(rèn)為天和地有本質(zhì)的區(qū)別,不可逾越．隨著文明的發(fā)展,古希臘的哲學(xué)家以觀察天空進(jìn)行他們對宇宙的研究,開始探討非神秘性的解釋,如畢達(dá)哥拉斯提出萬物皆數(shù)、亞里士多德提出天球模型等．[6]他們認(rèn)為自然是可以被認(rèn)識和被解釋的,這是一種全新的認(rèn)識自然的觀念和觀察事物的視角．后來,哥白尼、第谷、開普勒等掀起了一場科學(xué)革命,提出了日心說理論,顛覆了傳統(tǒng)宇宙體系,使人們看待世界的方式又一次發(fā)生了改變．

科學(xué)家笛卡爾是試圖從力的角度而不是神靈來解釋宇宙的先驅(qū)者之一,它把行星的運(yùn)動歸結(jié)為力的原因,這種思想具有重要的哲學(xué)意義．到18世紀(jì),伽利略和牛頓等科學(xué)家的研究已經(jīng)徹底改變了人類對自然認(rèn)識的方式,建立了新方法,改變了人類對自身和宇宙的理解．通過歷史的回顧,從最早時期人們認(rèn)為天地有“天壤之別”到萬有引力定律實(shí)現(xiàn)了天地的統(tǒng)一,對宇宙圖景的描述從神話論轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械觀,在人類文明發(fā)展的脈絡(luò)中使學(xué)生感悟物理觀念,以動態(tài)的、開放的和歷史的眼界去看待科學(xué)研究．

3.2 在概念規(guī)律的革新過程中提升科學(xué)思維

諾貝爾獎獲得者湯川秀樹曾說:“當(dāng)回顧理論物理學(xué)的歷史時,我們發(fā)現(xiàn)許多科學(xué)家提出的很多理論大多數(shù)是錯誤的,因而沒有生存下來,只有少數(shù)正確的理論才繼續(xù)生存…但是,沒有少數(shù)成功背后的許多失敗,知識就幾乎不可能有任何的進(jìn)步”[7]概念規(guī)律革新過程中大量的事例能夠生動說明模型建構(gòu)、邏輯推理、解釋論證等科學(xué)思維特質(zhì)．教學(xué)時可結(jié)合概念規(guī)律的革新過程使學(xué)生提升科學(xué)思維．

如“課標(biāo)”必修1中的內(nèi)容要求“1.1.1 了解近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)產(chǎn)生的背景,認(rèn)識實(shí)驗(yàn)對物理學(xué)發(fā)展的推動作用．例1 了解伽利略的實(shí)驗(yàn)研究工作,認(rèn)識伽利略有關(guān)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思想和方法．”“1.1.4 例6 查閱資料,了解亞里士多德關(guān)于力與運(yùn)動的主要觀點(diǎn)和研究方法”等．教師應(yīng)對物理學(xué)回顧和前人研究進(jìn)行總結(jié), 促進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)認(rèn)識方式和研究方法理解與反思,并為學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新提供思維基礎(chǔ),進(jìn)而全面提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)．

力與運(yùn)動是人們長期研究的一個問題．亞里士多德通過觀察身邊的現(xiàn)象,認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動的原因．但是伽利略對亞里士多德的觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑,伽利略設(shè)計(jì)了對接斜面的理想實(shí)驗(yàn),提出力并不是維持物體運(yùn)動的原因．笛卡爾從有限的實(shí)驗(yàn)中推導(dǎo)出了大量推論,認(rèn)為力、質(zhì)量、動量是原始的觀念．[8]牛頓進(jìn)一步研究認(rèn)為“外加力是加在物體上用以改變它靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的一種作用”,表述成了牛頓第一定律．[9]

教學(xué)中教師應(yīng)該引發(fā)學(xué)生的思考:為什么幾千年來亞里士多德的觀點(diǎn)一直被人們接受,而伽利略卻提出了質(zhì)疑?這其中蘊(yùn)含著重要的物理學(xué)科思維方法,這正是我們要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維．亞里士多德研究使用的主要方法是觀察和經(jīng)驗(yàn),這對于當(dāng)時的年代,已經(jīng)是人們認(rèn)識自然的一大進(jìn)步．而伽利略應(yīng)用了理想實(shí)驗(yàn)的方法,他將理想實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)的、邏輯的推演相結(jié)合進(jìn)行了研究． “伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端．”[9]教學(xué)時應(yīng)在概念規(guī)律的革新過程中使學(xué)生深刻領(lǐng)悟科學(xué)思維的各個要素,體會任何人都可以去用這樣的思維方法檢驗(yàn)或者證明自己和別人的觀點(diǎn),加深對科學(xué)思維的理解和認(rèn)識．

3.3 在揭示自然奧秘的新問題中理解科學(xué)探究

施瓦布認(rèn)為在科學(xué)探究教學(xué)中應(yīng)提倡科學(xué)史,作為探究的科學(xué)教學(xué)的本質(zhì)是讓學(xué)生理解在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中,問題是怎樣提出的,如何得到驗(yàn)證的,最后又是怎樣得出結(jié)論的．[10]例如“課標(biāo)”選擇性必修3中的內(nèi)容要求:“3.3.1 了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史．知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型．通過對氫原子光譜的分析,了解原子的能級結(jié)構(gòu)．”

此內(nèi)容圍繞原子核式模型展開,融入物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)可讓學(xué)生感受如何從現(xiàn)象出發(fā)提出問題進(jìn)行科學(xué)探究再到得到理論的整個過程,從而體會科學(xué)探究的步驟和方法．首先教師可介紹當(dāng)時關(guān)于放射性和原子研究的背景,讓學(xué)生思考是什么促使人們想要研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的．長期以來人們一直認(rèn)為原子是構(gòu)成世界的最小單位,基于原子、分子光譜和放射性等事實(shí),人們發(fā)現(xiàn)了新問題,開始猜想原子不是不可分割．科學(xué)家在探索原子結(jié)構(gòu)時,已經(jīng)知道每種元素的原子發(fā)出的光都有自己的特征．光成為探索原子結(jié)構(gòu)的一個突破口,學(xué)生可以體會如何將未知事物與已有知識建立聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)和提出問題,并解決問題．

為了揭示原子結(jié)構(gòu)這一奧秘,科學(xué)家進(jìn)行了一系列探究活動,提出過多種原子結(jié)構(gòu)模型．盧瑟?；讦亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,進(jìn)行了嚴(yán)密的推理思考和實(shí)驗(yàn)探究,并提出了散射公式,盧瑟福的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)言完全相符．這一系列思考、實(shí)驗(yàn)、解釋、產(chǎn)生理論以及修正的過程可使學(xué)生對原子模型的建立過程和研究思路理解的更加透徹,深入體會科學(xué)探究素養(yǎng)各個要素的內(nèi)涵以及科學(xué)探究的步驟和方法．隨著研究的不斷深入,人們又發(fā)現(xiàn)了新問題:雖然盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn),但是卻無法解釋氫原子光譜．基于這樣的新問題,玻爾進(jìn)行了進(jìn)一步研究,提出了玻爾理論．[11]這一曲折的、不斷完善修正的過程可使學(xué)生進(jìn)一步體會科學(xué)探究的要素和方法,以及科學(xué)探究的特點(diǎn)——不斷基于新問題逐步深入研究,從而有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)．

3.4 在物理學(xué)與人文社會的發(fā)展聯(lián)系中形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任時教師應(yīng)將物理學(xué)史的進(jìn)程、發(fā)展、特征、趨勢及方法和問題,提升到人文、社會、歷史和哲學(xué)的角度讓學(xué)生思考,將物理知識與生產(chǎn)生活和社會發(fā)展緊密結(jié)合,讓學(xué)生感受物理學(xué)鮮活的生命力和濃厚的社會性、時代性特征．

例如選擇性必修2學(xué)業(yè)要求中建議:“能根據(jù)電磁理論的發(fā)展過程及其對人類社會影響的歷史,了解科技對人類生活和社會發(fā)展的影響,體會基礎(chǔ)科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)在工業(yè)革命和社會發(fā)展中的作用”,以及選修性必修1中1.3光及其應(yīng)用中要求“觀看3D電影,查閱資料,了解3D電影的原理”．教學(xué)時教師可幫助學(xué)生了解人們對光的研究過程．一直以來人們對光現(xiàn)象十分好奇,希望了解光的本性,后來人們認(rèn)識到光是一種電磁波．隨著進(jìn)一步深入的研究,人們發(fā)現(xiàn)了光的偏振的特性．人們利用光的偏振特性發(fā)明了3D電影,使觀眾看電影時有穿越銀幕、身臨其境的感覺．現(xiàn)在3D電影已經(jīng)完全走向大眾,成為我們生活的一部分．通過歷史的梳理,可以讓學(xué)生真實(shí)的感受到物理學(xué)的知識不是枯燥、孤立的,而是與我們的生活緊密相連的,物理學(xué)的發(fā)展提高了人們的生活水平,科技對人類生活和社會發(fā)展起到了促進(jìn)作用．

要全面把握和理解物理學(xué),既要知道科學(xué)技術(shù)的正面成就,還要了解科學(xué)技術(shù)的局限、盲點(diǎn)和負(fù)面影響．融入物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)可實(shí)現(xiàn)自然和人文的融合,彌補(bǔ)物理教學(xué)中人文關(guān)懷缺失的現(xiàn)狀．

例如鐳元素認(rèn)識的初期,人們并不了解鐳元素放射性的危害．公眾的新奇和商家的吹噓掀起了鐳狂熱,一切商品只有與鐳掛鉤才算是新潮．后來歷史上出現(xiàn)了“鐳女孩”事件,花季少女先后得病,相繼去世,讓人們非常痛惜．[11]回首放射性研究的歷史過程,人類付出了沉重代價,可使學(xué)生反思科學(xué)帶來的負(fù)面效應(yīng),養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度,增強(qiáng)社會責(zé)任感．

4 小結(jié)

綜上可見,融入物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)具有多方面的育人功能,物理學(xué)史不僅蘊(yùn)含著科學(xué)知識的形成過程,還蘊(yùn)含著科學(xué)家獨(dú)特的思維方式和研究方法,體現(xiàn)著科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．教師可參考文中梳理的“課標(biāo)”對物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容的要求及構(gòu)建的教學(xué)策略,在教學(xué)時融入物理學(xué)史,落實(shí)新課程理念,起到事半功倍的效果．

另外,在教師職業(yè)發(fā)展方面我們也可以得到啟示,教師應(yīng)有意識的學(xué)習(xí)物理學(xué)史,提高自己的學(xué)科教學(xué)知識,更好的勝任核心素養(yǎng)教學(xué)．在我國《中學(xué)教師專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中,學(xué)科教學(xué)知識屬于教師專業(yè)知識這一維度．[12]物理教師學(xué)科教學(xué)知識要素中的 “主題最核心的內(nèi)容及其教育價值、內(nèi)容之間的聯(lián)系、實(shí)驗(yàn)的操作和價值挖掘”[13]等方面與物理學(xué)史聯(lián)系緊密,可通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)得到有效提升．