顯化科學本質教育落實物理核心素養

摘 要：以普通高中物理教材“廣義相對論簡介”一節教學為例，系統分析其在實現科學本質教育方面的育人價值，并實踐探索了其實現科學本質教育的顯化做法，這一案例具有體現物理課程的時代性、注重物理教學的邏輯和結構等特點，對開展科學本質教育具有一定的參考意義.

關鍵詞：廣義相對論;育人價值;科學本質教育;教學案例研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0032-04

作者簡介：馬亞鵬（1986-），男，寧夏隆德人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）將科學本質作為“科學態度與責任”的首要要素納入物理學科核心素養之中，使得科學本質教育成為課程目標，并在學業質量水平中提出了具體的要求.如何在物理教學中開展科學本質教育？國際上關于科學本質教育的研究表明，“科學本質需要通過顯性的教（明示教學）才能實現理解[1]”.為此，筆者在教學實踐中以人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理（選修3-4）》[2]中“廣義相對論簡介”一節內容為載體，進行了實踐探索，并取得明顯效果.

1 “廣義相對論簡介”內容在實現科學本質教育方面的育人價值分析

首先，廣義相對論對物質、引力、時間和空間及其關系的劃時代研究中，帶來了時空觀的革命，是學生形成物理觀念的重要的學習內容;其次，廣義相對論中，愛因斯坦提出等效原理時所使用的“思想實驗”也是重要的科學思維方法，對發展科學思維具有不可或缺的價值.愛因斯坦特別強調科學概念的自由創造，正如有學者指出“在愛因斯坦那里，科學的發現已經實現了以推理為工具到以概念為工具的方法論的轉變[3]”;再次，天文觀測的證據很好地驗證了廣義相對論的基本觀點，突出了科學理論的可檢驗性特點，體現科學發展的內在力量，因此這節內容是促進學生理解科學本質的典型范例.如對引力紅移、水星近日點的進動等現象，牛頓引力理論只能部分地解釋，而廣義相對論的預言與觀測結果卻能很好地符合，這也體現了不同科學理論融合時，人們會基于事實證據選擇接受“最優”的理論，這也是現代科學發展的重要“范式”.

“廣義相對論簡介”一節的教學內容，既是高中物理課程時代性的集中體現，也是高中物理教學中開展“高階”科學本質教育的重要載體之一.這一點也與“課標”的要求不謀而合，“課標”中除了有“了解廣義相對論的主要思想、結論和觀測證據”的具體要求外，在學業質量標準對科學本質教育的5級水平中，有3條能夠在廣義相對論教學中得到很好的體現，分別是：“認識到物理學是基于人類有意識的探究而形成的對自然現象的描述與解釋，并需要接受實踐的檢驗（水平2）;認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性工作（水平4）;認識到物理學是人類認識自然的方式之一，是不斷發展的，具有相對持久性和普適性，但同時也存在局限性（水平5）[4].”

2 對“廣義相對論簡介”的教學分析

2.1 教材內容分析

本節教材在狹義相對論的基礎上，分“超越狹義相對論的思考”“廣義相對性原理和等效原理”“廣義相對論的幾個結論”三部分簡要介紹了廣義相對論的思想、結論和觀測證據.具體而言，教材先簡要介紹了狹義相對論未能解決的兩大疑難——慣性參考系為何具有特殊地位和萬有引力理論無法納入狹義相對論的框架.緊接著，提出了廣義相對性原理，運用“思想實驗”詳細介紹了等效原理，即無法區分引力場和慣性系的問題.上述兩條基本原理構成了廣義相對論的基本假設.最后，教材主要介紹了光線彎曲、引力紅移這兩個成功檢驗廣義相對論的觀測證據.鑒于廣義相對論遠離學生學習實際和生活經驗的特點，教材只用通俗的語言簡要講解了上述“普及性”的內容.因而也導致教材編寫略顯單薄，未能舉出“水星軌道近日點進動”等經典案例，特別是教材對廣義相對論中的科學本質觀未能有顯性論述.

2.2 學習者分析

學生在學習廣義相對論前，已系統掌握了經典物理的主干內容，對相對論和量子論等現代物理知識有濃厚的學習興趣，他們急于了解現代物理學的基本思想和主要觀點，但由于現代物理的思想對于經典物理而言是革命性的，并且遠離學生的生活實際，因而學生并不能直接結合已有知識和生活經驗思考相關問題，加之這部分內容難度較大，容易造成學習困難.同時，也有一部分學生通過科普書、科幻電影等途徑了解了廣義相對論的一些觀點和觀測證據，但都不夠系統，且極容易形成錯誤的認識.因此，在教學中清晰地講解廣義相對論的主要觀點和觀測證據，幫助學生初步形成較為科學的認識就顯得尤為重要.

2.3 教學目標的確立依據

將新課標中“了解廣義相對論的主要思想、結論和觀測證據”的要求具體化，按照物理學科核心素養的四個維度陳述具體目標.

2.3.1 物理觀念

知道狹義相對論的兩大疑難，了解廣義相對論的兩條基本假設和主要觀測證據，形成相對論的時空觀念，并運用這些觀念解釋自然現象.

2.3.2 科學思維

了解“等效原理”建立的思想實驗，體會思想實驗在物理學中的作用.

2.3.3 科學探究

能夠根據所提供的天文觀測證據，驗證廣義相對論，形成合理結論.

2.3.4 科學態度與責任

認識到物理學研究是一種對自然現象進行抽象的創造性工作;認識到物理學是不斷發展的，新的理論要能合理解釋已有理論無法解釋的現象，要能預言新的現象;體會可檢驗性是科學研究的一個重要特征;體會科學理論的局限性.

3 “廣義相對論簡介”教學設計

3.1 創設情境，引入新課

運用多媒體課件呈現2019年4月發布的“人類史上首張黑洞照片”（如圖1），指出黑洞是愛因斯坦廣義相對論的重要預言之一，黑洞照片的拍攝又一次驗證了廣義相對論是科學的理論.

評析：以最新的重大科學事件（科技前沿）為例創設情境，激發學生的學習熱情.

3.2 對比分析，指出疑難

（1）對比分析有關慣性參考系的兩種表述：①牛頓第一定律成立的參考系稱之為慣性系;②牛頓第一定律只適用于慣性參考系.

思考后學生發現，在牛頓第一定律和慣性系之間，存在著邏輯循環的問題，這說明牛頓力學和狹義相對論得以成立的基礎——慣性系，存在“無法合理定義”的問題.

（2）萬有引力和電磁力具有相似的特點，但牛頓的萬有引力理論認為引力的傳遞是“超距作用”，而狹義相對論表明真空中的光速是自然界速度的極限.說明萬有引力無法納入狹義相對論的框架.

評析：在對比中，邏輯地得出狹義相對論盡管在時空觀上取得了重大的突破，但仍具有不可調和的矛盾需要解決，客觀上產生了創立新理論的需要.

3.3 思想實驗，形成結論

教師講解廣義相對性原理和等效原理.

3.3.1 廣義相對性原理

愛因斯坦看到了慣性系定義中的疑難，開始對“慣性系的優先地位”產生懷疑，并最終放棄了慣性系的概念，認為“在任何參考系中，物理規律都是相同的”，并將其作為廣義相對論的一條基本假設，稱為廣義相對性原理.

3.3.2 等效原理

由牛頓第二定律可知，做自由落體運動的物體，由于m引 g=m慣a，即a=g.也就是說，mg中的m指引力質量，ma中的m指慣性質量，在實踐中，已有引力質量和慣性質量始終相等的測量證據，在物理學中往往不加區分;另一方面，g指引力場場強，a則為物體在慣性系中運動的加速度.這一點啟發愛因斯坦思考引力場和慣性系是否等效的問題，于是他設計了一個思想實驗.

如圖2，地面上物體的自由下落和飛船加速上升時的運動狀態完全相同，因而無法區分飛船是加速運動還是停泊在某個星球表面.即一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價.

評析：介紹愛因斯坦提出廣義性原理和等效原理的思維過程，尤其是飛船的思想實驗，體會“思想實驗”在提出物理假設時的重要作用.

3.3.3 模擬演示，升華觀念

教師指出愛因斯坦根據上述兩條基本原理，運用數學的方法建構了引力場方程，課件展示該方程，指出所涉及的物理量為張量，更為深入的討論這里就不再詳細介紹了.

愛因斯坦的引力場方程的數學解預言了很多的物理現象，其中一個預言是物質的存在會導致時空彎曲，物體的質量越大，時空彎曲就越厲害.

模擬時空彎曲：邀請4位學生將一塊床單拉平.（1）在床單上放一個乒乓球，乒乓球輕微地壓彎了床單;（2）將乒乓球換成鉛球，床單被壓彎的程度顯著增大（如圖3）;（3）在放有鉛球的床單上，將乒乓球從某一位置由靜止釋放.

根據模擬實驗得出結論：（1）質量越大，時空彎曲得越厲害;（2）引力是時空彎曲的表現.需要說明的是，教師必須告知學生，模擬實驗只是為了直觀感知時空彎曲與引力的本質.

評析：通過模擬實驗，直觀感知時空彎曲，體會時間、空間與物質、運動相互聯系的觀念，進一步理解相對論的時空觀.

3.3.4 出示證據，證實理論

愛因斯坦的廣義相對論對一些重要的天文現象作出了預言，這些預言都經受住了實踐的檢驗.簡要介紹三個證實廣義相對論的觀測證據.

（1）時鐘變慢與引力紅移

預言：時空彎曲的地方，時鐘也會延緩，即可出現引力紅移現象.

證據：太陽表面氫原子光譜的頻率比地球上氫原子光譜的頻率小.

結果：證實了預言結果成立.

（2）水星近日點的進動（如圖4）

牛頓理論預言：水星軌道是一條封閉的橢圓軌道.

天文觀測結果：近日點每百年有5600角秒的進動.

考慮其他天體影響后：還有43角秒無法解釋.

廣義相對論：解釋了每百年43角秒的進動.

（3）引力使光線偏折

預言：光線在引力場中會發生偏折.愛因斯坦通過計算得出，從遙遠的恒星發出的光，經過太陽引力場時，會發生偏折，偏折量為1.75角秒（如圖5），而牛頓理論的預言為0.875角秒，為廣義相對論預言的一半.

證據：1919年5月，發生日全食時，英國物理學家愛丁頓率領兩個觀測隊分別在巴西和西非進行了觀測，通過對拍攝的日食照片的分析與計算，得出光線的偏折量分別為1.61角秒和1.98角秒.

結果：證實了觀測結果與愛因斯坦廣義相對論的預言符合得很好.

評析：通過廣義相對論的三大預言及其與觀測證據的比對，證實廣義相對論的正確性.

3.3.5 回溯小結，理解科學

從廣義相對論的兩條基本原理和三組觀測證據，總結本節課內容，并結合廣義相對論和牛頓力學的對比，同學生一起反思并總結指出，在科學研究中：（1）新理論取代舊理論進而被科學家所接受的條件：①新理論要能解釋已有理論無法解釋的現象;②新理論要能預言新的現象.（2）科學理論的重要特征：科學理論必須具有可檢驗性，觀察和實驗可以“證實”或“證偽”理論，只有具有可檢驗性的理論才能稱得上科學理論，才配得上科學的“桂冠”.（3）從牛頓力學到愛因斯坦的廣義相對論，人類對物理規律的探索不斷深化，也讓我們進一步深刻體悟到牛頓力學的局限性.

由此，我們也有理由相信，有朝一日一定會有更“優”的理論超越廣義相對論，從這個意義上來說，科學的探索永無止境.

評析：通過課堂小結，顯化科學本質觀教育，幫助學生全面、準確地理解科學.

4 反思與啟示

4.1 體現物理課程的時代性

核心素養取向的教育改革立足于對未來人才發展的美好期許，力求“為未來社會培養時代新人”，基于學科核心素養的教學更應凸顯物理課程的育人價值[5]，體現時代發展的新需要.“課標”進一步將“反映當代科學技術發展的重要成果和科學思想”作為重要理念以體現物理課程的時代性.因此，高中物理課程內容不能止步于經典物理學的理論體系，更不能囿于習題演練無法自拔，而是需要為學生進軍現代物理學“打開缺口、留下接口”.本文對“廣義相對論簡介”在實現科學本質教育方面的育人價值所進行的深刻認識和教學實踐，就是為了滿足學生進一步發展的需要，充分彰顯了物理課程的時代性特征.在實際教學中，這些內容不僅不能舍棄，而且應該給予充分利用.

4.2 注重物理教學的邏輯與結構

物理教師對狹義相對論的教學做了較多的探索，而對廣義相對論則較少關注，而現有的一些研究還出現了以“科普視頻”替代教學的現象[6]，這對凸顯“廣義相對論簡介”的育人價值是不利的.本文圍繞物理學科核心素養目標設計并實施教學，從情境創設、提出問題、理論探究、實踐檢驗和理解科學本質等方面逐次展開教學（如圖6），層次清晰，邏輯合理，符合學生的認知規律，構成了完整的教學結構.這種依據課標、教材和學生認知的邏輯充分展開的課堂教學，是某種單純的、介紹性的“科普”所無法替代的.同時，這一案例在不過度增加學生學習負擔的情況下，通過課堂講授和模擬演示的方式，有效地幫助學生理解了廣義相對論的核心思想，突破了教學難點，這也為難度較大的物理知識教學提供了借鑒.

4.3 進行科學本質的顯化教育

在物理教育研究中，科學思維、科學方法、科學情感與價值觀等教育向來存在“顯化”教育與“隱性（滲透）”教育兩種不同的教育觀念.比如在科學方法教育中，長期以來占據主導地位的是“隱性”教育的方式，主要倡導學生在接受物理知識教育的過程中“感悟”科學方法.這種方式近年來受到了質疑，認為“隱性教育方式造成科學方法教育的放任自流，從而影響了科學方法教育的效果[7]”，而顯化教育能彌補這一不足.無獨有偶，正如本文開頭指出的，“科學本質教育需要通過顯性的教（明示教學）才能實現理解”，“廣義相對論簡介”一節的教學采用顯化科學本質的教學策略，結合廣義相對論的具體內容，通過與學生一起討論新的科學理論替代舊理論的條件，科學理論可檢驗的特征以及對牛頓理論和廣義相對論的對比之中，旗幟鮮明地指出牛頓理論的局限性，并提出“科學探索永無止境”的觀點，激發學生投身科學的熱情.從學生課堂的表現來看，經過教師顯性的講解，他們對科學的本質有了較為深刻的認識，顯然這是隱性滲透方式所做不到的.

（致謝：本文寫作過程中曾得到昆明市五華區基礎教育發展研究院趙堅老師的悉心指導，在此深表感謝.）

參考文獻：

[1]黃曉.體現科學本質的科學教學——基于HPS的視角[M].南京：江蘇人民出版社，2014.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]朱雄.物理教育展望[M].上海：華東師范大學出版社，2002.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[5]馬亞鵬，趙堅，楊威虎.弄懂新課程標準 做實物理課教學——《普通高中物理課程標準（2017年版）》的特點分析與實施原則[J].物理教學，2018，40（05）：2-5.

[6]馬亞鵬.高中物理“相對論”教學研究[J].物理教師，2013，34（11）：12-14.

[7]邢紅軍.物理教學論[M].北京：北京大學出版社，2015.

（收稿日期：2021-02-09）