學(xué)習(xí)物理學(xué)史 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

楊紅+李成金

摘 要：培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，首先要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。文章用“伽利略關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一節(jié)的教學(xué)為載體，嘗試講述物理學(xué)史對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要性。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；物理學(xué)科素養(yǎng)；物理學(xué)史

隨著素質(zhì)教育的不斷發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)已成為教育研究的重點(diǎn)。核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格與關(guān)鍵能力，它分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與三個(gè)方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新六大素養(yǎng)。在“核心素養(yǎng)體系”的整體框架基礎(chǔ)上，高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)分為四個(gè)維度：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。物理學(xué)是研究物質(zhì)及其行為和運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，是最早形成的自然科學(xué)之一。它內(nèi)容廣泛，研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律；結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，所有的知識(shí)體系、定理規(guī)律都經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家反復(fù)摸索、探究、論證、辨析，因此，物理學(xué)史是物理學(xué)不可分割的重要組成部分。筆者認(rèn)為通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史，了解物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程的背景和科學(xué)軼事，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的物理概念認(rèn)知，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。

高中物理課改教材各章節(jié)都滲透了大量的物理學(xué)史教育內(nèi)容 （“STS”23 篇，“科學(xué)足跡”24 篇，“科學(xué)漫步”28 篇）。但在中學(xué)物理日常教學(xué)過程中，教師往往迫于教學(xué)進(jìn)度的壓力，忽視了物理學(xué)史的地位和作用，讓學(xué)生直接記住物理學(xué)家、物理規(guī)律以及發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的時(shí)間，很少運(yùn)用物理學(xué)史了解發(fā)現(xiàn)過程和背景幫助學(xué)生記憶。以下以自由落體運(yùn)動(dòng)的問題為例，談?wù)劰P者在相關(guān)方面的認(rèn)知。

一、了解物理學(xué)史，增強(qiáng)物理觀念，學(xué)習(xí)科學(xué)態(tài)度

物理是研究物質(zhì)形態(tài)規(guī)律的學(xué)科，不僅包括物理知識(shí)體系，同時(shí)也包含數(shù)學(xué)形式以及物理思維。“自由落體運(yùn)動(dòng)”是人教版高中物理必修一第二章中的內(nèi)容，其中第六節(jié)是伽利略對自由落體運(yùn)動(dòng)的研究。在物理學(xué)的發(fā)展史上，伽利略是一位具有里程碑意義的人物。在伽利略以前，物理學(xué)的發(fā)展是在哲學(xué)體系下進(jìn)行的邏輯推理，缺少科學(xué)的方法，發(fā)展進(jìn)程曲折而緩慢。因此可以安排一課時(shí)向?qū)W生詳細(xì)闡述當(dāng)時(shí)的歷史背景、發(fā)生的歷史事件，讓學(xué)生通過了解科學(xué)家們的事跡，熟悉物理學(xué)史的發(fā)展歷程，體會(huì)科學(xué)家們的人格魅力，增強(qiáng)物理概念，學(xué)習(xí)科學(xué)家們的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。

不少物理教師在本課中忽視了“知識(shí)的相對觀和發(fā)展觀”這一素材，尤其是亞里士多德對物理學(xué)的貢獻(xiàn)。事實(shí)上，亞里士多德時(shí)代對空氣、力等基本的認(rèn)識(shí)還幾乎處于空白，他注意觀察、善于總結(jié)的特點(diǎn)對時(shí)代的科學(xué)進(jìn)步其實(shí)還是有較大的貢獻(xiàn)的。亞里士多德是當(dāng)時(shí)偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家之一，堪稱希臘哲學(xué)的集大成者。他是邏輯推理的創(chuàng)始人，提出了“四因說”：形式因、質(zhì)料因、動(dòng)力因、目的因。他提出的理論是基于當(dāng)時(shí)哲學(xué)體系下的分析，因此亞里士多德認(rèn)為“重物的下落”是由于萬物有天然位置，輕在上，重在下。物體越重，下落得越快；物體越輕，則下落得越慢。這一理論在其后的兩千多年里，都被奉為經(jīng)典。但伽利略則對此提出了質(zhì)疑，據(jù)說伽利略曾當(dāng)眾從比薩斜塔頂端拋下一輕一重兩個(gè)鐵球，結(jié)果兩個(gè)鐵球同時(shí)著地，瞬間推翻了亞里士多德的理論。雖然此說無可查證，但是在《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》一書中，伽利略寫道：“從高200庫比特（1庫比特≈45.7厘米）的塔頂落下的鉛球和烏術(shù)球，著地時(shí)前者不會(huì)比后者超前4英寸”，根據(jù)輕重物體幾乎同時(shí)著地這一事實(shí)，伽利略假定了一種理想狀況，即如果沒有空氣阻力，兩球下落速度相等。

愛因斯坦曾說：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更為重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問題也許只是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技巧問題。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。”在關(guān)于運(yùn)動(dòng)的問題方面，亞里士多德思考的是物體為什么會(huì)運(yùn)動(dòng)，是怎樣運(yùn)動(dòng)起來的；而伽利略思考的是物體怎樣運(yùn)動(dòng)又是怎樣停下來的。學(xué)生們從中會(huì)積極思考領(lǐng)悟這一故事中所體現(xiàn)的物理知識(shí)以及科學(xué)精神，如伽利略是在觀察的基礎(chǔ)上進(jìn)行了思索和實(shí)驗(yàn)論證，從而推翻了亞里士多德的理論；伽利略依靠他首創(chuàng)的科學(xué)方法，積極思考，勇于挑戰(zhàn)權(quán)威，成為第一個(gè)打破“亞氏權(quán)威”的人。

二、創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，鍛煉學(xué)生科學(xué)思維，提高學(xué)生探究能力

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。任何結(jié)論和猜想都必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，否則不成理論。猜想或假說只有通過驗(yàn)證才會(huì)成為理論。所謂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就是任何人在理論條件下去操作都能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它具有任意性，但不是無條件的，實(shí)驗(yàn)是在一定條件下的驗(yàn)證，而與實(shí)際有區(qū)別。伽利略對自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，揭示出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，對經(jīng)典物理學(xué)體系的建立起到了關(guān)鍵性的作用。在教學(xué)過程中，通過重現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)過程，將演示實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，學(xué)生們在體驗(yàn)參與實(shí)驗(yàn)的過程中，能切實(shí)感受到實(shí)驗(yàn)的魅力，了解科學(xué)家們縝密的思維邏輯，掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本步驟，提高科學(xué)探究能力。

教師結(jié)合教材圖2.6-3講述伽利略研究關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)用的原理及方法，通過創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)到伽利略邏輯和實(shí)驗(yàn)的偉大之處。教師提問一：“物體下落快慢到底和質(zhì)量有沒有關(guān)系，讓大小相同、質(zhì)量不同的橡皮和粉筆從同一高度同時(shí)落下，是同時(shí)落地還是先后落地？”學(xué)生根據(jù)歷史史實(shí)以及所學(xué)知識(shí)回答：“同時(shí)落地。”教師做演示實(shí)驗(yàn)證實(shí)物體的下落速度與質(zhì)量無關(guān)。提問二：“物體下落的速度和體積有無關(guān)系？讓質(zhì)量相同體積不同的木塊和鐵塊從同一高度同時(shí)落下，是同時(shí)落地還是先后落地？”學(xué)生回答：“同時(shí)落地。”教師做演示實(shí)驗(yàn)證實(shí)物體下落速度和體積無關(guān)。提問三：“從作業(yè)本中撕下兩張紙，一張平展，一張揉成團(tuán)，這兩張紙從同一高度同時(shí)落下，是同時(shí)落地還是先后落地？”學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，交流討論得出結(jié)論：“先后落地。”教師繼續(xù)引導(dǎo)：“這種現(xiàn)象是什么導(dǎo)致的呢？伽利略的理論難道錯(cuò)了嗎？”學(xué)生們閱讀教材，相互交流思考回答問題：“伽利略開展自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的前提是忽略空氣阻力。”實(shí)驗(yàn)的過程中要突出主要因素，忽略次要因素，抓住事物的本質(zhì)。自由落體運(yùn)動(dòng)主要是重力作用引起的，因此，重力為主要因素，阻力為次要因素可忽略不計(jì)，從而把自由落體運(yùn)動(dòng)理想化為只受重力作用。教師向?qū)W生介紹其他人驗(yàn)證伽利略關(guān)于自由落體實(shí)驗(yàn)的方法，開拓學(xué)生眼界，發(fā)散學(xué)生思維，鍛煉學(xué)生思維能力。比如，提問四：“如何用一張紙和一本書驗(yàn)證？”學(xué)生小組合作進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，交流思考后回答問題：讓書和紙從同一高度同時(shí)落下，發(fā)現(xiàn)書比紙下落得快；將紙放在書上，讓它們在同一高度同時(shí)落下，發(fā)現(xiàn)它們同時(shí)落地；將紙放在書下在同一高度同時(shí)落下，發(fā)現(xiàn)也是同時(shí)落地。因?yàn)榧埛旁跁虾蜁聲r(shí)，所受到的空氣阻力可忽略不計(jì)。

總之，在教學(xué)過程中結(jié)合物理學(xué)史，設(shè)定有助于引發(fā)學(xué)生自主思考的情境，引導(dǎo)學(xué)生在探究中建構(gòu)物理認(rèn)知，切實(shí)體會(huì)物理學(xué)家們實(shí)驗(yàn)的卓越之處，學(xué)習(xí)科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)過程中所使用的獨(dú)特方法、思維邏輯和科學(xué)精神，這些對學(xué)生日后長遠(yuǎn)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)部）