物理學科核心素養中科學精神的體現及其影響

陳佳麗　孫藝峰　董鴻飛　呂立君　張進富

摘 要：核心素養的提出標志著我國對教育頂層設計的重新規劃，對新時代中國特色社會主義創新型人才的培養有著重要的指導作用。物理學科核心素養集中體現了物理學科的育人價值，普通高中物理課程標準對其在物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個維度上進行了說明。本文分別從物理學科核心素養的四個維度對科學精神的體現和影響進行討論，挖掘物理學科核心素養中蘊含的科學精神，以期通過對學生物理學科核心素養的培養來改變我國大多數地區由于長期以來的應試教育帶來的學生科學意識淡薄、科學素養低下等問題，通過理論分析為實踐教學提供指導，從而為我國培養終身學習的創新型人才奠定堅實的基礎。

關鍵詞：物理學科核心素養，科學精神

中圖分類號：G410? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）04-0103-04

1 引言

1.1 核心素養

核心素養的產生與時代的變革和科技的發展都密不可分，隨著社會經濟的發展，教育的內容也在相應的發生變化。在現代社會中，要求培養具有終身學習能力的人，讓學生具有可持續發展的能力，對于成為能夠獨立應對社會迅速發展和變化的人所應該具備的素養將會越來越豐富，例如對語言的掌握、學習能力、掌握的信息、身心健康、實踐能力、科學精神、人文風情等一系列的素養。這些素養是在遺傳的基礎上，通過后天的教育和培養生成的全面、立體的能力，隨著人的發展以一種動態化的方式存在。核心素養是最為基本和關鍵的存在，核心素養在一個人的素養體系中聯通其他素養的關鍵節點[1]。

1.2 物理學科核心素養

物理學科核心素養是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”[2]。而物理學科核心素養的四個方面并不是獨立的，也不是獨立進行的，這四個維度在教學的過程中是相互作用、有機結合和共同發展的，并且都帶有鮮明的物理學科特性。現有學者研究表明，我們在物理教學過程中可以通過學生形成物理觀念的過程來培養學生的科學思維能力和科學探究能力，在這個過程中發展學生對科學本質和STSE（科學·技術·社會·環境）的認知，幫助學生形成科學的情感態度和價值觀。由此我們可以發現，物理核心素養集中體現了物理學科的教育價值，利用物理學科核心素養引領新一輪的課程、教材和教學的改革，這標志著我國物理課程體系的建設進入了一個新的發展階段[3]。

2 物理學科核心素養中科學精神的體現及其影響

2.1 物理觀念中科學精神的體現及其影響

2.1.1 物理觀念中科學精神的體現

以整個人類社會對自然界的認識來說，正是物理觀念不斷變化、不斷發展的過程，也是人們逐漸以科學的、理性的物理學觀念發現問題和解決問題的過程。

（1）哥白尼提出日心說。哥白尼提出的日心說改變了人類對自然和自身的看法。當時羅馬天主教廷認為他的日心說違反《圣經》，但是哥白尼仍堅信日心說，并且經過長年累月的觀察和計算完成他的著作《天體運行論》。

（2）伽利略理想斜面實驗。亞里士多德認為“凡運動的事物必然都有推動者在推著它進行運動”，但是力不可能一個接一個無限地追溯上去，所以他認定必然存在“第一推力”，也就是說他認定存在一種超自然的神力。然而伽利略通過“理想斜面實驗”，認為如果小球和斜面系統的所有接觸面都是光滑的，小球從斜面的某一高度靜止滾下，由于球只受重力，便不會有阻力使其有能量損耗，那么它一定會到達另一斜面的相同高度，另外如果把斜面放平緩，小球同樣會到達另一斜面的相同高度。之后他又對此進行了科學推理，即把另一個斜面放平成水平面，那么小球為了找到相同的高度則會一直保持一種運動狀態，從而永遠地運動下去，進而得出了“力是改變物體運動狀態的原因，而不是維持物體運動的原因”這一科學的結論，如圖1所示。

（3）對于光顏色的認識。對于光顏色的認識，亞里士多德認為白光是最純凈的光，而我們看到的其他顏色的光則是由于某種原因使白光發生了變化，屬于不純凈的光，直到17世紀大家仍對這種結論深信不疑。為了驗證這一觀點，牛頓通過三棱鏡把自然界中的白光分散成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七種色光，從而得到了與亞里士多德相反的觀點，也就是說自然界中的白光其實是由七種顏色的光組成的，如圖2所示。

2.1.2 物理觀念對科學精神的影響

從15世紀中葉到18世紀下半葉，這300年是資本主義生產方式的孕育期，也是以大機器生產為基礎的資本主義大工業的誕生期。新的生產力的基礎來源于以力學為核心的現代實驗科學，而現代實驗科學的興起則是對中世紀神學的模糊性進行長期斗爭的結果。因此，文藝復興最重要的內容之一就是科學精神的再生，其核心目的是展示科學本身的內在精神，即認識世界的辯證唯物主義精神[4]。

這種科學精神的一個重要原則是理性原則，它提倡理性，反對迷信，包括對上帝的迷信、《圣經》以及以亞里士多德為代表的經院哲學的權威。列奧納多·達·芬奇說過：“事物的真實面目比希臘人對事物的無所不知的看法更為重要”，弗里德里希·恩格斯補充說當時的科學“本身就是革命性的”。這種革命性的科學精神，引領著那個時代的科學家，勇敢地挑戰神學，糾正幾千年的神話，做出劃時代的科學發現[6]。

而我國目前的中小學物理教育仍然是以中高考為導向，把成績視為衡量學生某一階段學習的標準，培養了擅長分析卷面問題的學生，而往往失去了解決實際問題的能力，沒有重視對學生科學精神的培養。縱觀人類對自然界認識的歷史，可以發現時代的進步都是建立在科技發展的基礎上，而科技的發展正是源于一代代敢于創新、在失敗面前進行一次又一次科學探究的物理學家，一代代物理學家就這樣在前人的基礎上通過科學的、理性的物理觀念逐漸認識世界和改造世界的。以2020年修改的普通高中物理新課程標準為準，在這次課程改革中對于科學精神的培養蘊含在物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任這四個維度，以物理觀念為例，對學生這一維度的能力進行培養時不僅要重視學生對物理知識和方法的掌握，還有學生能夠將知識和方法轉化為能力的過程，也就是學生利用所學解釋一般現象和解決實際問題的本領，物理觀念的提出從某個角度上幫助學生對物理知識進行系統化，建立起知識之間的廣泛鏈接，這一維度的高水平要求也體現了在培養學生知識的掌握和能力發展方面的更高層次的要求，這是提升學生科學精神的基礎。

2.2 科學思維中科學精神的體現及其影響

2.2.1 科學思維中科學精神的體現

科學思維是學生經歷了物理學習過程后獲得的思維方式，這種學習結果是可觀察、可測評的。從宇宙天體到基本粒子等世間萬物都是物理學所研究的對象，這些研究對象既廣泛又復雜，只有通過科學思維才能揭示事物的本質和規律。

愛因斯坦曾經說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要”，質疑是思考的起點、創新的開端，也是在科學發展過程中的動力。質疑是科學思維的一個關鍵特征，是創新型人才所應具備的重要品質和能力。縱觀物理學的發展歷史，大多數新的物理規律推廣、物理理論的創立都是科學家在對現有的結論質疑的基礎上，通過觀察、質疑、猜想、假設、實驗、修正、推廣等一系列的科學探究過程中運用創新思維推動物理學一步步向前發展。

例如，伽利略對亞里士多德在落體運動中“越重的物體下落越快”的結論，將科學推理與觀察實驗相結合，即“把大球和小球綁在一起同時從高處釋放”和斜面實驗相結合，從而推翻了亞里士多德的觀點，通過合理外推得出了物體下落的時間與物體輕重無關的結論;牛頓研究前人關于“地心說”所提出的質疑和積累的資料，于1687年發表《自然哲學的數學原理》，提出萬有引力定律，從而使經典力學成為一個完整的理論體系，其中所建立的經典力學的理論體系更成為近代科學的標準;愛因斯坦不拘泥于經典物理體系，提出了在微觀高速下所適用的相對論。相對論的提出直接或間接地催生了量子力學，也為后續研究人員研究微觀高速的運動提供了全新的數學模型，在這之后，相對論和量子力學共同成為現代物理學研究大廈的“地基”。

2.2.2 科學思維對科學精神的影響

物理學在對自然現象進行研究和對物理理論體系的建構過程中包括對物理模型的建構、科學推理、科學論證的過程和對現有結論的質疑創新，這些都是科學思維的典型思維方式。因此，科學思維也成為學生學習和運用物理知識和方法時所必備的思維能力，科學思維的培養成為發展學生科學精神的重要途徑[5]。對學生科學思維培養的一個重要目標就是讓學生擁有創新思維，創新思維在物理學中還表現在類比、發散等思維上。創新思維的培養不僅僅局限于在尊重事實的基礎上對現有成熟理論體系的突破和重構，在中學生的學習過程中，更可以看成是學生個體對自身原有觀點的再認識和對已有成熟知識體系地再理解。而中學物理課程主要由基本的物理概念、規律、定律、定理構成。所以，中學物理的教學過程蘊含著科學思維和創新思維，對學生的科學精神的培養有重要的意義。

2.3 科學探究中科學精神的體現及其影響

2.3.1 科學探究中科學精神的體現

物理是一門以實驗為基礎的自然科學，因此，物理學科中的實驗是對科學精神的重要體現，因此，要堅持以實驗為主要方式進行科學探究，培養科學精神。實驗的過程是科學探究的過程，而科學探究就不能僅僅依靠思辨或者單純的嘗試，而是要經過猜想—假設—實驗—數據分析和處理—修正假說—合理外推的科學探究過程去發現事物的本質，建立物理概念、規律、定律、定理等。近代科學的真正基礎是實驗。馬克思把現代科學稱作“現代實驗科學”，培根也說道：“作為一個合格的自然解釋者，是從活動和實驗中抽引出原因和原理，然后再從這些原因和原理中引申出新的活動和實驗”[6]。

美國著名物理學家密立根曾說過：“科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗，有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進。”例如，一個很著名的實驗——托馬斯·楊雙縫干涉實驗，就是很好地運用實驗探究促進新知識創立的實例。在18世紀末，人們對于“光的本質究竟是什么”一直在爭論不休，其中，牛頓認為光是由微粒所構成的，不可能是一種波。然而英國物理學家托馬斯·楊卻始終堅持光的波動說。1807年，托馬斯·楊在他出版的《自然哲學講義》一書中，系統地闡述了他在光學方面的研究工作，并且在這本書中第一次詳細地記載了他所做的雙縫干涉實驗，如圖3所示。在一只點燃的蠟燭后面放一張戳了一個小孔的紙，這樣小孔便相當于一個點光源，然后在這張紙的后面再放一張紙，但是這張紙上要開兩條平行的狹縫，這樣從小孔中射出的光穿過這兩條狹縫投射到屏幕上之后，就會形成一系列明暗相間的條紋，這就是光的干涉條紋。這說明兩束光線可以像波一樣相互干涉，這就證明了光是一種波，這個試驗還為一個世紀后量子學說的創立起到了至關重要的作用。

2.3.2 科學探究對科學精神的影響

物理學科核心素養中的科學探究重點是關注學生在實驗和實踐層面的關鍵能力的發展。以物理學為代表的自然科學的實證基礎是實驗與探究，實驗與探究也是現代物理教育的核心實踐活動。但是在我國實際的教學中卻出現了“科學探究形式化”的現象，這是教師在進行物理教學時必須杜絕的。物理學科核心素養中的科學探究一定要強調問題、證據、分析等關鍵要素，這些都是學生今后獨立開展科學探究活動必備的關鍵能力，是提高學生科學精神的重要途徑。

2.4 科學態度與責任中科學精神的體現及其影響

2.4.1 科學態度與責任中科學精神的體現

認識科學本質、認識科學、技術、社會、環境的關系是具備科學態度度與責任的基礎，在這樣的基礎上，能夠逐漸地形成探索自然的內在動力和嚴謹認真、持之以恒、實事求是的科學態度以及能夠遵守道德規范，具有保護環境和推動可持續發展的責任感。在科學態度與責任中，認識科學本質是現代社會公民具備科學素養的基本要求，也是科學精神的體現，物理學是最能體現科學本質特征的學科。對科學本質的認識不僅包含對科學的知識方法，還包括科學研究過程、科學的價值和科學的持續發展。因此，通過對學生科學態度與責任這一維度的能力的培養有助于學生對科學本質的理解，幫助學生在學習科學知識的過程中形成良好的科學態度，能在進行科學研究和應用科學技術時具備較高的道德倫理和社會責任感，從而促進科學精神的形成。

（1）物理學史中理論與實踐相互促進的事例。物理學的發展離不開實驗和理論的相互結合、相互促進，這是科學本質特征的體現。例如，在對天體運動進行研究的過程中，開普勒通過研究他的老師第谷所留下對行星運動的大量數據得到了開普勒的三大定律;赫茲通過實驗驗證了麥克斯韋的“電擾動能輻射電磁波”的電磁場理論，并且指出這種電磁波在空中傳播的速度是光速。這些物理史實都從多個方面體現了觀察和實驗與科學思維之間的密切聯系。在光學的發展歷史上，牛頓和惠更斯分別利用不同的模型對光的本質進行了解釋，展示了對科學模型的研究和不斷修正的過程;愛因斯坦創立的相對論則更是科學家科學精神中創造思維的典范，相對論的提出顛覆了人們對于時間、空間、質量、能量的概念的原始認知，極大地更新了人們對于科學知識的認識。

（2）物理學中科學知識與技術相互促進的事例。物理與生活是密不可分的，“從生活走向物理，從物理走向社會”也是新課程的基本理念之一，物理學中科學知識與技術的相互發展奠定了人類社會發展進步的基礎。新知識的發現要依賴于新技術的運用，比如2017年我國500米口徑球面射電望遠鏡“FAST”發現2顆新脈沖星，其中一顆距地球約為4100光年，另一顆則距地球約1.6萬光年，這是我國“FAST”射電望遠鏡首次發現新的脈沖星，這就是很好的運用新技術發現新知識的例子。當然新知識的產生同樣會促進新技術的發明，比如2001年清華大學段路明教授提出著名的DLCZ量子中繼方案，即建議在光子與存儲器之間的量子接口使用原子作為系統。在這之后，段路明教授的研究組在2017年又首次實現了25個量子接口之間的量子糾纏，打破了在這之前Caltech保持的4個量子接口之間糾纏的紀錄，把接口的數量提高了6倍左右。這又是在新知識的基礎上進行新發明或新改進的典型事例。

在課堂教學中適時地引入這類知識與技術相互融合促進的事例，可以加深學生對STSE的理解，如果再結合我國的最新科研進展，那么便可以增強學生的社會責任感和歷史使命感，是提高學生科學精神的重要目的。

2.4.2 科學態度與責任對科學精神的影響

對于科學態度的理解可以從兩個方面進行，無論哪一方面都蘊含著科學精神的重生。第一個方面是指個人對待科學的態度，例如愿意學習科學知識、是否對科學有興趣、熱愛科學等等;第二個方面是指自身在學習科學的過程中所具備的科學態度，例如在學習科學、研究科學的過程中能夠做到尊重科學事實、敢于提出質疑、善于進行自我反思和具有創新的意識等。

社會責任主要指科學倫理和STSE，這兩個方面同樣體現了科學精神的重生。科學倫理是指教育學生遵守規范準則，對待任何問題都要實事求是，不弄虛作假，要有集體利益大于個人利益的意識，能夠在科學研究的過程中以人類與自然和諧相處為原則。STSE是科學、技術、社會、環境英文的首字母，這四個方面的培養主要是讓學生意識到科學技術與自然環境是相輔相成的，在認識世界和改造世界的過程中要以可持續發展觀為原則，具備社會責任感[5]。

3 總結與展望

物理學科核心素養中的每一個維度都蘊含著科學精神，通過對學生物理學科核心素養的培養，可以改變我國長期以來應試教育帶來的科學意識淡薄、科學素養低下等問題，為我國培養終身學習的創新型人才奠定堅實的基礎。在新時代背景下，中學物理教師的教學設計與教學實施要時刻圍繞培養學生的物理學科核心素養這一理念展開，進而培養學生的科學精神乃至提高整個民族的科學精神。

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參考文獻：

〔1〕李琬瑩.高中物理學科核心素養及培養初探[D].華中師范大學，2017.

〔2〕屠莉婭.基于變革社會的視角：核心素養闡發與建構的再思考[J].全球教育展望，2016，45（06）：3-16.

〔3〕林崇德.構建中國化的學生發展核心素養[J].北京師范大學學報（社會科學版），2017，62（01）：66-73.

〔4〕張華.論核心素養的內涵[J].全球教育展望，2016， 45（04）：10-24.

〔5〕郭玉英.從三維課程目標到物理核心素養[J].物理教學，2017，39（11）：2-4+8.

〔6〕孫慕天.論科學意識[J].自然辯證法研究，1991，7（10）：1-6.

收稿日期：2022-01-14

通訊作者：孫藝峰（1994-），男，內蒙古包頭人，研究方向：物理教育教學。

基金項目：2020年赤峰學院教育碩士專業學位人才培養與基礎教育教學專項（cfxyjyss22003）