普通高中物理課程標準中物理學史內容分析及教學策略構建

馮 爽

(北京教育學院物理系，北京 100120)

1 問題的提出

隨著《普通高中物理課程標準(2017年版)2020年修訂》(以下簡稱“課標”)的頒布,高中物理課程目標由三維目標走向了物理學科核心素養,主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面．[1]育人方式和教學目標的轉變需要教學模式也發生相應的變化和革新,一些教師在實踐教學中已做出了探索,例如利用科普名著轉化為教學資源培養學生核心素養等．[2]但大部分教師仍對如何在日常教學中培養學生物理學科核心素養感到束手無策,融入物理學史進行教學正是解決這一問題的有效途徑．

學界對物理學史具有重要的教育價值已達成共識,物理學史正在從教育的邊緣走向中心,已成為當下的研究熱點．杜西爾指出,如果沒有說明科學家是如何發現一個科學理論,學生可能會誤認為知識的成長是一個常態的、線性累積過程．[3]物理學史蘊含了豐富的與物理學科核心素養緊密聯系的教育價值,歷史回顧可使學生從知識建立、概念規律完善修正的發展過程中認識它的必要性、局限性,進而深刻理解科學,[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．仔細研讀 “課標”,我們可以發現,其中很多內容要求條目都與物理學史相關．然而現實教學中大部分教師并沒有清晰準確的認識到“課標”對物理學史要求的用意,忽視了物理學史對于落實物理學科核心素養的重要價值,在實踐層面上更沒有行之有效的教學策略,實踐效果不盡人意．因此,十分有必要對 “課標”中物理學史的內容進行分析并構建教學策略,這對于達成物理學科核心素養目標具有重要的現實意義．

2 普通高中物理課程標準中物理學史內容要求與分析

為使教師縱覽并準確把握“課標”對物理學史的要求與建議,筆者對“課標”中的物理學史內容進行了梳理和分析．

表1 “課標”必修課程中的物理學史內容梳理

續表

表2 “課標”選擇性必修課程中的物理學史內容梳理

表3 “課標”選修課程中的物理學史內容梳理

續表

通過研究我們可以看出:第一,“課標”對物理學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、電磁學、原子物理、熱學、量子力學等諸多概念、規律．可以看出,對于新課程改革倡導的核心素養教育,物理學史不是可有可無的,不是教學中的粉飾花樣,而是“課標”明確要求的,是核心素養教育不可分割的有機組成部分．

第二,“課標”中對物理學史內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系物理學史或者科技史的內容,比如“了解19世紀末物理學的發現對于近代物理學革命的意義”、“ 了解計算機、手機等發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．

第三,“課標”對物理學史的要求不僅體現在教學內容上,還體現在教學方法和策略上．對教學內容上的要求,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象方面的研究成果及其對人類文明的影響．關注與磁相關的現代技術發展．”此類條目側重要求學生了解物理學發展過程中的相關研究成果以及涉及的物理知識．除此之外,還有對教學方法和策略上的要求,如“通過實驗,認識自由落體運動規律．結合物理學史的相關內容,認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用”“知道熱力學第一定律．通過有關史實,了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程,體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義．”等．科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義有很多方式讓學生體會,課標中此條目對實現這一目標的教學過程、方法和策略進行了明確要求,即“通過有關史實,了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發現過程”來讓學生“體會科學探索中的挫折和失敗對科學發現的意義”．因此要全面落實課標要求,就需要通過“史實” “了解……發現過程”來讓學生“體會”,不但學習結果要達到課標要求,教學過程和方法也應符合課標要求．

第四,“課標”對物理學史內容要求的形式和活動環節也非常多樣．不僅有常規的課堂學習,如“通過史實,了解量子概念的建構對人類認識自然的影響．”“通過史實,了解萬有引力定律的發現過程．知道萬有引力定律．認識發現萬有引力定律的重要意義．認識科學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)舉辦與現代物理進展有關的科普論壇,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發展歷史和前景的資料,寫出調查報告”等．可以說無論在課堂中還是課前、課后,物理學史都可以在各個環節、以各種形式融入教學．

3 普通高中物理課程標準中物理學史內容的教學策略構建

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

3.1 在人類文明發展的脈絡中感悟物理觀念

教學時教師不能只盯著一個知識點去教學,應在人類文明發展的脈絡中實現感知認識的過程,使學生通過理解重復發生的事件獨自建構知識,感悟物理觀念．馬修斯認為借助探索科學概念的發展與精致化的過程,可促進學生對科學概念的理解．[5]物理觀念隨著人們對自然認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出來．

例如萬有引力定律只是眾多物理規律中的一個,考試分值并不多,但是它卻使人類對世界的認識觀念發生了革命性的變化,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史的結合,會更好的發揮．“課標”中也進行了相應的要求,如必修2的內容要求:“2.2.4 通過史實,了解萬有引力定律的發現過程．知道萬有引力定律．認識發現萬有引力定律的重要意義．認識科學定律對人類探索未知世界的作用”． 還有一些相關的要求,比如選修1的內容要求:“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現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,體會數學方法對物理學發展以及對人們探索自然奧秘的作用”,以及選修3的內容要求:“3.4.2 初步了解追求相互作用統一的思想和探索在物理學發展中的作用”．

古人對上天非常崇拜,用神靈或者神話來解釋自然現象,認為天和地有本質的區別,不可逾越．隨著文明的發展,古希臘的哲學家以觀察天空進行他們對宇宙的研究,開始探討非神秘性的解釋,如畢達哥拉斯提出萬物皆數、亞里士多德提出天球模型等．[6]他們認為自然是可以被認識和被解釋的,這是一種全新的認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革命,提出了日心說理論,顛覆了傳統宇宙體系,使人們看待世界的方式又一次發生了改變．

科學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者之一,它把行星的運動歸結為力的原因,這種思想具有重要的哲學意義．到18世紀,伽利略和牛頓等科學家的研究已經徹底改變了人類對自然認識的方式,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,從最早時期人們認為天地有“天壤之別”到萬有引力定律實現了天地的統一,對宇宙圖景的描述從神話論轉變為機械觀,在人類文明發展的脈絡中使學生感悟物理觀念,以動態的、開放的和歷史的眼界去看待科學研究．

3.2 在概念規律的革新過程中提升科學思維

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

如“課標”必修1中的內容要求“1.1.1 了解近代實驗科學產生的背景,認識實驗對物理學發展的推動作用．例1 了解伽利略的實驗研究工作,認識伽利略有關實驗的科學思想和方法．”“1.1.4 例6 查閱資料,了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法”等．教師應對物理學回顧和前人研究進行總結, 促進學生對物理學認識方式和研究方法理解與反思,并為學生質疑創新提供思維基礎,進而全面提升學生的科學思維素養．

力與運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象,認為力是維持物體運動的原因．但是伽利略對亞里士多德的觀點提出了質疑,伽利略設計了對接斜面的理想實驗,提出力并不是維持物體運動的原因．笛卡爾從有限的實驗中推導出了大量推論,認為力、質量、動量是原始的觀念．[8]牛頓進一步研究認為“外加力是加在物體上用以改變它靜止或勻速直線運動狀態的一種作用”,表述成了牛頓第一定律．[9]

教學中教師應該引發學生的思考:為什么幾千年來亞里士多德的觀點一直被人們接受,而伽利略卻提出了質疑?這其中蘊含著重要的物理學科思維方法,這正是我們要培養學生的科學思維．亞里士多德研究使用的主要方法是觀察和經驗,這對于當時的年代,已經是人們認識自然的一大進步．而伽利略應用了理想實驗的方法,他將理想實驗與數學的、邏輯的推演相結合進行了研究． “伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標志著物理學的真正開端．”[9]教學時應在概念規律的革新過程中使學生深刻領悟科學思維的各個要素,體會任何人都可以去用這樣的思維方法檢驗或者證明自己和別人的觀點,加深對科學思維的理解和認識．

3.3 在揭示自然奧秘的新問題中理解科學探究

施瓦布認為在科學探究教學中應提倡科學史,作為探究的科學教學的本質是讓學生理解在科學發現過程中,問題是怎樣提出的,如何得到驗證的,最后又是怎樣得出結論的．[10]例如“課標”選擇性必修3中的內容要求:“3.3.1 了解人類探索原子及其結構的歷史．知道原子的核式結構模型．通過對氫原子光譜的分析,了解原子的能級結構．”

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

為了揭示原子結構這一奧秘,科學家進行了一系列探究活動,提出過多種原子結構模型．盧瑟福基于α粒子散射實驗的實驗現象,進行了嚴密的推理思考和實驗探究,并提出了散射公式,盧瑟福的實驗結果和理論預言完全相符．這一系列思考、實驗、解釋、產生理論以及修正的過程可使學生對原子模型的建立過程和研究思路理解的更加透徹,深入體會科學探究素養各個要素的內涵以及科學探究的步驟和方法．隨著研究的不斷深入,人們又發現了新問題:雖然盧瑟福的核式結構模型解釋了α粒子散射實驗,但是卻無法解釋氫原子光譜．基于這樣的新問題,玻爾進行了進一步研究,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生進一步體會科學探究的要素和方法,以及科學探究的特點——不斷基于新問題逐步深入研究,從而有效培養學生的科學探究素養．

3.4 在物理學與人文社會的發展聯系中形成科學態度與責任

培養學生科學態度與責任時教師應將物理學史的進程、發展、特征、趨勢及方法和問題,提升到人文、社會、歷史和哲學的角度讓學生思考,將物理知識與生產生活和社會發展緊密結合,讓學生感受物理學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學業要求中建議:“能根據電磁理論的發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展的影響,體會基礎科學的重大發現在工業革命和社會發展中的作用”,以及選修性必修1中1.3光及其應用中要求“觀看3D電影,查閱資料,了解3D電影的原理”．教學時教師可幫助學生了解人們對光的研究過程．一直以來人們對光現象十分好奇,希望了解光的本性,后來人們認識到光是一種電磁波．隨著進一步深入的研究,人們發現了光的偏振的特性．人們利用光的偏振特性發明了3D電影,使觀眾看電影時有穿越銀幕、身臨其境的感覺．現在3D電影已經完全走向大眾,成為我們生活的一部分．通過歷史的梳理,可以讓學生真實的感受到物理學的知識不是枯燥、孤立的,而是與我們的生活緊密相連的,物理學的發展提高了人們的生活水平,科技對人類生活和社會發展起到了促進作用．

要全面把握和理解物理學,既要知道科學技術的正面成就,還要了解科學技術的局限、盲點和負面影響．融入物理學史進行教學可實現自然和人文的融合,彌補物理教學中人文關懷缺失的現狀．

例如鐳元素認識的初期,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,可使學生反思科學帶來的負面效應,養成嚴謹認真的態度,增強社會責任感．

4 小結

綜上可見,融入物理學史進行教學具有多方面的育人功能,物理學史不僅蘊含著科學知識的形成過程,還蘊含著科學家獨特的思維方式和研究方法,體現著科學態度與責任．教師可參考文中梳理的“課標”對物理學史相關內容的要求及構建的教學策略,在教學時融入物理學史,落實新課程理念,起到事半功倍的效果．

另外,在教師職業發展方面我們也可以得到啟示,教師應有意識的學習物理學史,提高自己的學科教學知識,更好的勝任核心素養教學．在我國《中學教師專業標準》中,學科教學知識屬于教師專業知識這一維度．[12]物理教師學科教學知識要素中的 “主題最核心的內容及其教育價值、內容之間的聯系、實驗的操作和價值挖掘”[13]等方面與物理學史聯系緊密,可通過物理學史的學習得到有效提升．