從教學(xué)到育人

作者簡介：馮華，北京教育學(xué)院數(shù)學(xué)與科學(xué)教育學(xué)院原院長，副教授，北京市物理學(xué)會常務(wù)理事，北京教育學(xué)院物理學(xué)科國家級培訓(xùn)項目負責(zé)人，北京市物理骨干教師培訓(xùn)項目負責(zé)人，北京市高中物理卓越教師工作室首席專家，主要研究物理、科學(xué)、通用技術(shù)、國際理解教育及教師培訓(xùn)。

摘 要：《普通高中物理課程標準》（2017年版）凝練了學(xué)科核心素養(yǎng)。在教學(xué)實踐中，教師對于全面、準確地理解物理核心素養(yǎng)以及在教學(xué)中培育學(xué)生的物理核心素養(yǎng)存在一些問題。將教學(xué)內(nèi)容以專題的形式，組織以專題為載體的教學(xué)活動，不但能夠更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，而且可以促進學(xué)生從更為系統(tǒng)的層面思考知識體系，激勵學(xué)生主動地學(xué)習(xí)、深入地思考，實現(xiàn)從教學(xué)到育人的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；專題教學(xué)；自由落體運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）8-0001-5

2018年1月，教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》中凝練了學(xué)科核心素養(yǎng)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)是在《普通高中課程標準》（實驗）提出的“知識與技能”“過程與方法”“情感、態(tài)度與價值觀”三維目標整合的基礎(chǔ)上，明確了學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程后應(yīng)達成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面[1]。在新課程標準頒布后，教師關(guān)注怎樣理解物理核心素養(yǎng)？如何在教學(xué)中培育學(xué)生的物理核心素養(yǎng)？下文就此談?wù)劚本┦懈咧形锢碜吭浇處煿ぷ魇业乃伎己蛯嵺`。

1 全面理解物理核心素養(yǎng)

《普通高中物理課程標準（2017年版）》不但對物理核心素養(yǎng)有準確的界定，而且在附錄中列出了物理核心素養(yǎng)的水平劃分[1]。但在實踐中，教師對物理核心素養(yǎng)的理解卻存在著偏頗。

首先，割裂物理核心素養(yǎng)4個方面的聯(lián)系。例如，有的研究課題的目標是分別建立核心素養(yǎng)4個方面與相應(yīng)知識的聯(lián)系，期望得到的結(jié)論是：通過某個概念教學(xué)，形成某種科學(xué)思維能力；或者通過某個規(guī)律教學(xué)，形成某個物理觀念。教師希望找到物理知識點與物理核心素養(yǎng)某個方面的對應(yīng)關(guān)系，從而在教學(xué)中得以實施。

物理核心素養(yǎng)是一個整體，核心素養(yǎng)4個方面是相互聯(lián)系、共同發(fā)展的。“物理觀念”的形成是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程的過程中，經(jīng)歷科學(xué)探究和科學(xué)思維過程，逐漸形成從物理學(xué)視角看待自然界的基本認識，從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的意識和能力；提出創(chuàng)造性見解的能力與品格、對于科學(xué)本質(zhì)的認識、正確的科學(xué)態(tài)度和積極的社會責(zé)任是伴隨著物理觀念的形成而不斷深化的。

其次，機械地理解物理核心素養(yǎng)。例如，有些教學(xué)管理部門在執(zhí)行課程標準的過程中，給出的教學(xué)設(shè)計模板，要求在教學(xué)目標部分列出物理觀念目標、科學(xué)思維目標、科學(xué)探究目標、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任目標。這樣機械地對應(yīng)，勢必造成生吞活剝、穿靴戴帽的效果。

在物理教學(xué)中，以培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)為目標無疑是正確的。但是，如果將一節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容直接與物理核心素養(yǎng)的4個方面一一對應(yīng)，顯然過于機械。況且，物理課程內(nèi)容的豐富性以及學(xué)生發(fā)展過程中的差異性，決定了物理課程的教育價值也是豐富多彩的。物理核心素養(yǎng)的4個方面只是基本的物理課程目標，需要在學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程的過程中由低級到高級、由基本到更加豐富逐漸形成。

2 以專題為載體培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的思考

2.1 關(guān)注科學(xué)學(xué)習(xí)的特點

上述落實課程標準過程中存在的偏頗，既有主觀因素，也有客觀因素。從客觀上分析，科學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容決定了科學(xué)教育的特點。以物理概念為例：物理概念既是觀察、實驗和科學(xué)思維的產(chǎn)物，又是科學(xué)共同體的語言；物理概念不僅具有確定的內(nèi)涵與外延，而且一般具有量的含義，可以與測量和數(shù)學(xué)聯(lián)系起來；物理概念還是不斷發(fā)展變化的[2]。

物理概念具備的上述特點說明，物理概念既是物理現(xiàn)象、物理過程的概括化和抽象化的思維形式，又是物理學(xué)習(xí)或物理思維的基本單位；既有與生活概念共有的特征，又與人們在生活中形成的概念有很大的區(qū)別。因此，恰當?shù)慕虒W(xué)活動對科學(xué)學(xué)習(xí)的目標達成尤為重要。正如杜施爾等指出的那樣：學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)過程是“教學(xué)輔助下的發(fā)展”（instruction-assisted development），忽視教學(xué)因素單純描述學(xué)生的發(fā)展階段將有脫離科學(xué)教育研究根基的風(fēng)險[3]。在學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中，教學(xué)發(fā)揮著重要的作用。如何通過教學(xué)輔助促進學(xué)生的發(fā)展是一個值得研究的問題。

2.2 對于物理專題教學(xué)的思考

在教學(xué)實踐中，教師往往習(xí)慣于重點講夠、難點講透、面面俱到的教學(xué)設(shè)計，要求學(xué)生關(guān)注知識的細節(jié)。這樣的教學(xué)活動不但無法培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，往往還會增加學(xué)生的記憶負擔(dān)，降低學(xué)習(xí)效率，造成學(xué)生對科學(xué)的冷漠和不信任。

以專題為載體是將教學(xué)內(nèi)容以專題的形式組織。在專題中，圍繞具體內(nèi)容涵蓋物理學(xué)家為什么提出科學(xué)問題、在深化和解決問題過程中的關(guān)鍵情節(jié)、在形成結(jié)論過程中主要的思維方式和研究方法的精華以及對科學(xué)結(jié)論內(nèi)涵的深刻思考等。在課程標準規(guī)定的內(nèi)容中，有很多可以以專題的形式組織，比如，“牛頓運動定律”“法拉第電磁感應(yīng)定律”“光的本性”“原子結(jié)構(gòu)”等專題，其中既蘊含豐富的培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的內(nèi)容，又可以促進學(xué)生從更加系統(tǒng)的層面思考知識體系，激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)，深入思考，實現(xiàn)從教學(xué)到育人的轉(zhuǎn)變。

3 教學(xué)案例

下面以“自由落體運動”專題為例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^物理專題教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

3.1 在歷史的發(fā)展中開始專題學(xué)習(xí)

1638年，伽利略在《兩種新科學(xué)的對話》中提出自由落體運動規(guī)律。如果只從知識的角度教學(xué)，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時會產(chǎn)生如下的感慨：300多年前的人太幸運了，他們信手就可以發(fā)現(xiàn)一個自然規(guī)律。學(xué)生這樣的看法，顯然是對人類發(fā)展的歷史缺乏了解。因此，以育人為目的的教學(xué)首先要把學(xué)生的學(xué)習(xí)放在歷史的發(fā)展中思考。

在14—15世紀之前的中世紀，歐洲幾乎是文化的沙漠。正如恩格斯所指出：“中世紀只知道一種意識形態(tài)，即宗教和神學(xué)。”[4]人類發(fā)展到14—15世紀，由封建社會內(nèi)部逐漸形成和發(fā)展了資本主義的生產(chǎn)方式，文藝復(fù)興運動是這個時期歷史發(fā)展的標志。文藝復(fù)興運動擺脫了宗教教條的束縛，肯定了人的自主性和獨立性，形成以人為中心而不以神為中心來考察一切的觀念。美國著名數(shù)學(xué)家和科學(xué)史家弗·卡約里在《物理學(xué)史》中寫道：“16世紀是激烈的智力活動時期。人們的思想從古代的停泊處解開纜繩，在廣闊的探索求知的海洋上啟航前進了。這個運動是波瀾壯闊的。在這里，我們目擊了古典學(xué)術(shù)的復(fù)興；我們看到了以宗教改革聞名的反對教會權(quán)威的偉大斗爭；與世隔絕的數(shù)學(xué)家將新的生命灌注到代數(shù)學(xué)和三角學(xué)之中；天文學(xué)家凝視星辰，創(chuàng)建了一個新的宇宙體系；物理學(xué)家摒棄了經(jīng)院哲學(xué)的思辨，開始以實驗的語言來研究自然?！盵5]

文藝復(fù)興也促進了科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。以天文學(xué)為開端，哥白尼在《天體運行論》中否定了地心說，提出了日心說的觀點；布魯諾提出“宇宙是物質(zhì)的、統(tǒng)一的和無限的，在太陽系外還有無數(shù)的世界”的觀點，用生命捍衛(wèi)日心說；開普勒深入研究了他的老師第谷記載的關(guān)于行星的觀測資料，發(fā)現(xiàn)行星圍繞太陽運動的真實軌道是橢圓，完成了哥白尼體系中的重要觀測。上述這一切，是伽利略所處時代的一些重要的社會發(fā)展背景和科學(xué)研究狀況。

把自由落體運動專題教學(xué)放在這樣的背景中，可以幫助學(xué)生超越具體知識的學(xué)習(xí)，充分認識人類對于自然規(guī)律的探索不可能超越時代，科學(xué)的發(fā)展總是伴隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和生產(chǎn)關(guān)系的變化，科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有時代的痕跡，從而避免科學(xué)教育被異化為簡單、膚淺地記憶知識。

3.2 以科學(xué)思維為主線引發(fā)深入思考

如果從教學(xué)的視角看，這部分教學(xué)內(nèi)容非常簡單。在教學(xué)中，教師往往播放視頻資料，展示重的物體與輕的物體同時落地的實驗，然后說明自由落體運動是初速度為0、加速度為g的勻加速直線運動，直接給出運動規(guī)律是：h=■gt2。但從育人視角思考，伽利略發(fā)現(xiàn)自由落體運動規(guī)律的思維過程，具有豐富的發(fā)展物理核心素養(yǎng)的價值。

在16世紀以前，亞里士多德關(guān)于運動的理論長期占據(jù)統(tǒng)治地位，否定亞里士多德關(guān)于落體運動的錯誤理論，不僅是運動學(xué)的問題，而且是一場思想革命的重要組成部分。伽利略在其中作出了非常重要的貢獻。

（1）伽利略用思辨的方法否定了物體下落的快慢與它們的重量成正比，這是我們熟知的。伽利略在1638年他所著的《兩門新科學(xué)》一書中，借自己的化身薩爾維阿蒂的談話，用一個悖論批駁物體下落速度與重量成正比的說法。需要指出的是，根據(jù)目前的考證，伽利略并沒有在意大利比薩斜塔上做過落體實驗，以證明重的物體與輕的物體同時落地。

（2）伽利略在“自然規(guī)律是簡單存在”的觀念的指引下，否定把運動分成自然運動和強迫運動的分類方法。他認為，應(yīng)該按照運動速度是否變化，把運動分為勻速運動和變速運動；落體運動是最簡單的變速運動——勻加速運動。

（3）伽利略定義了勻加速運動的加速度。在定義加速度的過程中，科學(xué)思維發(fā)揮了重要作用。起初，伽利略沿用了2000多年間科學(xué)家將加速度定義為速度的增加與所通過的距離之比，即v∝s；但最終他通過思辨的方法，發(fā)現(xiàn)了這個定義的荒謬之處。

根據(jù)v∝s這個加速度的定義，伽利略假設(shè)物體在落下一段距離s后得到某一速度v；接著，在落下的距離為2s時，速度應(yīng)為2v；如果這個定義成立，通過s距離所用的時間是t1=■，通過2s距離所用的時間是t2=■=t1，則物體通過距離2s所用的時間將與通過距離s所用的時間一樣，也就是通過第二段距離s不需要時間，這顯然是荒謬的。伽利略轉(zhuǎn)而研究以速度的增加與所用的時間之比來定義加速度，他發(fā)現(xiàn)這個定義既簡單，又不存在自相矛盾之處。

在關(guān)于加速度定義的教學(xué)中，教師一般給出現(xiàn)代定義，即單位時間物體運動速度的變化量，然后解決運動學(xué)的問題。在自由落體運動專題教學(xué)中，用一點時間介紹一下伽利略的思辨過程，可以幫助學(xué)生深刻理解物理學(xué)科的本質(zhì)。

（4）在上述準備工作完成后，伽利略開始研究自由落體運動。

①推理

伽利略首先提出如下假設(shè)：如果自由落體運動是勻加速運動，則在整個物體下落過程中，△v/△t應(yīng)該是恒量。但是，在伽利略生活的時代，還沒有測量瞬時速度和短暫時間的儀器。為了解決這個問題，伽利略提出：如果根據(jù)某一假設(shè)，所得到的推論嚴格符合實驗結(jié)果，則該假設(shè)的真實性就可以得到確證。

伽利略運用數(shù)學(xué)假設(shè)，將速度與時間的瞬時關(guān)系轉(zhuǎn)換成整個下落時間與下落距離之間的關(guān)系，這樣可以降低測量的難度。他借助圖1得出，一個從靜止開始做勻加速運動的物體，在時間t內(nèi)通過的距離為s，就相當于物體以末速度vt的一半做勻速運動在這段時間通過的距離，即：s=■t。而勻加速運動v∝t，因此s∝t2。

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圖1 伽利略運用幾何方法推證

勻加速運動中平均速度為末速度的一半

根據(jù)伽利略的上述思考，假設(shè)落體運動是勻加速運動，且由此得到的推論s∝t2嚴格符合實驗結(jié)果，就可以確證該假設(shè)的真實性。即：在以后的實驗中，如果證明落體運動s∝t2，則該運動就是勻加速運動。

②斜面實驗

盡管通過假設(shè)的推論可以轉(zhuǎn)換測量量，但物體的自由下落還是太快了。為了解決這個問題，伽利略設(shè)計了斜面實驗。他在《兩門新科學(xué)》一書中對這個實驗作了具體的描述。

為了找到物體自由下落和在斜面上運動之間的關(guān)系，進而把研究物體在斜面上勻加速運動得出的結(jié)論推廣到豎直的落體運動，伽利略提出并用實驗驗證了“等末速度假設(shè)”：靜止的物體不論沿豎直方向自由下落，還是沿不同傾斜度的斜面從同一高度下落，它們到達末端時具有相同的速度。物體在下落過程中所得到的速度只由下落的垂直高度決定，與路程的傾斜程度或斜面的長度無關(guān)。

為了測量時間，伽利略寫到：“我們把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細的管子，用小杯子收集每次下降時由細管流出的水，不管是全程還是全程的一部分，都可收集到。然后，用極精密的天平稱水的重量；這些水重之差和比值就給出時間之差和比值。精確度如此之高，以至于重復(fù)許多遍，結(jié)果都沒有明顯的差別?！盵6]

③概括伽利略發(fā)現(xiàn)落體運動規(guī)律的思維過程如圖2所示：

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圖2 伽利略發(fā)現(xiàn)落體運動規(guī)律的思維過程

整個思維過程沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，但邏輯的縝密、推理的嚴謹、實驗設(shè)計的巧妙等方面均非常典型地展現(xiàn)了科學(xué)家認識自然的過程。

3.3 展現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的真實圖景

在科學(xué)教學(xué)中，教材中呈現(xiàn)的科學(xué)發(fā)展進程往往是以線性的方式呈現(xiàn)的，沒有波折。教師一般都是采用規(guī)范的模式推理，引導(dǎo)學(xué)生解決問題、得出結(jié)論。長此以往，學(xué)生就會把科學(xué)看作僅僅由邏輯思維、實證方法構(gòu)成。

關(guān)于伽利略所做的斜面實驗和發(fā)現(xiàn)落體運動規(guī)律的關(guān)系，在他的手稿中可以找到一些證據(jù)。圖3是伽利略手稿的照片，從紙張的特點可以判定這頁數(shù)據(jù)大約記于1604年。由手稿上看出（手稿中的數(shù)據(jù)見表1），第一列數(shù)據(jù)1、4、9、16、25、36、49、64是后加上去的，看來此時伽利略還沒有確定時間平方關(guān)系。第三列數(shù)據(jù)有幾處涂改，似乎是伽利略在實驗之后對數(shù)據(jù)作了修正。這些判斷有助于說明伽利略的時間平方關(guān)系并不是直接從實驗得到，而是先有了設(shè)想，再用實驗加以驗證[7]。

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圖3 伽利略的手稿照片

表1 伽利略手稿中的數(shù)據(jù)

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伽利略的斜面實驗可能運用了兩種不同的方法，一是改變距離，測量時間（如《兩門新科學(xué)》所述）；二是改變時間，測量距離（如手稿所示）。史實告訴我們，僅僅從實驗數(shù)據(jù)直接得到落體定律，進而奠定科學(xué)基礎(chǔ)的說法顯然不夠客觀。

伽利略發(fā)現(xiàn)落體運動規(guī)律的過程啟示我們：在真實情景下解決問題，往往不完全依靠邏輯思維，合理假設(shè)、直覺思維、大膽想象等非邏輯的思維方式在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中也發(fā)揮了重要作用，綜合運用各種思維方式思考是科學(xué)發(fā)展的真實圖景。

3.4 “自由落體運動”專題的教學(xué)實踐

教師首先以群星薈萃的文藝復(fù)興時期展開專題教學(xué)；然后詳細介紹了伽利略的思辨、推理過程；進而研究斜面實驗。斜面實驗分為3個步驟：一是師生共同使用脈搏和水鐘的計時方式計時，測量s與t的關(guān)系，分析數(shù)據(jù)。（下轉(zhuǎn)第8頁）（上接第4頁）學(xué)生發(fā)現(xiàn)用測量脈搏的方法記錄小球在斜面運動的時間難度很大。學(xué)生又用老師按照伽利略的描述制作的水鐘計時，能夠粗略記錄s與t的關(guān)系，但很難發(fā)現(xiàn)規(guī)律。二是學(xué)生用手機的計時裝置計時、測量，然后用Excel處理實驗數(shù)據(jù)，大致得到s∝t2的關(guān)系。三是教師用氣墊導(dǎo)軌由傳感器直接給出s與t的關(guān)系，準確地得到了自由落體運動規(guī)律。

通過專題教學(xué)，了解伽利略為什么研究落體運動，在深化和解決問題過程中的關(guān)鍵思考、主要的思維方式和研究方法等內(nèi)容，每個學(xué)生都沉浸在歷史情境和研究狀態(tài)中，久久不愿離開。這樣的課堂教學(xué)，物理核心素養(yǎng)是自然而然地形成和發(fā)展的，也是孤立的概念與規(guī)律教學(xué)很難實現(xiàn)的。

綜上所述，通過物理專題教學(xué)，不但可以從更加綜合的視角呈現(xiàn)物理課程內(nèi)容，為學(xué)生提供充足的探索素材，促進學(xué)生改變學(xué)習(xí)方式，發(fā)展物理核心素養(yǎng)；而且能夠幫助更多的學(xué)生通過學(xué)習(xí)體驗實現(xiàn)更有意義、更富創(chuàng)造性的人生的價值，從而實現(xiàn)教育從教學(xué)到育人的回歸。

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（欄目編輯 廖伯琴）