物理學(xué)史教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)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(xué)史的教學(xué)有機(jī)地融合到常規(guī)課教學(xué)中將會(huì)取得積極的效果。文章結(jié)合案例，分析在常規(guī)教學(xué)中教師對融合物理學(xué)史教學(xué)的疑慮，得出物理學(xué)史教學(xué)在“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這一維度上對發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)所具有的顯著作用。進(jìn)而表明，將物理學(xué)史融合到常規(guī)教學(xué)中所能起到的重要作用，以及指出高考試題的命制對中學(xué)物理教學(xué)中開展物理學(xué)史教學(xué)所起到的積極的引導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：高考試題;物理學(xué)史;核心素養(yǎng);教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）11-0041-4

1? ? 引? ?言

物理學(xué)史是研究人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史，它的基本任務(wù)就是描述物理概念、定律、理論和研究方法的脈絡(luò)，揭示物理學(xué)觀念、方法和內(nèi)容的發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律性。研究學(xué)習(xí)物理學(xué)史，不僅會(huì)為物理教學(xué)注入新的活力，還有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理、攀登科學(xué)高峰的積極熱情[1]。

然而，在實(shí)際教學(xué)中，教師對物理學(xué)史教學(xué)的認(rèn)識(shí)常常處于模糊的狀態(tài)。物理教師們大都認(rèn)同物理教學(xué)中應(yīng)該適當(dāng)?shù)厝谌胛锢韺W(xué)史的內(nèi)容，但部分教師覺得物理學(xué)史教學(xué)對學(xué)生學(xué)業(yè)水平的促進(jìn)效果并不明確，還有一部分教師認(rèn)為物理學(xué)史的教學(xué)會(huì)擠占常規(guī)教學(xué)的時(shí)間和空間。

因此，以上困惑亟需得到澄清，而最好的引導(dǎo)其實(shí)來自教學(xué)評(píng)價(jià)，其中高考試題在教學(xué)評(píng)價(jià)中又最具代表性，故具有深刻的研究價(jià)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(xué)史教學(xué)的導(dǎo)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(jī)可以對由鋼板卷成的圓管的接縫實(shí)施焊接。焊機(jī)的原理如圖1所示，圓管通過一個(gè)接有高頻交流電源的線圈，線圈所產(chǎn)生的交變磁場使圓管中產(chǎn)生交變電流，電流產(chǎn)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(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)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(shí)是電磁感應(yīng)中的渦流的應(yīng)用，結(jié)合考查電磁感應(yīng)規(guī)律所涉及的物理學(xué)史。凸顯了“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”中的理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境的關(guān)系（STSE理念），有利于引導(dǎo)師生多關(guān)注生產(chǎn)生活中涉及到的物理學(xué)原理。題目中的表述本來還涉及電流流過導(dǎo)體使導(dǎo)體發(fā)熱（即焦耳定律），為此命題者沒有設(shè)置“焦耳”這一選項(xiàng)。交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電場（由麥克斯韋提出），為此命題者也沒有設(shè)置“麥克斯韋”這一選項(xiàng)，從中可以看出命題者倡導(dǎo)的“命題光明正大的考，學(xué)生光明正大的選”的評(píng)價(jià)理念。

2.2? ? 給教學(xué)帶來的啟示

（1）將物理學(xué)家的事跡、精神融入教學(xué)

題目中涉及的霍爾和洛倫茲，學(xué)生對他們的認(rèn)識(shí)基本停留在“霍爾效應(yīng)”和“洛倫茲力”。雖然不了解霍爾和洛倫茲不影響學(xué)生選出正確答案，但是這道高考題啟示教師們在教學(xué)中應(yīng)養(yǎng)成介紹科學(xué)家的習(xí)慣。比如，講到霍爾效應(yīng)的時(shí)候，就簡要介紹一下霍爾;講到自感系數(shù)的單位是亨利時(shí)，就介紹一下亨利。久而久之，學(xué)生對科學(xué)家的認(rèn)識(shí)就會(huì)進(jìn)一步清晰，進(jìn)一步加深。還可以鼓勵(lì)學(xué)生在寒、暑假閱讀科學(xué)家的傳記，這不僅有利于普及物理科學(xué)，增進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，還可以通過詳盡的科學(xué)家事跡感染、熏陶學(xué)生，用科學(xué)家精神培育學(xué)生。

（2）學(xué)科史內(nèi)容可以促進(jìn)學(xué)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(gè)“源頭”。課本是學(xué)生系統(tǒng)地獲取學(xué)科知識(shí)的主要來源，是遵循學(xué)科知識(shí)體系和受眾的認(rèn)知規(guī)律編寫的，是課程標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步細(xì)化，是一個(gè)體系。每個(gè)片段的設(shè)計(jì)都有著固有的意義，是集合眾多的課程建設(shè)專家團(tuán)隊(duì)以及一線教師的反饋意見反復(fù)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(xué)中，教師和學(xué)生應(yīng)該抓好“課本”這一高考考題的“根”和“源”，從理清科學(xué)家關(guān)系這一目的出發(fā)，回歸教材，系統(tǒng)地閱讀教材是非常必要的。因此，這道高考題的設(shè)置對引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材、引導(dǎo)教師重視教材的使用有非常好的促進(jìn)作用。題目中的插圖，其實(shí)來源于教材上的一幅插圖（圖2）。因此，借助“明晰科學(xué)家關(guān)系”這一強(qiáng)有力的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，可以有效促使學(xué)生去系統(tǒng)地閱讀教材。因此，物理學(xué)史的教育是引導(dǎo)教學(xué)回歸教材，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)的有力抓手。

（3）介紹科學(xué)家研究成果對人類文明的推動(dòng)作用

人類社會(huì)在發(fā)展的過程中越來越重視“科學(xué)（Science）”“技術(shù) （Technology）”和“社會(huì)（Society）”的關(guān)系，許多國家自20世紀(jì)后期以來將環(huán)境（Environment）融入其中，簡稱為STSE，他們重視STSE教育并將其融入到實(shí)際教學(xué)中。“STSE理念”也成為我國課程改革的方向。在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的課程總目標(biāo)中提出學(xué)習(xí)終身發(fā)展的必備技能，了解這些知識(shí)與技能在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，關(guān)注科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[2]。在重視科學(xué)技能培養(yǎng)的過程中，我們也要重視全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，其綜合表現(xiàn)是學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣、尊重科學(xué)的態(tài)度、探索科學(xué)的行為和創(chuàng)新科學(xué)的效果，關(guān)注科技的同時(shí)也要注重保護(hù)環(huán)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(shí)的教學(xué)中重視STSE教學(xué)，主動(dòng)收集、開發(fā)相關(guān)的教學(xué)素材。將學(xué)科知識(shí)與技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境緊密結(jié)合，用物理視角去觀察生活、生產(chǎn)和社會(huì)中各類有關(guān)的物理問題，在教育教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心熱點(diǎn)問題，運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)解決生活中的常見問題[3]。

結(jié)合教科書給出的渦流加熱的圖片，教師可以將靜態(tài)的圖片轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的素材，網(wǎng)絡(luò)上就有相關(guān)的渦流加熱的短視頻。通過化靜為動(dòng)，可以將渦流加熱以更加形象的方式呈現(xiàn)給學(xué)生（圖3）。還比如，《輝煌中國》紀(jì)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(shí)踐，同時(shí)也是潛移默化的愛國主義教育素材，實(shí)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(xì)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(shí)驗(yàn)小組用此裝置測量小球B運(yùn)動(dòng)的加速度。

令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時(shí)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(shí)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(shù)字）。

從實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間=9.80 m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算可得小球B加速度的大小為a′=? ? ? ?m/s2（保留3位有效數(shù)字）?？梢钥闯?，a′與a有明顯差異，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)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(xiàn)的就是物理學(xué)史上的“阿特伍德機(jī)”模型。本題考查了牛頓第二定律、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。還涉及到隔離法、誤差分析、有效數(shù)字等學(xué)科思維、概念及方法，難度適中。

3.2? ? 給教學(xué)帶來的啟示

（1）鼓勵(lì)演示實(shí)驗(yàn)的開展

本題的第三空考查學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)之間存在的客觀差異，分析背后存在的原因。可以運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，認(rèn)識(shí)到滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來會(huì)分走一部分動(dòng)能、滑輪與軸之間的摩擦?xí)鸁?、部分能量在與空氣的摩擦中將會(huì)耗散到環(huán)境中去等，從而給出合理的答案。

網(wǎng)上公布的參考答案是“滑輪與軸之間有摩擦或滑輪有質(zhì)量”，回答這兩個(gè)答案的學(xué)生比想象中要少。閱卷中產(chǎn)生的這個(gè)細(xì)節(jié)，提示教師教學(xué)過程中可以做一下物理學(xué)史上的阿特伍德機(jī)的相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以直觀地看到滑輪在不停轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在答題時(shí)能快速聯(lián)想到轉(zhuǎn)動(dòng)的滑輪會(huì)分走一部分能量。在兩個(gè)鉤碼一升一降的過程中，學(xué)生還會(huì)聽到滑輪一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊咯吱咯吱地響，由此，學(xué)生就很容易理解滑動(dòng)摩擦發(fā)生的地點(diǎn)是在滑輪與軸之間。

以上分析表明，在教學(xué)中如果可以把物理學(xué)史上一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示一下，對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)有著顯著的促進(jìn)效果。

（2）科學(xué)辯證地認(rèn)識(shí)和分析誤差

誤差分析在科學(xué)探究中具有重大意義。一來，誤差分析本身可以作為某次實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否成立的判定依據(jù);二來，找到了誤差的來源，也就明確了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、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(tǒng)誤差，開放性的答案設(shè)置有利于發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，從而發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

在閱卷的過程中，部分老師認(rèn)為引起誤差的主要因素是滑輪本身有質(zhì)量和滑輪與軸的摩擦，而空氣阻力所占的比例應(yīng)該很小。雖然填“空氣阻力”最終也給了分，但是部分老師認(rèn)為填空氣阻力的學(xué)生可能只是一種定式思維，該生實(shí)際上并未明晰這個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差的實(shí)質(zhì)與主體。

實(shí)際上，空氣阻力對實(shí)驗(yàn)的影響是與小球本身的材質(zhì)有關(guān)，如果是木球下落，則空氣阻力的影響顯然就會(huì)更大，泡沫球下落，誤差就會(huì)更大。因此，為了降低空氣阻力對實(shí)驗(yàn)的影響，阿特伍德機(jī)中才使用鋼球。

（3）以物理學(xué)史為載體滲透物理觀念

那么，滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)究竟會(huì)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(jī)進(jìn)行半定量的誤差分析。

從實(shí)驗(yàn)室找來一個(gè)常見的演示實(shí)驗(yàn)所用的滑輪，如圖5所示。測得滑輪半徑為2.50 cm，質(zhì)量為5.2 g，將滑輪近似當(dāng)成圓盤，則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=■mr2，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能E=■Iω2。此過程中系統(tǒng)的重力勢能減少量為ΔEp，系統(tǒng)動(dòng)能的增加量為ΔEk，則根據(jù)題目中的信息，可以算出系統(tǒng)重力勢能減少了0.245 J，系統(tǒng)動(dòng)能增加了0.225 J。末狀態(tài)的一瞬間，滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為0.00468 J?；嗈D(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能占重力勢能減小量的2.08%。而根據(jù)此題前兩空所得的答案算出的百分誤差為6.12%?？梢钥闯龌喌霓D(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能分走的能量帶來的誤差占總誤差的34.0%，可見滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)分走的動(dòng)能的確是該實(shí)驗(yàn)重要的誤差來源。

另一方面，在復(fù)習(xí)教學(xué)中可以在能量轉(zhuǎn)化與守恒規(guī)律的教學(xué)中有機(jī)地融合兩段史料，讓學(xué)生感受守恒思維在歷史上與物理實(shí)驗(yàn)之間有機(jī)的互動(dòng)過程。在物理學(xué)史上能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律曾經(jīng)遭遇過兩次危機(jī)。第一次是19世紀(jì)末關(guān)于放射性的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)放射現(xiàn)象總伴隨著“取之不盡”的能量釋放，起初人們認(rèn)為是能量守恒定律在微觀領(lǐng)域不適用，后來科學(xué)家們引入了核能的概念，從而化解了這場危機(jī)。第二次是1920年前后，人們發(fā)現(xiàn)在β衰變中，總有一部分能量和動(dòng)量消失了，這在當(dāng)時(shí)確實(shí)令人不解，以致于相當(dāng)一部分物理學(xué)家認(rèn)為能量和動(dòng)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(dāng)時(shí)也這樣認(rèn)為。而來自奧地利年僅31歲的年輕物理學(xué)家泡利則堅(jiān)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(dòng)量或許正是被這種粒子帶走的。兩年后，費(fèi)米正式將這種極其微小的粒子稱作中微子。就這樣，當(dāng)初泡利“遵循守恒思想”提出的預(yù)言在24年后被有力地證實(shí)了。這些史實(shí)充分體現(xiàn)了能量守恒定律在實(shí)驗(yàn)探索中的指導(dǎo)作用。

（4）開發(fā)校本課程，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究方面的素養(yǎng)

圖6是筆者開展的校本選修課中學(xué)生探究阿特伍德機(jī)時(shí)的場景（圖6中重物上方粘著橡皮泥，用于粗測系統(tǒng)的阻力）學(xué)生在積極的探索過程中不僅可以更好地體驗(yàn)物理學(xué)的魅力，更能體驗(yàn)做中學(xué)的樂趣。因此，不妨將物理學(xué)史上的一些經(jīng)典的小實(shí)驗(yàn)開發(fā)整合為學(xué)生的課外探究小實(shí)驗(yàn)，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科熱情，又發(fā)展了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

4? ? 結(jié)束語

學(xué)者江曉原認(rèn)為，要在人文和自然之間建立一座橋梁，這座橋梁正是科學(xué)史，建造這座橋梁是我們這個(gè)時(shí)代的文化需要[5]。物理學(xué)史的相關(guān)教學(xué)具備的教育功能，可在激發(fā)興趣、梳理知識(shí)、形成觀念、訓(xùn)練思維、培育精神等多個(gè)方面起到關(guān)鍵作用，繼而有助于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

教學(xué)評(píng)價(jià)是教學(xué)的重要組成部分，對課程的實(shí)施具有很強(qiáng)的診斷、激勵(lì)、改進(jìn)和質(zhì)量監(jiān)控等功能，評(píng)價(jià)的內(nèi)容、方式、結(jié)果等方面都會(huì)直接影響課程培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。教學(xué)評(píng)價(jià)還具有很強(qiáng)的導(dǎo)向功能，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系充分體現(xiàn)了教育的性質(zhì)、目標(biāo)和程度要求，是教學(xué)行動(dòng)的指南，為教學(xué)指明方向，即指明教師教和學(xué)生學(xué)的目標(biāo)和應(yīng)達(dá)到程度的方向。高考體現(xiàn)了國家選才要求和高中教育目標(biāo)的統(tǒng)一，具有很強(qiáng)的代表性，對學(xué)科教學(xué)具有很強(qiáng)的導(dǎo)向性[6]。

總體而言，2020年高考全國II卷物理試題強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、聯(lián)系實(shí)際、突出主干，強(qiáng)化核心素養(yǎng)、關(guān)鍵能力的考查，充分體現(xiàn)了高考評(píng)價(jià)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(xué)史教學(xué)的重要性的認(rèn)可，所發(fā)揮的導(dǎo)向功能將會(huì)對物理教學(xué)產(chǎn)生積極的影響。

一方面高考試題充分落實(shí)了課標(biāo)要求。另一方面，高考試題充分發(fā)揮了對一線教學(xué)所具有的積極的導(dǎo)向功能，扮演著課標(biāo)與教學(xué)之間的紐帶的角色，有機(jī)地實(shí)現(xiàn)了課標(biāo)、高考、教學(xué)三方的積極互動(dòng)。

因此，物理教師應(yīng)把高考評(píng)價(jià)體系與課程標(biāo)準(zhǔn)充分融合，落實(shí)到日常教學(xué)過程中，著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，既成長了學(xué)生，也成長了自己。

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（欄目編輯? ? 陳? 潔）