发挥物理学史功效培养学科核心素养

发布时间:2018/4/10 20:17:00 编辑:goodook 手机版
  整个世界文明的进步,都来源于人类不断发现问题与解决问题,来自人人都具有的创造潜能。时代在变迁,人类在发展,我们所积累的知识会越来越多,信息贮存越来越丰富。如何利用这些物理学史知识开展教学,让学生领悟和理解物理思维方法,发展学生的实验探究能力,进而培养学生的科学态度与责任?本文结合教学实践进行分析探讨。
  一、物理学科核心素养的内涵
  学生核心素养,主要是指学生应具备的,能够适应个人终身发展和社会发展的必备品格和关键能力。就物理学科来说,其核心素养包括:物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。在这四个要素中,最基础的核心素养是物理观念,它代表对物理知识的内化,是其他三个素养的基础,科学思维与科学探究代表了学生的关键能力,科学态度与责任显现了每个人必备的品格。物理学科核心素养的具体内涵可用下图表示。
  二、物理学史中的猜想与假设——科学探究的魅力
  在物理学发展的每一个阶段,猜想与假设让很多物理学家走向成功。成功的科学家通过适当的猜想与假设发现了一个又一个的物理定律,我们可从以下场景中领悟猜想与假设的魅力。
  1.牛顿——发现万有引力定律
  情景1:天上的力与地上的力能和谐统一吗?牛顿为了验证地球表面的物体受到的重力与地球吸引月球以及太阳吸引各大行星的力是同一性质的力,遵循共同的规律,牛顿利用猜想与假设的方法,做了著名的“月地”检验。他的基本思想方法是:假设地球上的物体所受重力和各大星体间的引力是同一性质的力,都与它们之间的距离的平方成反比关系,那么月球绕地球做近似匀速圆周运动的向心加速度就应该是地面重力加速度的1/3600,因为月心到地心的距离是地球半径的60倍。
  猜想与假设的魅力:牛顿根据月球绕地球运动的周期和运行的轨道半径,计算得到了月球围绕地球做匀速圆周运动的向心加速度为:
  a=4π2T2r=2.74×10-3m/s2
  物体在地球表面的重力加速度为g=9.8m/s2,若把这个物体慢慢移到月球轨道所在的高度,h=60R(R为地球的半径),这样我们可算出其加速度值为:
  a=1602g=2.72×10-3m/s2
  从上面的分析可以看出,这两个结果几乎等同,在误差允许的范围内这两种方法求得的向心加速度相同,这样牛顿就检验了自己的猜想是正确的,也就是地球对地面上所有物体的引力与各星体间的引力,本质上遵循同一规律,是同一种性质的力,即引力的相互作用。
  2.伽利略——自由落体运动
  情景2:如果我们没有学过相关的物理知识,凭借日常生活经验,肯定会说重的物体比轻的物体下落更快。例如,一金属块和一片树叶同时从同一高度掉下来,一定是金属块先落地。因此,在16世纪以前,以亚里士多德为代表的学者一致认为物体下落的快慢是由物体的重量决定的,物体越重下落越快。当时亚里士多德是伟大的人物,在各方面都有突出的成就,人们信仰他、尊敬他,自然将他的观点奉为经典。其实,当时也有不少人怀疑这个观点,但由于教会利用他的结论,进行神化处理,所以他们都没有大胆地提出自己的观点。到了文艺复兴时期,伽利略通过逻辑推理的方法研究自由落体运动,并将这个运动规律正式发表。在这之后,伽利略也由于他的著作而受到教会的迫害,他的著作也被列为禁书。
  猜想与假设的魅力:如果亚里士多德的观点是正确的,那么用绳子把一块重为20N的石头和另一块重为10N的石头连在一起,由于总体重量为30N大于前两者中的任一石头的重量,按照亚里士多德的观点,其下落速度应大于前两块石头单独下落的速度;但是另一方面,用绳子连在一起的两块石头毕竟仍是分开运动的,大石头20N运动得快,小石头10N运动得慢,20N的大石头必然会被10N的小石头“拖后腿”,使它们总体的运动速度小于大石头单独运动的速度。用亚里士多德的观点分析同一问题得到完全矛盾的两个结论,说明亚里士多德的觀点本身就是错误的。
  3.伽利略——理想斜面实验
  情景3:科学的方法与科学的思维是我们认知世界奥秘的基本手段。在具体解决问题时,当然需要相关的知识,但还要有科学的思维方法。伽利略的理想斜面实验,是在实验的基础上进行科学的逻辑推理,理想实验有时更能深刻地反映大自然的规律。如上图所示,伽利略假设了一个理想斜面实验。
  猜想与假设的魅力:下面是我们模拟伽利略与小球的一段对白,在这个对话场景中,我们可真正领悟到科学方法的重要性。
  伽利略:小球先生你好,如果斜面没有任何摩擦,你会慢慢爬上怎样的高度呢?
  小球:我非常自信,我会搭乘梦想的阶梯一步一步努力向上爬,直到爬上原来的高度。
  伽利略:如果我把右斜面的倾角减小,你是不是还想爬到原来的高度吗?
  小球:我有一颗执着的心,梦想有多高,我就可以爬多高,只是我要走的路程更长了。
  伽利略:如果我将右斜面的倾角继续减小呢?你还想爬到原来的高度吗?
  小球:既定目标,我心已定,只是又多了一段山高水长之美景。
  伽利略:如果我把右斜面放成水平状态,你还会为了自己的梦想而行进吗?
  小球:路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。既然选择了那个高度,我只能一直执着向前,留给世界的便只能是孤独的背影。
  三、物理学史的灵魂——辩证的科学思维
  皮亚杰的认知发展阶段论认为,中学生随着年龄增长,抽象思维逐渐占主导地位。学生的物理学习过程就是将生活中的感性认识上升为理性认识,再从理性到解决实际生活中的具体问题,而这其中主要就是靠思维。学生的智力发展主要就是体现在思维的发展上。良好的思维可以为学好物理打下基础,而通过物理学习更能促进其思维的变化和发展。物理思维能力包括抽象能力、概括能力、判断推理能力和综合分析能力等。
  例如,《伽利略对自由落体运动的研究》一课中,伽利略是利用怎样的思维推翻了亚里士多德的观点呢?他假设有轻、重两个小球,若重球下落比轻球快,那么将两球捆绑成一体,轻球会影响重球下落,所以下落快慢就介于两者之间;另一方面,由于两球捆绑在一起后,重量大于任何一球,就可以得出下落的速度大于两球单独下落时的速度,进而得出两个相互矛盾的结论,这样看亚里士多德的观点不就不成立了吗?这一思维推理之美怎不叫人拍案叫绝?
  大家知道,在1820年奥斯特那小磁针的伟大转动说明利用电流可以得到磁场,人们自然会提出问题:能否利用磁场产生电流呢?这就是一个电生磁、磁生电的辩证思维。奥斯特实验指出:如果恒定的电流通过金属导体,那么在金属导体周围就会产生恒定的磁场;相反的实验被认为是利用恒定的磁场能够得到恒定的电流,也就是在磁铁的旁边放一个线圈就能夠在线圈中产生电流。然而这并不是真正相反的实验,因为上述的推论出现了逻辑错误。这正是延误电磁感应发现的主要因素。后来法拉第从静止的思想突破到了变化的思想,有了“动态”观,在动态变化的过程中,才发现运动的磁铁能产生变化的磁场,才能生电。这种逻辑思想的突破在科学规律研究中堪称一绝。由此可以让学生领略思维才是学习的中心,提升思维能力也是学习的目的。
  四、物理学史中的情感体验——科学态度与责任
  我们为什么教物理?到底怎么教物理?不断的教学改革让教学形式发生了各种变化,但其目的无非是想全面回归教育本质。从知识本位到以人为本,从物理教学到物理教育,从双基到三维目标再到核心素养,既有融合更有超越。而作为核心素养主要构成的关键能力和必备品格,实际上就是三维目标的提炼和整合。因此在有限的课堂时间内,教师应该给予学生对科学无限的崇尚和坚定的研究意志。
  比如《行星的运动》的教学中,如果教师只关注规律本身,学生定会觉得枯燥无味,而这章内容在“学考中”所占比例不大,所以教师和学生都很容易忽略其重要性。而本人认为本章的教学设计应该立足于科学精神的培养,提供给学生大量的科学史料,让学生了解科学探究的过程,获得探究的乐趣,从中感悟科学家求真求简的研究思路和献身科学的精神。在教学实践中,我设计了一个辩论活动:正方“仰望星空时我们思考和追问天体是怎么运动的,这是我们必须做的对真理的追求”,反方“天体运动,不管是谁绕谁转,都不影响我们的吃穿住行,所以不必深究。”正反方都是凭学生最原始的态度组队的,但在正反方的激烈辩论下,戏剧化的结果出现了,反方陆陆续续都站到了正方队伍当中来。这种内心情感和态度的转变不就是学生认知的提升吗?学生不仅了解了“地心说”和“日心说”的发展,而且充分挖掘了物理学史背后隐含着的科学家的“较真”。
  教师应该认识到物理学史的重要意义,通过优化教学设计,让学生在感知生活、学习物理学史的过程中,感知规律发现的原生态过程,体验科学家的人格魅力,领悟其中的科学方法与科学精神。