淺談物理學史在培養學生學科核心素養中的作用
——以“庫侖定律”教學為例

王靜琦 徐 瑩

(東北師范大學物理學院物理學國家級實驗教學示范中心,吉林 長春 130024)

學科核心素養在三維教學目標的基礎上進行了凝練與升華,是學科育人價值的集中體現,指向學生的終身發展,成為教育領域一座“新燈塔”.其中物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面.它們相互依存不可分割.這就要求教師在教學中要既要關注理論知識的輸出,也要關注知識形成過程的輸入,追本溯源方能創新.因此在課堂中滲透物理學史,展現物理學的完整面貌,將有助于提升教學過程的高效性.

1 教材分析

庫侖定律選自人教版高中物理必修3第9章第2節,被安排在電荷之后.《普通高中物理課程標準(2017年版)》對該部分內容要求為:“知道點電荷模型.知道兩個點電荷間相互作用的規律,體會探究庫侖定律過程中的科學思想和方法,例如體會庫侖扭秤實驗設計的巧妙之處”.庫侖定律是電磁理論的基本定律之一,也是對電荷之間作用力由定性研究跨越到定量研究的開始.由庫侖定律能夠推導出靜電場方程甚至麥克斯韋方程組,奠定了靜電學理論的基礎.所以庫侖定律的提出是電磁學史上的一次重大轉折,在物理學史上有著舉足輕重的作用.

2 問題的引入

2.1 理論知識欠缺

2.2 知識體系分裂

電磁學是一個完整的理論體系,無論是從知識的聯結還是從思維方法的相互滲透都在科學發現過程中得到充分的體現.傳統的模塊式的學習固然能夠在一定程度上減輕學生的學業負擔,但也會帶來一定的負面影響:學生認為每一個模塊都是孤立存在的.學生的思想得不到足夠的遷移,從而在解決實際問題時思維的靈活性就會降低,自然會阻礙創造性思維的養成.此外教材將庫侖定律的內容安排在定性探究與定量探究之間,有悖歷史的發展進程,不利于邏輯性思維的形成.

2.3 缺乏探究意識

庫侖扭秤實驗和電擺實驗在設計上蘊含著豐富的科學思想,堪稱物理實驗中的經典之作.但是由于扭秤實驗不易操作的特征,一些教師在對庫侖定律內容的講解之后削弱了對該實驗的詳細闡述,對于電擺實驗更是只字未提.學生沒有見過實驗裝置缺乏感性認識,更談不上動手操作,對物理學家的探究過程也是一知半解.久而久之就會喪失探究興趣,難以產生自主探究意識并養成規范的操作習慣.

2.4 忽視人文科學價值

迫于考試的需求與壓力,知識點的熟練掌握與分數的提升成為了傳統教學所追求的目標，從而忽略其中的情感因素,使得學生對科學的認識片面化和理想化.這其中主要包括: ① 學生認為學術研究都是科學家的工作與自己無關,失去社會責任感; ② 由于教師對于物理學上重大發現過程的輕描淡寫,使得學生感覺知識的獲得輕而易舉,難以形成嚴謹的科學態度和持之以恒的精神.

3 物理學史在學生學科核心素養培養中的作用

3.1 物理學史是物理觀念形成的有效途徑

物理學史作為一門研究物理知識、理論和方法發生與發展規律的歷史科學,能夠以一種通俗易懂的方式向人們展示出事物的本質與發展的歷程.使學生對知識的形成,體系的建立有一個清晰的脈絡.如果將知識點類比成磚瓦,那么物理學史則是混凝土.沒有黏土的粘合,磚瓦的堆砌終將不堪一擊.所以在教學過程中滲融入物理學的相關史料,能夠使學生對物理本質有深入的理解,形成對物理知識完整的建構,加深對物理觀念的認知.

3.2 物理學史是開拓思維、增長智慧的間接工具

思維象征著一個人處理事務的方式,面對問題的整體把握.定理有條件而思維無邊界.隨著時間的推移培養出來的科學思維會愈發增強.物理史料記錄了物理學的整個發展歷程,極大地顯化了科學家的思維方式,包括科學家是如何發現問題,建構模型,解決困難并批判性地看待問題.每一次科學史上的重大發現都蘊藏著豐富的教育價值.學生通過了解科學家的思維方式受到啟發,從而在學習過程中得到正向遷移;同樣,他們失敗的原因也會加深學生的印象、引起反思,從而在探究中趨利避害,提升學習過程的有效性.

3.3 物理學史是科學探究情景重現的有利資源

人的大腦有著相同的結構,所以人類的認識便有著相似的過程.將學生置身于科學探究的原始情景,能夠拉近與科學探究的距離.面對相同的時代背景,他們可能會遇到相似的困惑,提出相似的問題.如何去進行整體方案的規劃,以及針對環境的局限性怎樣去突破疑難,學生的好奇心和求知欲在此時就應運而生了.

3.4 物理學史是科學態度與科學精神的充分體現

科學探究是個漫長而艱辛的歷程,科學家們始終秉承嚴謹的態度和實事求是的科學精神.或許現在看來,教材中呈現在我們眼前的僅是一些實驗裝置和實驗數據,然而背后隱藏的是科學家幾十年甚至上百年的努力.他們不畏艱辛勇于創新,對物理探索時刻充滿熱情,開辟了眾多未知領域,形成了一套相對完備的知識系統,為我們留下了寶貴的財富.學生通過史料走進物理學家的生活,近距離地接觸科學家的世界,能夠消除對物理的畏難情緒,激發好奇心和求知欲.同時能夠辯證地看待問題.

4 滲透物理學史的庫侖定律教學設計與分析

表1 教學設計與分析

續表

續表

新課標為物理教學提出了新的要求,如何將核心素養內化為學生的品質成為我們不斷探索的方向,也是每一位教育工作者不斷需要思考的問題.教材所能夠展示的僅是冰山的一部分,教師的任務就是不拘泥表面,努力挖掘出更深層次的內在世界.通過物理學史在課堂中的有效滲透,使學生在認知結構上有清晰的建構,思維上受到適宜的啟迪,探究能力得到充分的訓練,科學態度與責任獲得良好的養成,將知識這潭水搞活,提升核心素養,促進終身發展,還以學生一個完整的物理世界.