淺論如何在物理教學(xué)中融入科學(xué)史提升學(xué)生核心素養(yǎng)

摘 要：在物理教學(xué)中，牛頓第一定律占據(jù)了重要的位置。它不僅是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，更是幫助學(xué)生理解物體運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的關(guān)鍵。然而，單純地傳授這一知識(shí)點(diǎn)往往不利于學(xué)生深入理解其背后的科學(xué)精神和思維方法。而將科學(xué)史融入教學(xué)，不僅有助于學(xué)生更好地理解牛頓第一定律的形成過程，還能有效地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，如科學(xué)思維、探究能力、合作與交流等。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)史；質(zhì)疑

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8918（2024）30-0103-04

為適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，中國(guó)學(xué)生要發(fā)展核心素養(yǎng)，以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)要素。怎樣在日常教學(xué)中既能把握學(xué)科本質(zhì)特征，又能體現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)，這是一個(gè)值得我們深思的問題。而科學(xué)史是科學(xué)產(chǎn)生、形成和發(fā)展及其演變的規(guī)律的反映，科學(xué)史是由很多科學(xué)人物創(chuàng)造的，因此在課堂中引入科學(xué)史和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)上天然是可以統(tǒng)一的。

一、 研讀教材，找尋科學(xué)史和科學(xué)核心素養(yǎng)之間的契合點(diǎn)

牛頓第一定律主要揭示的是運(yùn)動(dòng)和力之間關(guān)系。

仔細(xì)閱讀教材，翻閱書籍關(guān)于科學(xué)史上人物介紹如圖1所示，沒有過多介紹當(dāng)時(shí)研究的過程，一時(shí)難以發(fā)現(xiàn)發(fā)展的內(nèi)核，因此需要我們?cè)傺凶x教材、找尋資料，從整個(gè)牛頓第一定律建立的過程可以發(fā)現(xiàn)有四個(gè)里程碑人物，即亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓。

科學(xué)史上觀點(diǎn)在不斷進(jìn)步，我們絕不能只是照本宣科地將科學(xué)史告訴學(xué)生。要培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神。

本節(jié)課所要達(dá)成的科學(xué)觀念即牛頓第一定律。要讓學(xué)生形成這樣的科學(xué)觀念不應(yīng)該是直接強(qiáng)加給學(xué)生的，而應(yīng)該是讓學(xué)生通過一定途徑獲得。這就是科學(xué)探究過程，本節(jié)課運(yùn)用了“實(shí)驗(yàn)+推理”的方式。因此，在課堂當(dāng)中要引領(lǐng)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)和邏輯推理中逐步形成科學(xué)觀念。

學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)后，要能利用所學(xué)知識(shí)解決問題，科學(xué)走向生活也就是核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的范疇。

二、 挖掘科學(xué)史，為課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)找尋策略

認(rèn)真研究關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的科學(xué)史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)人們的思維認(rèn)識(shí)中出現(xiàn)了幾次重大的飛躍。

第一次飛躍：“從運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持”到“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”。

亞里士多德很早就提出了“有力作用在物體上，物體會(huì)運(yùn)動(dòng)，沒有力，物體就會(huì)靜止”。這跟生活當(dāng)中經(jīng)?？吹礁惺艿降耐莆矬w，物體就運(yùn)動(dòng)，不推物體，物體就靜止等現(xiàn)象非常符合，所以 2000 多年來(lái)人們一直非常相信這種說(shuō)法。但自從伽利略做了“理想斜面”實(shí)驗(yàn)。人們打破了這種思維模式和結(jié)論，這也就是觀點(diǎn)為什么從“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”轉(zhuǎn)變成了“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的過程，是一次了不起的飛躍。（圖2）

第二次飛躍：從“速度不變”到“勻速直線運(yùn)動(dòng)”。

伽利略提出“若物體在運(yùn)動(dòng)中不受到力的作用，它的速度將保持不變”。而笛卡兒提出“若物體在運(yùn)動(dòng)中不受力，物體將永遠(yuǎn)沿原來(lái)的方向做勻速運(yùn)動(dòng)”。這兩種說(shuō)法貌似沒什么區(qū)別，那么飛躍在哪里呢？仔細(xì)研讀《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》這本書，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)伽利略所講的這個(gè)“平面”其實(shí)是個(gè)球面，伽利略認(rèn)為將物體放在任意空間內(nèi)的斜面上，物體有重力，所以它將會(huì)向地心做加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)沿著斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)遠(yuǎn)離地心做減速運(yùn)動(dòng)。那么如果物體不受任何阻力而做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體就會(huì)既不靠近地心也不遠(yuǎn)離地心，而是圍繞地心做圓周運(yùn)動(dòng)，即物體做勻速運(yùn)動(dòng)的平面為一個(gè)球面。而笛卡兒提出的運(yùn)動(dòng)的物體不受任何力的作用時(shí)，將永遠(yuǎn)沿原來(lái)的方向做勻速運(yùn)動(dòng)確實(shí)比伽利略的想法更進(jìn)一步，是一次大飛躍。

第三次飛躍：形成牛頓第一定律。

教材對(duì)牛頓第一定律是這樣描述的：“一切物體在沒有受到外力作用的時(shí)候，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)?！毕啾扔诘芽▋旱拿枋觯茱@然牛頓建立的體系更加完整。一切物體都遵循這個(gè)規(guī)律，條件是不受外力作用，結(jié)果是靜止的物體保持靜止，而運(yùn)動(dòng)的物體將做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

三、 融合科學(xué)核心素養(yǎng)和科學(xué)史，實(shí)施教學(xué)設(shè)計(jì)

愛因斯坦曾指出：“科學(xué)結(jié)論幾乎以完美的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動(dòng)過程，也很難達(dá)到清楚地理解全部情況。”

因此，將科學(xué)史引入課堂教學(xué)，以科學(xué)史為主線，又要建立提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)，更需要體現(xiàn)學(xué)生的主體性，讓學(xué)生主動(dòng)參與到科學(xué)課堂當(dāng)中，發(fā)揮學(xué)生思維的主觀能動(dòng)性。課堂當(dāng)中必須設(shè)計(jì)學(xué)生的活動(dòng)，以學(xué)生的活動(dòng)帶動(dòng)課堂的進(jìn)程、思維的發(fā)展。

引入：關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力之間的關(guān)系，那么就不得不提到亞里士多德，他是世界古代史上偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家。他通過多年經(jīng)驗(yàn)得到“有力作用在物體上物體就會(huì)運(yùn)動(dòng)，撤去力的作用，物體就會(huì)停止”的結(jié)論。即我們熟知的“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”。你能證明他觀點(diǎn)的合理性嗎？

活動(dòng)1：舉例說(shuō)明“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”正確性。

［設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生設(shè)計(jì)類似推桌子活動(dòng)，推桌子，桌子運(yùn)動(dòng)；不用力推，桌子靜止。暴露學(xué)生前概念，承認(rèn)前概念，證明亞里士多德觀點(diǎn)的合理性。］

引語(yǔ)：生活中有沒有一些過程和力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因這個(gè)觀點(diǎn)相違背的事例？

活動(dòng)2：讓學(xué)生推動(dòng)書桌上的乒乓球。用力推，乒乓球運(yùn)動(dòng)；手離開，乒乓球仍然繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。這時(shí)再問學(xué)生“有力物體會(huì)運(yùn)動(dòng)，沒有力物體不能運(yùn)動(dòng)”這個(gè)觀點(diǎn)還正確嗎？學(xué)生自然發(fā)現(xiàn)不對(duì)了。這個(gè)步驟就可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)有現(xiàn)象與之前的概念是沖突的，并不是完全正確的概念了。但是僅憑這一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)并不足以讓學(xué)生完全放棄前概念，學(xué)生會(huì)千方百計(jì)來(lái)證明自己的前觀點(diǎn)是正確的。因此必須還要在這個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加實(shí)驗(yàn)，由事實(shí)來(lái)說(shuō)話，讓學(xué)生承認(rèn)并會(huì)用新觀點(diǎn)。

［設(shè)計(jì)意圖：學(xué)會(huì)質(zhì)疑，不迷信權(quán)威，能學(xué)會(huì)用科學(xué)的眼光看待生活中的科學(xué)問題。］

問題1：桌子和桌上的乒乓球，假如沒有去推，沒有其他物體給它施加力的作用，它們會(huì)不會(huì)運(yùn)動(dòng)？

生：不會(huì)，對(duì)靜止的物體，如果沒有別的物體對(duì)它們施加力的作用，總保持靜止?fàn)顟B(tài)。

引語(yǔ)：不錯(cuò)，對(duì)靜止的物體，如果沒有別的物體對(duì)它們施加力的作用，總保持靜止?fàn)顟B(tài)。那原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體，如果沒有其他物體給它施加力的作用，它會(huì)怎樣？為了研究這個(gè)問題，我們可以引入實(shí)驗(yàn)。而沒有受外力這個(gè)條件，在現(xiàn)實(shí)生活中是沒辦法實(shí)現(xiàn)的。為了研究這個(gè)問題，400多年前，意大利科學(xué)家伽利略通過思考，想到了先用實(shí)驗(yàn)探究不同阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響，然后再推測(cè)物體不受力作用時(shí)將做什么運(yùn)動(dòng)。請(qǐng)你在課堂中完成合理設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

活動(dòng)3：設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)，阻力對(duì)小車活動(dòng)的影響

［設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過設(shè)計(jì)阻力對(duì)小車活動(dòng)的影響，認(rèn)識(shí)到控制變量法在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的作用。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)再推理得到結(jié)論，體會(huì)科學(xué)研究嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。］

為幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，可以追加以下問題鏈：

①實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是什么？研究什么問題？

②如何改變阻力的大?。?/p>

③小車速度的快慢看什么？

④為了比較小車在不同材料的水平面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離，還要控制什么因素？

⑤如果給你一個(gè)斜面，你如何確保小車在不同材料的水平面上具有相同的初速度？

在此問題的基礎(chǔ)上學(xué)生設(shè)計(jì)表格然后進(jìn)行研究。（表1）

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)讓小車從斜面的同一位置靜止滑下，分別讓其在鋪有干濕毛巾的木板、鋪有餐巾紙的木板以及涂了油的木板上運(yùn)動(dòng)直到停止，觀察小車在不同平面運(yùn)動(dòng)距離。觀察到在鋪有干毛巾的木板上運(yùn)動(dòng)距離最近；鋪有餐巾紙的木板上要遠(yuǎn)些；而在光滑的木板上運(yùn)動(dòng)得最遠(yuǎn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯，那么接下來(lái)事情應(yīng)該是對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提煉和總結(jié)可以得到表2的情況。

于是問學(xué)生三個(gè)平面中小車受到阻力最大的是哪一個(gè)，造成小車運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是什么？學(xué)生自然能夠說(shuō)出在鋪有干毛巾的木板上小車受到的阻力最大，從而使小車運(yùn)動(dòng)的距離最短；而涂了油的木板上小車受到的阻力最小，運(yùn)動(dòng)得最遠(yuǎn)。進(jìn)而推理得出：運(yùn)動(dòng)的物體如果不受阻力的作用，它將一直運(yùn)動(dòng)下去。說(shuō)明力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

教師引語(yǔ)：從教材的介紹中我們順理成章地認(rèn)為伽利略的結(jié)論“如果物體在運(yùn)動(dòng)中不受力的作用，它的速度將保持不變”是在做勻速直線運(yùn)動(dòng)了，其實(shí)當(dāng)時(shí)伽利略受天體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)所左右，他認(rèn)為的速度保持不變其實(shí)是做圓周運(yùn)動(dòng)。而教材中提到笛卡兒明確指出：如果運(yùn)動(dòng)物體不受到任何力的作用，它不會(huì)向左、右方向偏，將永遠(yuǎn)沿原來(lái)的方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)。這很明顯是一次大的飛躍。

最后牛頓提出牛頓第一定律又是一次重大飛躍，我們可以從定律的描述中意識(shí)到他的偉大之處。

活動(dòng)4：要點(diǎn)剖析

牛頓第一定律內(nèi)容：一切物體在沒有受到外力作用的時(shí)候，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

“一切物體”指的是宇宙中所有物體都遵循，是自然界中普遍的規(guī)律。

“沒有受到外力作用”是定律成立的條件，是一種理想情況。

“總”指的是一直的意思，沒有例外。

“或”指的是只能處于一種狀態(tài)，到底處于哪種狀態(tài)，由原來(lái)的狀態(tài)決定，原來(lái)運(yùn)動(dòng)就保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，原來(lái)靜止就保持靜止?fàn)顟B(tài)。

［設(shè)計(jì)意圖：通過概念的剖析，發(fā)現(xiàn)牛頓定律的偉大之處，也加深了對(duì)科學(xué)觀念的理解，能幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。］

活動(dòng)5：科學(xué)史回頭看

最后，用手猛地推一下書本，同樣出現(xiàn)與推乒乓球一樣的現(xiàn)象，也就是當(dāng)手離開運(yùn)動(dòng)的物體，物體并沒有馬上停止運(yùn)動(dòng)，而是要繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，只是桌子受到的阻力較大，滑行的距離較短，而乒乓球受到的阻力較小，滾動(dòng)的距離較遠(yuǎn)。

所以亞里士多德在提到不用力時(shí)物體靜止是沒有意識(shí)到阻力在起作用。

［設(shè)計(jì)意圖：肯定科學(xué)人物所做的貢獻(xiàn)，也找出科學(xué)人物在認(rèn)識(shí)上的不足，而認(rèn)識(shí)是隨著一代代科學(xué)人經(jīng)過積淀不斷完善的，他們就像是跨越 2000 年的團(tuán)隊(duì)，也使學(xué)生認(rèn)識(shí)到做科學(xué)研究的困難和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)的重要性。當(dāng)然其實(shí)也是破除學(xué)生自身前概念，這一系列的過程，展示了牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律得出的過程，也讓學(xué)生能夠更好地理解牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，從而動(dòng)搖和否定了之前存在的錯(cuò)誤概念和思想。］

活動(dòng)6：推導(dǎo)力和物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

思考與討論：如圖甲，小球豎直下落的運(yùn)動(dòng)中，為什么速度越來(lái)越大？

如圖乙，小球豎直向上拋出的運(yùn)動(dòng)中，為什么速度越來(lái)越??？

如圖丙，小球沿斜上方向拋出的運(yùn)動(dòng)中，為什么運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化？

［設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的分析，加深科學(xué)觀念——牛頓第一定律的理解，學(xué)會(huì)運(yùn)用規(guī)律解決實(shí)際問題，體現(xiàn)了科學(xué)思維。］

四、 收獲與反思

牛頓第一定律這節(jié)課設(shè)計(jì)為以科學(xué)史為主線，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，在任務(wù)的一個(gè)個(gè)解決中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)這個(gè)核心，它是行之有效的。

（一）展現(xiàn)科學(xué)史上概念建構(gòu)的過程，有助于學(xué)生對(duì)概念的深刻理解

概念的建構(gòu)中，如果直白地描述，只是相當(dāng)于空降在學(xué)生的腦海中，建立的聯(lián)系是不能持久的，學(xué)生會(huì)很機(jī)械地記憶而難以對(duì)概念正確理解和運(yùn)用?？茖W(xué)史能夠展現(xiàn)概念的建構(gòu)過程，在慢慢地建構(gòu)的過程中有助于學(xué)生將科學(xué)知識(shí)和之前的前概念進(jìn)行比較、分析，從而建構(gòu)起科學(xué)的概念，這就是科學(xué)核心素養(yǎng)中的科學(xué)觀念，對(duì)學(xué)生的終身發(fā)展有益。

（二）展現(xiàn)科學(xué)的發(fā)展歷程，有助于科學(xué)思維的培養(yǎng)

牛頓第一定律是通過很多科學(xué)家的努力，不斷質(zhì)疑，不斷地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和科學(xué)推理等過程才逐步建立的。將科學(xué)史引入課堂，就像學(xué)生也經(jīng)歷了這些過程，無(wú)形當(dāng)中也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，提升了其科學(xué)素養(yǎng)。

（三）展現(xiàn)科學(xué)的艱難歷程，有助于科學(xué)精神的傳承

科學(xué)的發(fā)展往往要經(jīng)過漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，是一代代科學(xué)人物艱苦努力的結(jié)果，是一種堅(jiān)毅的精神在起作用，這一種表率作用也會(huì)在學(xué)生心中扎根，有助于其人生的發(fā)展。

然而，在教學(xué)過程中也存在一些問題。部分學(xué)生對(duì)科學(xué)史的興趣不高，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的難度也有所顧慮。針對(duì)這些問題，筆者嘗試通過多樣化的教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。同時(shí)，筆者也注意到在教學(xué)過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和獨(dú)立思考能力，避免過度依賴教材和教師的講解。

五、 結(jié)論與展望

挖掘科學(xué)史對(duì)科學(xué)教學(xué)，對(duì)科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是有其積極意義的。教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、課程目標(biāo)以及師生的實(shí)際情況，運(yùn)用一定的教學(xué)策略，將科學(xué)史融入日常的科學(xué)教學(xué)中，提高學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。通過將科學(xué)史融入物理教學(xué)，有助于學(xué)生深入理解牛頓第一定律的本質(zhì)和背后的科學(xué)思想。同時(shí)，這種教學(xué)方法還能有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，包括科學(xué)思維、探究能力、合作與交流等。然而，在教學(xué)過程中也需要注意培養(yǎng)學(xué)生的興趣和積極性，以及批判性思維和獨(dú)立思考能力。

展望未來(lái)，我們將繼續(xù)探索和實(shí)踐將科學(xué)史融入物理教學(xué)的有效方法。我們希望通過不斷優(yōu)化教學(xué)策略和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。同時(shí)，我們也期待通過這種方法培養(yǎng)出更多具有科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的學(xué)生，為科學(xué)和社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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［4］鄭青岳.鄭青岳教育科學(xué)講演錄［M］.杭州：浙江教育出版社，2015.

作者簡(jiǎn)介：孫秀娥（1976～），女，漢族，吉林蛟河人，杭州市塘棲中學(xué)，研究方向：高中物理教育。