冯 爽

(北京教育学院物理系，北京 100120)

1 问题的提出

随着《普通高中物理课程标准(2017年版)2020年修订》(以下简称“课标”)的颁布,高中物理课程目标由三维目标走向了物理学科核心素养,主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面．[1]育人方式和教学目标的转变需要教学模式也发生相应的变化和革新,一些教师在实践教学中已做出了探索,例如利用科普名著转化为教学资源培养学生核心素养等．[2]但大部分教师仍对如何在日常教学中培养学生物理学科核心素养感到束手无策,融入物理学史进行教学正是解决这一问题的有效途径．

学界对物理学史具有重要的教育价值已达成共识,物理学史正在从教育的边缘走向中心,已成为当下的研究热点．杜西尔指出,如果没有说明科学家是如何发现一个科学理论,学生可能会误认为知识的成长是一个常态的、线性累积过程．[3]物理学史蕴含了丰富的与物理学科核心素养紧密联系的教育价值,历史回顾可使学生从知识建立、概念规律完善修正的发展过程中认识它的必要性、局限性,进而深刻理解科学,[4]使课程更为完整、更具吸引力．

我国高中新课程改革非常重视物理学史的育人价值,不但注重知识是什么,也注重知识是怎么来的．仔细研读 “课标”,我们可以发现,其中很多内容要求条目都与物理学史相关．然而现实教学中大部分教师并没有清晰准确的认识到“课标”对物理学史要求的用意,忽视了物理学史对于落实物理学科核心素养的重要价值,在实践层面上更没有行之有效的教学策略,实践效果不尽人意．因此,十分有必要对 “课标”中物理学史的内容进行分析并构建教学策略,这对于达成物理学科核心素养目标具有重要的现实意义．

2 普通高中物理课程标准中物理学史内容要求与分析

为使教师纵览并准确把握“课标”对物理学史的要求与建议,笔者对“课标”中的物理学史内容进行了梳理和分析．

表1 “课标”必修课程中的物理学史内容梳理

续表

表2 “课标”选择性必修课程中的物理学史内容梳理

表3 “课标”选修课程中的物理学史内容梳理

续表

通过研究我们可以看出:第一,“课标”对物理学史的要求涵盖了高中物理课程的各个部分:必修、选择性必修和选修课程,涉及到力学、电磁学、原子物理、热学、量子力学等诸多概念、规律．可以看出,对于新课程改革倡导的核心素养教育,物理学史不是可有可无的,不是教学中的粉饰花样,而是“课标”明确要求的,是核心素养教育不可分割的有机组成部分．

第二,“课标”中对物理学史内容的要求分为直接和间接．以上表格梳理了最为典型和直接要求的条目,除此之外还有间接联系物理学史或者科技史的内容,比如“了解19世纪末物理学的发现对于近代物理学革命的意义”、“ 了解计算机、手机等发展的大致历程及其对生活的影响”等,由于本文篇幅所限,这些条目未一一呈现．

第三,“课标”对物理学史的要求不仅体现在教学内容上,还体现在教学方法和策略上．对教学内容上的要求,如“了解人类探索高速世界的大致历程,知道这种探索将不断深入”“了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响．关注与磁相关的现代技术发展．”此类条目侧重要求学生了解物理学发展过程中的相关研究成果以及涉及的物理知识．除此之外,还有对教学方法和策略上的要求,如“通过实验,认识自由落体运动规律．结合物理学史的相关内容,认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用”“知道热力学第一定律．通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程,体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义．”等．科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义有很多方式让学生体会,课标中此条目对实现这一目标的教学过程、方法和策略进行了明确要求,即“通过有关史实,了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程”来让学生“体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义”．因此要全面落实课标要求,就需要通过“史实” “了解……发现过程”来让学生“体会”,不但学习结果要达到课标要求,教学过程和方法也应符合课标要求．

第四,“课标”对物理学史内容要求的形式和活动环节也非常多样．不仅有常规的课堂学习,如“通过史实,了解量子概念的建构对人类认识自然的影响．”“通过史实,了解万有引力定律的发现过程．知道万有引力定律．认识发现万有引力定律的重要意义．认识科学定律对人类探索未知世界的作用”等;还有论坛、查阅资料、阅读著作、简报等,如“活动建议(2)举办与现代物理进展有关的科普论坛,通过班会或墙报交流．”“活动建议(4)收集我国和世界航天事业发展历史和前景的资料,写出调查报告”等．可以说无论在课堂中还是课前、课后,物理学史都可以在各个环节、以各种形式融入教学．

3 普通高中物理课程标准中物理学史内容的教学策略构建

融入物理学史进行教学是实现“课标”理念的重要途径,然而,遗憾的是在实践层面上教师并没有找到行之有效的教学策略,出现了很多误区,例如将物理学史作为附加内容,课堂花样繁杂,与教学目标脱节;篇幅过多,平铺直叙,没有挖掘物理学史的具体教育价值等．笔者结合物理学科核心素养的4个方面,针对“课标”中具体条目的要求,举例说明如何挖掘物理学史的教育价值形成教学策略,达成物理学科核心素养目标．笔者着重分析如何挖掘某段物理学史所体现最为凸出、联系最为紧密的物理学科核心素养的教学价值形成教学策略作为举例,并没有否定涉及到的物理学科核心素养其他方面的教育价值,且处理方式并不唯一，仅供参考．

3.1 在人类文明发展的脉络中感悟物理观念

教学时教师不能只盯着一个知识点去教学,应在人类文明发展的脉络中实现感知认识的过程,使学生通过理解重复发生的事件独自建构知识,感悟物理观念．马修斯认为借助探索科学概念的发展与精致化的过程,可促进学生对科学概念的理解．[5]物理观念随着人们对自然认识的不断深入而不断变化,这种更新变化只有在历史中才能充分的显现出来．

例如万有引力定律只是众多物理规律中的一个,考试分值并不多,但是它却使人类对世界的认识观念发生了革命性的变化,万有引力定律具有重要的教育价值,而这一教育价值通过与物理学史的结合,会更好的发挥．“课标”中也进行了相应的要求,如必修2的内容要求:“2.2.4 通过史实,了解万有引力定律的发现过程．知道万有引力定律．认识发现万有引力定律的重要意义．认识科学定律对人类探索未知世界的作用”． 还有一些相关的要求,比如选修1的内容要求:“1.1.1 了解古希腊的宇宙观与中国古代的宇宙观．了解哥白尼日心说对宇宙观的冲击．了解开普勒定律对牛顿发现万有引力定律的重要作用” “1.1 活动建议(1)通过了解牛顿建立万有引力定律的过程,体会数学方法对物理学发展以及对人们探索自然奥秘的作用”,以及选修3的内容要求:“3.4.2 初步了解追求相互作用统一的思想和探索在物理学发展中的作用”．

古人对上天非常崇拜,用神灵或者神话来解释自然现象,认为天和地有本质的区别,不可逾越．随着文明的发展,古希腊的哲学家以观察天空进行他们对宇宙的研究,开始探讨非神秘性的解释,如毕达哥拉斯提出万物皆数、亚里士多德提出天球模型等．[6]他们认为自然是可以被认识和被解释的,这是一种全新的认识自然的观念和观察事物的视角．后来,哥白尼、第谷、开普勒等掀起了一场科学革命,提出了日心说理论,颠覆了传统宇宙体系,使人们看待世界的方式又一次发生了改变．

科学家笛卡尔是试图从力的角度而不是神灵来解释宇宙的先驱者之一,它把行星的运动归结为力的原因,这种思想具有重要的哲学意义．到18世纪,伽利略和牛顿等科学家的研究已经彻底改变了人类对自然认识的方式,建立了新方法,改变了人类对自身和宇宙的理解．通过历史的回顾,从最早时期人们认为天地有“天壤之别”到万有引力定律实现了天地的统一,对宇宙图景的描述从神话论转变为机械观,在人类文明发展的脉络中使学生感悟物理观念,以动态的、开放的和历史的眼界去看待科学研究．

3.2 在概念规律的革新过程中提升科学思维

诺贝尔奖获得者汤川秀树曾说:“当回顾理论物理学的历史时,我们发现许多科学家提出的很多理论大多数是错误的,因而没有生存下来,只有少数正确的理论才继续生存…但是,没有少数成功背后的许多失败,知识就几乎不可能有任何的进步”[7]概念规律革新过程中大量的事例能够生动说明模型建构、逻辑推理、解释论证等科学思维特质．教学时可结合概念规律的革新过程使学生提升科学思维．

如“课标”必修1中的内容要求“1.1.1 了解近代实验科学产生的背景,认识实验对物理学发展的推动作用．例1 了解伽利略的实验研究工作,认识伽利略有关实验的科学思想和方法．”“1.1.4 例6 查阅资料,了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法”等．教师应对物理学回顾和前人研究进行总结, 促进学生对物理学认识方式和研究方法理解与反思,并为学生质疑创新提供思维基础,进而全面提升学生的科学思维素养．

力与运动是人们长期研究的一个问题．亚里士多德通过观察身边的现象,认为力是维持物体运动的原因．但是伽利略对亚里士多德的观点提出了质疑,伽利略设计了对接斜面的理想实验,提出力并不是维持物体运动的原因．笛卡尔从有限的实验中推导出了大量推论,认为力、质量、动量是原始的观念．[8]牛顿进一步研究认为“外加力是加在物体上用以改变它静止或匀速直线运动状态的一种作用”,表述成了牛顿第一定律．[9]

教学中教师应该引发学生的思考:为什么几千年来亚里士多德的观点一直被人们接受,而伽利略却提出了质疑?这其中蕴含着重要的物理学科思维方法,这正是我们要培养学生的科学思维．亚里士多德研究使用的主要方法是观察和经验,这对于当时的年代,已经是人们认识自然的一大进步．而伽利略应用了理想实验的方法,他将理想实验与数学的、逻辑的推演相结合进行了研究． “伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端．”[9]教学时应在概念规律的革新过程中使学生深刻领悟科学思维的各个要素,体会任何人都可以去用这样的思维方法检验或者证明自己和别人的观点,加深对科学思维的理解和认识．

3.3 在揭示自然奥秘的新问题中理解科学探究

施瓦布认为在科学探究教学中应提倡科学史,作为探究的科学教学的本质是让学生理解在科学发现过程中,问题是怎样提出的,如何得到验证的,最后又是怎样得出结论的．[10]例如“课标”选择性必修3中的内容要求:“3.3.1 了解人类探索原子及其结构的历史．知道原子的核式结构模型．通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构．”

此内容围绕原子核式模型展开,融入物理学史进行教学可让学生感受如何从现象出发提出问题进行科学探究再到得到理论的整个过程,从而体会科学探究的步骤和方法．首先教师可介绍当时关于放射性和原子研究的背景,让学生思考是什么促使人们想要研究原子的内部结构的．长期以来人们一直认为原子是构成世界的最小单位,基于原子、分子光谱和放射性等事实,人们发现了新问题,开始猜想原子不是不可分割．科学家在探索原子结构时,已经知道每种元素的原子发出的光都有自己的特征．光成为探索原子结构的一个突破口,学生可以体会如何将未知事物与已有知识建立联系,发现和提出问题,并解决问题．

为了揭示原子结构这一奥秘,科学家进行了一系列探究活动,提出过多种原子结构模型．卢瑟福基于α粒子散射实验的实验现象,进行了严密的推理思考和实验探究,并提出了散射公式,卢瑟福的实验结果和理论预言完全相符．这一系列思考、实验、解释、产生理论以及修正的过程可使学生对原子模型的建立过程和研究思路理解的更加透彻,深入体会科学探究素养各个要素的内涵以及科学探究的步骤和方法．随着研究的不断深入,人们又发现了新问题:虽然卢瑟福的核式结构模型解释了α粒子散射实验,但是却无法解释氢原子光谱．基于这样的新问题,玻尔进行了进一步研究,提出了玻尔理论．[11]这一曲折的、不断完善修正的过程可使学生进一步体会科学探究的要素和方法,以及科学探究的特点——不断基于新问题逐步深入研究,从而有效培养学生的科学探究素养．

3.4 在物理学与人文社会的发展联系中形成科学态度与责任

培养学生科学态度与责任时教师应将物理学史的进程、发展、特征、趋势及方法和问题,提升到人文、社会、历史和哲学的角度让学生思考,将物理知识与生产生活和社会发展紧密结合,让学生感受物理学鲜活的生命力和浓厚的社会性、时代性特征．

例如选择性必修2学业要求中建议:“能根据电磁理论的发展过程及其对人类社会影响的历史,了解科技对人类生活和社会发展的影响,体会基础科学的重大发现在工业革命和社会发展中的作用”,以及选修性必修1中1.3光及其应用中要求“观看3D电影,查阅资料,了解3D电影的原理”．教学时教师可帮助学生了解人们对光的研究过程．一直以来人们对光现象十分好奇,希望了解光的本性,后来人们认识到光是一种电磁波．随着进一步深入的研究,人们发现了光的偏振的特性．人们利用光的偏振特性发明了3D电影,使观众看电影时有穿越银幕、身临其境的感觉．现在3D电影已经完全走向大众,成为我们生活的一部分．通过历史的梳理,可以让学生真实的感受到物理学的知识不是枯燥、孤立的,而是与我们的生活紧密相连的,物理学的发展提高了人们的生活水平,科技对人类生活和社会发展起到了促进作用．

要全面把握和理解物理学,既要知道科学技术的正面成就,还要了解科学技术的局限、盲点和负面影响．融入物理学史进行教学可实现自然和人文的融合,弥补物理教学中人文关怀缺失的现状．

例如镭元素认识的初期,人们并不了解镭元素放射性的危害．公众的新奇和商家的吹嘘掀起了镭狂热,一切商品只有与镭挂钩才算是新潮．后来历史上出现了“镭女孩”事件,花季少女先后得病,相继去世,让人们非常痛惜．[11]回首放射性研究的历史过程,人类付出了沉重代价,可使学生反思科学带来的负面效应,养成严谨认真的态度,增强社会责任感．

4 小结

综上可见,融入物理学史进行教学具有多方面的育人功能,物理学史不仅蕴含着科学知识的形成过程,还蕴含着科学家独特的思维方式和研究方法,体现着科学态度与责任．教师可参考文中梳理的“课标”对物理学史相关内容的要求及构建的教学策略,在教学时融入物理学史,落实新课程理念,起到事半功倍的效果．

另外,在教师职业发展方面我们也可以得到启示,教师应有意识的学习物理学史,提高自己的学科教学知识,更好的胜任核心素养教学．在我国《中学教师专业标准》中,学科教学知识属于教师专业知识这一维度．[12]物理教师学科教学知识要素中的 “主题最核心的内容及其教育价值、内容之间的联系、实验的操作和价值挖掘”[13]等方面与物理学史联系紧密,可通过物理学史的学习得到有效提升．