物理學史教學 培養學科核心素養的有力抓手

周智良，田川

摘? ?要：文章以2020年全國高考理綜Ⅱ卷的兩道試題為分析對象，指出將物理學史的教學有機地融合到常規課教學中將會取得積極的效果。文章結合案例，分析在常規教學中教師對融合物理學史教學的疑慮，得出物理學史教學在“科學態度與責任”這一維度上對發展學生核心素養所具有的顯著作用。進而表明，將物理學史融合到常規教學中所能起到的重要作用，以及指出高考試題的命制對中學物理教學中開展物理學史教學所起到的積極的引導作用。

關鍵詞：高考試題;物理學史;核心素養;教學策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0041-4

1? ? 引? ?言

物理學史是研究人類對自然界各種物理現象的認識史，它的基本任務就是描述物理概念、定律、理論和研究方法的脈絡，揭示物理學觀念、方法和內容的發生、發展的原因和規律性。研究學習物理學史，不僅會為物理教學注入新的活力，還有利于激發學生學習物理、攀登科學高峰的積極熱情[1]。

然而，在實際教學中，教師對物理學史教學的認識常常處于模糊的狀態。物理教師們大都認同物理教學中應該適當地融入物理學史的內容，但部分教師覺得物理學史教學對學生學業水平的促進效果并不明確，還有一部分教師認為物理學史的教學會擠占常規教學的時間和空間。

因此，以上困惑亟需得到澄清，而最好的引導其實來自教學評價，其中高考試題在教學評價中又最具代表性，故具有深刻的研究價值。

本文以2020年全國高考理綜Ⅱ卷中兩道物理試題為分析對象，指明高考對物理學史教學的導向功能。

2? ? 對14題的分析

例1 （2020年全國高考理綜Ⅱ卷物理第14題）管道高頻焊機可以對由鋼板卷成的圓管的接縫實施焊接。焊機的原理如圖1所示，圓管通過一個接有高頻交流電源的線圈，線圈所產生的交變磁場使圓管中產生交變電流，電流產生的熱量使接縫處的材料熔化將其焊接。焊接過程中所利用的電磁學規律的發現者為（? ? ?）

A.庫侖 B.霍爾 C.洛倫茲 ? ? D.法拉第

2.1? ? 對命題立意的解讀

本題涉及的知識是電磁感應中的渦流的應用，結合考查電磁感應規律所涉及的物理學史。凸顯了“科學態度與責任”中的理解科學·技術·社會·環境的關系（STSE理念），有利于引導師生多關注生產生活中涉及到的物理學原理。題目中的表述本來還涉及電流流過導體使導體發熱（即焦耳定律），為此命題者沒有設置“焦耳”這一選項。交變磁場產生感應電場（由麥克斯韋提出），為此命題者也沒有設置“麥克斯韋”這一選項，從中可以看出命題者倡導的“命題光明正大的考，學生光明正大的選”的評價理念。

2.2? ? 給教學帶來的啟示

（1）將物理學家的事跡、精神融入教學

題目中涉及的霍爾和洛倫茲，學生對他們的認識基本停留在“霍爾效應”和“洛倫茲力”。雖然不了解霍爾和洛倫茲不影響學生選出正確答案，但是這道高考題啟示教師們在教學中應養成介紹科學家的習慣。比如，講到霍爾效應的時候，就簡要介紹一下霍爾;講到自感系數的單位是亨利時，就介紹一下亨利。久而久之，學生對科學家的認識就會進一步清晰，進一步加深。還可以鼓勵學生在寒、暑假閱讀科學家的傳記，這不僅有利于普及物理科學，增進學生對物理學科的學習興趣，還可以通過詳盡的科學家事跡感染、熏陶學生，用科學家精神培育學生。

（2）學科史內容可以促進學生閱讀課本

高考的命題“源于課本，但又高于課本”，回歸課本的目的就是要去尋找這個“源頭”。課本是學生系統地獲取學科知識的主要來源，是遵循學科知識體系和受眾的認知規律編寫的，是課程標準的進一步細化，是一個體系。每個片段的設計都有著固有的意義，是集合眾多的課程建設專家團隊以及一線教師的反饋意見反復修訂編寫的，是集體智慧的成果，是任何的教輔都不可以代替的。在教學中，教師和學生應該抓好“課本”這一高考考題的“根”和“源”，從理清科學家關系這一目的出發，回歸教材，系統地閱讀教材是非常必要的。因此，這道高考題的設置對引導學生閱讀教材、引導教師重視教材的使用有非常好的促進作用。題目中的插圖，其實來源于教材上的一幅插圖（圖2）。因此，借助“明晰科學家關系”這一強有力的學習動機，可以有效促使學生去系統地閱讀教材。因此，物理學史的教育是引導教學回歸教材，培養學科素養的有力抓手。

（3）介紹科學家研究成果對人類文明的推動作用

人類社會在發展的過程中越來越重視“科學（Science）”“技術 （Technology）”和“社會（Society）”的關系，許多國家自20世紀后期以來將環境（Environment）融入其中，簡稱為STSE，他們重視STSE教育并將其融入到實際教學中。“STSE理念”也成為我國課程改革的方向。在高中物理課程標準的課程總目標中提出學習終身發展的必備技能，了解這些知識與技能在生活、生產中的應用，關注科學技術的現狀及發展趨勢[2]。在重視科學技能培養的過程中，我們也要重視全體學生的科學素養，其綜合表現是學習科學的興趣、尊重科學的態度、探索科學的行為和創新科學的效果，關注科技的同時也要注重保護環境。

這道高考試題有力地凸顯了STSE理念。因此，啟示我們一線教師在平時的教學中重視STSE教學，主動收集、開發相關的教學素材。將學科知識與技術、社會、環境緊密結合，用物理視角去觀察生活、生產和社會中各類有關的物理問題，在教育教學中要注重培養學生關心熱點問題，運用學過的知識解決生活中的常見問題[3]。

結合教科書給出的渦流加熱的圖片，教師可以將靜態的圖片轉化為動態的素材，網絡上就有相關的渦流加熱的短視頻。通過化靜為動，可以將渦流加熱以更加形象的方式呈現給學生（圖3）。還比如，《輝煌中國》紀錄片中就有逐段焊接高鐵軌道從而消除軌道間隙的影像資料，這些短視頻不僅是STSE理念的傳播與實踐，同時也是潛移默化的愛國主義教育素材，實踐了課程德育。

3? ? 對22題的分析

例2 （2020年全國高考理綜Ⅱ卷物理第22題）一細繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖4所示。一實驗小組用此裝置測量小球B運動的加速度。

令兩小球靜止，細繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0=0.590 m，下降一段距離后的高度h=0.100 m;由h0下降至h所用的時間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為a=? ? ? ?m/s2（保留3位有效數字）。

從實驗室提供的數據得知，小球A、B的質量分別為100.0 g和150.0 g，當地重力加速度大小為g=9.80 m/s2。根據牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小為a′=? ? ? ?m/s2（保留3位有效數字）。可以看出，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產生這一結果的原因：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（言之成理即可）[4]。

3.1? ? 對命題立意的解讀

看到題目，腦海中首先呈現的就是物理學史上的“阿特伍德機”模型。本題考查了牛頓第二定律、能量轉化與守恒定律。還涉及到隔離法、誤差分析、有效數字等學科思維、概念及方法，難度適中。

3.2? ? 給教學帶來的啟示

（1）鼓勵演示實驗的開展

本題的第三空考查學生根據實驗實際測量的數據與理論計算數據之間存在的客觀差異，分析背后存在的原因?？梢赃\用能量轉化與守恒定律，認識到滑輪轉動起來會分走一部分動能、滑輪與軸之間的摩擦會生熱、部分能量在與空氣的摩擦中將會耗散到環境中去等，從而給出合理的答案。

網上公布的參考答案是“滑輪與軸之間有摩擦或滑輪有質量”，回答這兩個答案的學生比想象中要少。閱卷中產生的這個細節，提示教師教學過程中可以做一下物理學史上的阿特伍德機的相關演示實驗。在這個實驗中學生可以直觀地看到滑輪在不停轉動，從而在答題時能快速聯想到轉動的滑輪會分走一部分能量。在兩個鉤碼一升一降的過程中，學生還會聽到滑輪一邊轉動一邊咯吱咯吱地響，由此，學生就很容易理解滑動摩擦發生的地點是在滑輪與軸之間。

以上分析表明，在教學中如果可以把物理學史上一些相關的實驗演示一下，對學生學科素養的培養有著顯著的促進效果。

（2）科學辯證地認識和分析誤差

誤差分析在科學探究中具有重大意義。一來，誤差分析本身可以作為某次實驗結論是否成立的判定依據;二來，找到了誤差的來源，也就明確了改進實驗、減小誤差的方法和方向。

這道題目著重分析了誤差中的系統誤差，開放性的答案設置有利于發展學生的質疑創新能力，從而發展學生的學科素養。

在閱卷的過程中，部分老師認為引起誤差的主要因素是滑輪本身有質量和滑輪與軸的摩擦，而空氣阻力所占的比例應該很小。雖然填“空氣阻力”最終也給了分，但是部分老師認為填空氣阻力的學生可能只是一種定式思維，該生實際上并未明晰這個實驗誤差的實質與主體。

實際上，空氣阻力對實驗的影響是與小球本身的材質有關，如果是木球下落，則空氣阻力的影響顯然就會更大，泡沫球下落，誤差就會更大。因此，為了降低空氣阻力對實驗的影響，阿特伍德機中才使用鋼球。

（3）以物理學史為載體滲透物理觀念

那么，滑輪的轉動究竟會帶來多大的誤差呢？接下來從能量觀念的維度對歷史上的阿特伍德機進行半定量的誤差分析。

從實驗室找來一個常見的演示實驗所用的滑輪，如圖5所示。測得滑輪半徑為2.50 cm，質量為5.2 g，將滑輪近似當成圓盤，則其轉動慣量I=■mr2，轉動動能E=■Iω2。此過程中系統的重力勢能減少量為ΔEp，系統動能的增加量為ΔEk，則根據題目中的信息，可以算出系統重力勢能減少了0.245 J，系統動能增加了0.225 J。末狀態的一瞬間，滑輪的轉動動能為0.00468 J?；嗈D動動能占重力勢能減小量的2.08%。而根據此題前兩空所得的答案算出的百分誤差為6.12%。可以看出滑輪的轉動動能分走的能量帶來的誤差占總誤差的34.0%，可見滑輪的轉動分走的動能的確是該實驗重要的誤差來源。

另一方面，在復習教學中可以在能量轉化與守恒規律的教學中有機地融合兩段史料，讓學生感受守恒思維在歷史上與物理實驗之間有機的互動過程。在物理學史上能量的轉化與守恒定律曾經遭遇過兩次危機。第一次是19世紀末關于放射性的發現，科學家發現放射現象總伴隨著“取之不盡”的能量釋放，起初人們認為是能量守恒定律在微觀領域不適用，后來科學家們引入了核能的概念，從而化解了這場危機。第二次是1920年前后，人們發現在β衰變中，總有一部分能量和動量消失了，這在當時確實令人不解，以致于相當一部分物理學家認為能量和動量的守恒并非普遍成立（至少在β衰變中不成立），甚至波爾當時也這樣認為。而來自奧地利年僅31歲的年輕物理學家泡利則堅信能量守恒，從而大膽地指出或許存在著一種尚不為人所知的且又極其微小的粒子，β衰變中的那小部分的能量和動量或許正是被這種粒子帶走的。兩年后，費米正式將這種極其微小的粒子稱作中微子。就這樣，當初泡利“遵循守恒思想”提出的預言在24年后被有力地證實了。這些史實充分體現了能量守恒定律在實驗探索中的指導作用。

（4）開發校本課程，發展學生科學探究方面的素養

圖6是筆者開展的校本選修課中學生探究阿特伍德機時的場景（圖6中重物上方粘著橡皮泥，用于粗測系統的阻力）學生在積極的探索過程中不僅可以更好地體驗物理學的魅力，更能體驗做中學的樂趣。因此，不妨將物理學史上的一些經典的小實驗開發整合為學生的課外探究小實驗，既培養了學生的學科熱情，又發展了學生的學科素養。

4? ? 結束語

學者江曉原認為，要在人文和自然之間建立一座橋梁，這座橋梁正是科學史，建造這座橋梁是我們這個時代的文化需要[5]。物理學史的相關教學具備的教育功能，可在激發興趣、梳理知識、形成觀念、訓練思維、培育精神等多個方面起到關鍵作用，繼而有助于發展學生的核心素養。

教學評價是教學的重要組成部分，對課程的實施具有很強的診斷、激勵、改進和質量監控等功能，評價的內容、方式、結果等方面都會直接影響課程培養目標的實現。教學評價還具有很強的導向功能，評價指標體系充分體現了教育的性質、目標和程度要求，是教學行動的指南，為教學指明方向，即指明教師教和學生學的目標和應達到程度的方向。高考體現了國家選才要求和高中教育目標的統一，具有很強的代表性，對學科教學具有很強的導向性[6]。

總體而言，2020年高考全國II卷物理試題強調基礎、聯系實際、突出主干，強化核心素養、關鍵能力的考查，充分體現了高考評價體系中“一核四層四翼”的總體要求[7]。就本文分析的兩道高考試題而言，充分說明高考對于物理學史教學的重要性的認可，所發揮的導向功能將會對物理教學產生積極的影響。

一方面高考試題充分落實了課標要求。另一方面，高考試題充分發揮了對一線教學所具有的積極的導向功能，扮演著課標與教學之間的紐帶的角色，有機地實現了課標、高考、教學三方的積極互動。

因此，物理教師應把高考評價體系與課程標準充分融合，落實到日常教學過程中，著力發展學生的核心素養，既成長了學生，也成長了自己。

參考文獻：

[1]楊鵬濤. 淺議物理學史在物理教學中的作用[J].新西部，2014（03）：23-25.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：6.

[3]盧曼，劉娜娜，呂華平.高中物理教學中要重視STSE教育[J].湖南中學物理，2017（10）：17-19.

[4]石峰虎，孫濤. 2020年高考理綜全國卷Ⅱ第22題評析及教學啟示[J].中學物理教學參考，2020，49（09）：54-55.

[5]江曉原.為什么需要科學史——《簡明科學技術史》導論[J].上海交通大學學報（社科版），2000，8（04）：10-16.

[6]周智良. 例說高考試題對落實物理核心素養的教學導向[J].物理教學探討，2019，37（03）：1-6.

[7]梅家燁. 注重聯系實際 發展核心素養 引導物理教學——2020年全國理綜卷Ⅱ物理試題評析[J].高中數理化，2020（13）：65-67.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）