顯化科學(xué)本質(zhì)教育落實(shí)物理核心素養(yǎng)

摘 要：以普通高中物理教材“廣義相對(duì)論簡介”一節(jié)教學(xué)為例，系統(tǒng)分析其在實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育方面的育人價(jià)值，并實(shí)踐探索了其實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育的顯化做法，這一案例具有體現(xiàn)物理課程的時(shí)代性、注重物理教學(xué)的邏輯和結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，對(duì)開展科學(xué)本質(zhì)教育具有一定的參考意義.

關(guān)鍵詞：廣義相對(duì)論;育人價(jià)值;科學(xué)本質(zhì)教育;教學(xué)案例研究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0032-04

作者簡介：馬亞鵬（1986-），男，寧夏隆德人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標(biāo)）將科學(xué)本質(zhì)作為“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的首要要素納入物理學(xué)科核心素養(yǎng)之中，使得科學(xué)本質(zhì)教育成為課程目標(biāo)，并在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中提出了具體的要求.如何在物理教學(xué)中開展科學(xué)本質(zhì)教育？國際上關(guān)于科學(xué)本質(zhì)教育的研究表明，“科學(xué)本質(zhì)需要通過顯性的教（明示教學(xué)）才能實(shí)現(xiàn)理解[1]”.為此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中以人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理（選修3-4）》[2]中“廣義相對(duì)論簡介”一節(jié)內(nèi)容為載體，進(jìn)行了實(shí)踐探索，并取得明顯效果.

1 “廣義相對(duì)論簡介”內(nèi)容在實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育方面的育人價(jià)值分析

首先，廣義相對(duì)論對(duì)物質(zhì)、引力、時(shí)間和空間及其關(guān)系的劃時(shí)代研究中，帶來了時(shí)空觀的革命，是學(xué)生形成物理觀念的重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容;其次，廣義相對(duì)論中，愛因斯坦提出等效原理時(shí)所使用的“思想實(shí)驗(yàn)”也是重要的科學(xué)思維方法，對(duì)發(fā)展科學(xué)思維具有不可或缺的價(jià)值.愛因斯坦特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)概念的自由創(chuàng)造，正如有學(xué)者指出“在愛因斯坦那里，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以推理為工具到以概念為工具的方法論的轉(zhuǎn)變[3]”;再次，天文觀測的證據(jù)很好地驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的基本觀點(diǎn)，突出了科學(xué)理論的可檢驗(yàn)性特點(diǎn)，體現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的內(nèi)在力量，因此這節(jié)內(nèi)容是促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的典型范例.如對(duì)引力紅移、水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)等現(xiàn)象，牛頓引力理論只能部分地解釋，而廣義相對(duì)論的預(yù)言與觀測結(jié)果卻能很好地符合，這也體現(xiàn)了不同科學(xué)理論融合時(shí)，人們會(huì)基于事實(shí)證據(jù)選擇接受“最優(yōu)”的理論，這也是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的重要“范式”.

“廣義相對(duì)論簡介”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，既是高中物理課程時(shí)代性的集中體現(xiàn)，也是高中物理教學(xué)中開展“高階”科學(xué)本質(zhì)教育的重要載體之一.這一點(diǎn)也與“課標(biāo)”的要求不謀而合，“課標(biāo)”中除了有“了解廣義相對(duì)論的主要思想、結(jié)論和觀測證據(jù)”的具體要求外，在學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)教育的5級(jí)水平中，有3條能夠在廣義相對(duì)論教學(xué)中得到很好的體現(xiàn)，分別是：“認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是基于人類有意識(shí)的探究而形成的對(duì)自然現(xiàn)象的描述與解釋，并需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)（水平2）;認(rèn)識(shí)到物理研究是一種對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性工作（水平4）;認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然的方式之一，是不斷發(fā)展的，具有相對(duì)持久性和普適性，但同時(shí)也存在局限性（水平5）[4].”

2 對(duì)“廣義相對(duì)論簡介”的教學(xué)分析

2.1 教材內(nèi)容分析

本節(jié)教材在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，分“超越狹義相對(duì)論的思考”“廣義相對(duì)性原理和等效原理”“廣義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論”三部分簡要介紹了廣義相對(duì)論的思想、結(jié)論和觀測證據(jù).具體而言，教材先簡要介紹了狹義相對(duì)論未能解決的兩大疑難——慣性參考系為何具有特殊地位和萬有引力理論無法納入狹義相對(duì)論的框架.緊接著，提出了廣義相對(duì)性原理，運(yùn)用“思想實(shí)驗(yàn)”詳細(xì)介紹了等效原理，即無法區(qū)分引力場和慣性系的問題.上述兩條基本原理構(gòu)成了廣義相對(duì)論的基本假設(shè).最后，教材主要介紹了光線彎曲、引力紅移這兩個(gè)成功檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的觀測證據(jù).鑒于廣義相對(duì)論遠(yuǎn)離學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際和生活經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)，教材只用通俗的語言簡要講解了上述“普及性”的內(nèi)容.因而也導(dǎo)致教材編寫略顯單薄，未能舉出“水星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”等經(jīng)典案例，特別是教材對(duì)廣義相對(duì)論中的科學(xué)本質(zhì)觀未能有顯性論述.

2.2 學(xué)習(xí)者分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)廣義相對(duì)論前，已系統(tǒng)掌握了經(jīng)典物理的主干內(nèi)容，對(duì)相對(duì)論和量子論等現(xiàn)代物理知識(shí)有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，他們急于了解現(xiàn)代物理學(xué)的基本思想和主要觀點(diǎn)，但由于現(xiàn)代物理的思想對(duì)于經(jīng)典物理而言是革命性的，并且遠(yuǎn)離學(xué)生的生活實(shí)際，因而學(xué)生并不能直接結(jié)合已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)思考相關(guān)問題，加之這部分內(nèi)容難度較大，容易造成學(xué)習(xí)困難.同時(shí)，也有一部分學(xué)生通過科普書、科幻電影等途徑了解了廣義相對(duì)論的一些觀點(diǎn)和觀測證據(jù)，但都不夠系統(tǒng)，且極容易形成錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí).因此，在教學(xué)中清晰地講解廣義相對(duì)論的主要觀點(diǎn)和觀測證據(jù)，幫助學(xué)生初步形成較為科學(xué)的認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要.

2.3 教學(xué)目標(biāo)的確立依據(jù)

將新課標(biāo)中“了解廣義相對(duì)論的主要思想、結(jié)論和觀測證據(jù)”的要求具體化，按照物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)維度陳述具體目標(biāo).

2.3.1 物理觀念

知道狹義相對(duì)論的兩大疑難，了解廣義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)和主要觀測證據(jù)，形成相對(duì)論的時(shí)空觀念，并運(yùn)用這些觀念解釋自然現(xiàn)象.

2.3.2 科學(xué)思維

了解“等效原理”建立的思想實(shí)驗(yàn)，體會(huì)思想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的作用.

2.3.3 科學(xué)探究

能夠根據(jù)所提供的天文觀測證據(jù)，驗(yàn)證廣義相對(duì)論，形成合理結(jié)論.

2.3.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

認(rèn)識(shí)到物理學(xué)研究是一種對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性工作;認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是不斷發(fā)展的，新的理論要能合理解釋已有理論無法解釋的現(xiàn)象，要能預(yù)言新的現(xiàn)象;體會(huì)可檢驗(yàn)性是科學(xué)研究的一個(gè)重要特征;體會(huì)科學(xué)理論的局限性.

3 “廣義相對(duì)論簡介”教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

運(yùn)用多媒體課件呈現(xiàn)2019年4月發(fā)布的“人類史上首張黑洞照片”（如圖1），指出黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論的重要預(yù)言之一，黑洞照片的拍攝又一次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論是科學(xué)的理論.

評(píng)析：以最新的重大科學(xué)事件（科技前沿）為例創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

3.2 對(duì)比分析，指出疑難

（1）對(duì)比分析有關(guān)慣性參考系的兩種表述：①牛頓第一定律成立的參考系稱之為慣性系;②牛頓第一定律只適用于慣性參考系.

思考后學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在牛頓第一定律和慣性系之間，存在著邏輯循環(huán)的問題，這說明牛頓力學(xué)和狹義相對(duì)論得以成立的基礎(chǔ)——慣性系，存在“無法合理定義”的問題.

（2）萬有引力和電磁力具有相似的特點(diǎn)，但牛頓的萬有引力理論認(rèn)為引力的傳遞是“超距作用”，而狹義相對(duì)論表明真空中的光速是自然界速度的極限.說明萬有引力無法納入狹義相對(duì)論的框架.

評(píng)析：在對(duì)比中，邏輯地得出狹義相對(duì)論盡管在時(shí)空觀上取得了重大的突破，但仍具有不可調(diào)和的矛盾需要解決，客觀上產(chǎn)生了創(chuàng)立新理論的需要.

3.3 思想實(shí)驗(yàn)，形成結(jié)論

教師講解廣義相對(duì)性原理和等效原理.

3.3.1 廣義相對(duì)性原理

愛因斯坦看到了慣性系定義中的疑難，開始對(duì)“慣性系的優(yōu)先地位”產(chǎn)生懷疑，并最終放棄了慣性系的概念，認(rèn)為“在任何參考系中，物理規(guī)律都是相同的”，并將其作為廣義相對(duì)論的一條基本假設(shè)，稱為廣義相對(duì)性原理.

3.3.2 等效原理

由牛頓第二定律可知，做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，由于m引 g=m慣a，即a=g.也就是說，mg中的m指引力質(zhì)量，ma中的m指慣性質(zhì)量，在實(shí)踐中，已有引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量始終相等的測量證據(jù)，在物理學(xué)中往往不加區(qū)分;另一方面，g指引力場場強(qiáng)，a則為物體在慣性系中運(yùn)動(dòng)的加速度.這一點(diǎn)啟發(fā)愛因斯坦思考引力場和慣性系是否等效的問題，于是他設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn).

如圖2，地面上物體的自由下落和飛船加速上升時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同，因而無法區(qū)分飛船是加速運(yùn)動(dòng)還是停泊在某個(gè)星球表面.即一個(gè)均勻的引力場與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià).

評(píng)析：介紹愛因斯坦提出廣義性原理和等效原理的思維過程，尤其是飛船的思想實(shí)驗(yàn)，體會(huì)“思想實(shí)驗(yàn)”在提出物理假設(shè)時(shí)的重要作用.

3.3.3 模擬演示，升華觀念

教師指出愛因斯坦根據(jù)上述兩條基本原理，運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法建構(gòu)了引力場方程，課件展示該方程，指出所涉及的物理量為張量，更為深入的討論這里就不再詳細(xì)介紹了.

愛因斯坦的引力場方程的數(shù)學(xué)解預(yù)言了很多的物理現(xiàn)象，其中一個(gè)預(yù)言是物質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲，物體的質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲就越厲害.

模擬時(shí)空彎曲：邀請(qǐng)4位學(xué)生將一塊床單拉平.（1）在床單上放一個(gè)乒乓球，乒乓球輕微地壓彎了床單;（2）將乒乓球換成鉛球，床單被壓彎的程度顯著增大（如圖3）;（3）在放有鉛球的床單上，將乒乓球從某一位置由靜止釋放.

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：（1）質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲得越厲害;（2）引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn).需要說明的是，教師必須告知學(xué)生，模擬實(shí)驗(yàn)只是為了直觀感知時(shí)空彎曲與引力的本質(zhì).

評(píng)析：通過模擬實(shí)驗(yàn)，直觀感知時(shí)空彎曲，體會(huì)時(shí)間、空間與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)相互聯(lián)系的觀念，進(jìn)一步理解相對(duì)論的時(shí)空觀.

3.3.4 出示證據(jù)，證實(shí)理論

愛因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)一些重要的天文現(xiàn)象作出了預(yù)言，這些預(yù)言都經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn).簡要介紹三個(gè)證實(shí)廣義相對(duì)論的觀測證據(jù).

（1）時(shí)鐘變慢與引力紅移

預(yù)言：時(shí)空彎曲的地方，時(shí)鐘也會(huì)延緩，即可出現(xiàn)引力紅移現(xiàn)象.

證據(jù)：太陽表面氫原子光譜的頻率比地球上氫原子光譜的頻率小.

結(jié)果：證實(shí)了預(yù)言結(jié)果成立.

（2）水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)（如圖4）

牛頓理論預(yù)言：水星軌道是一條封閉的橢圓軌道.

天文觀測結(jié)果：近日點(diǎn)每百年有5600角秒的進(jìn)動(dòng).

考慮其他天體影響后：還有43角秒無法解釋.

廣義相對(duì)論：解釋了每百年43角秒的進(jìn)動(dòng).

（3）引力使光線偏折

預(yù)言：光線在引力場中會(huì)發(fā)生偏折.愛因斯坦通過計(jì)算得出，從遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光，經(jīng)過太陽引力場時(shí)，會(huì)發(fā)生偏折，偏折量為1.75角秒（如圖5），而牛頓理論的預(yù)言為0.875角秒，為廣義相對(duì)論預(yù)言的一半.

證據(jù)：1919年5月，發(fā)生日全食時(shí)，英國物理學(xué)家愛丁頓率領(lǐng)兩個(gè)觀測隊(duì)分別在巴西和西非進(jìn)行了觀測，通過對(duì)拍攝的日食照片的分析與計(jì)算，得出光線的偏折量分別為1.61角秒和1.98角秒.

結(jié)果：證實(shí)了觀測結(jié)果與愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言符合得很好.

評(píng)析：通過廣義相對(duì)論的三大預(yù)言及其與觀測證據(jù)的比對(duì)，證實(shí)廣義相對(duì)論的正確性.

3.3.5 回溯小結(jié)，理解科學(xué)

從廣義相對(duì)論的兩條基本原理和三組觀測證據(jù)，總結(jié)本節(jié)課內(nèi)容，并結(jié)合廣義相對(duì)論和牛頓力學(xué)的對(duì)比，同學(xué)生一起反思并總結(jié)指出，在科學(xué)研究中：（1）新理論取代舊理論進(jìn)而被科學(xué)家所接受的條件：①新理論要能解釋已有理論無法解釋的現(xiàn)象;②新理論要能預(yù)言新的現(xiàn)象.（2）科學(xué)理論的重要特征：科學(xué)理論必須具有可檢驗(yàn)性，觀察和實(shí)驗(yàn)可以“證實(shí)”或“證偽”理論，只有具有可檢驗(yàn)性的理論才能稱得上科學(xué)理論，才配得上科學(xué)的“桂冠”.（3）從牛頓力學(xué)到愛因斯坦的廣義相對(duì)論，人類對(duì)物理規(guī)律的探索不斷深化，也讓我們進(jìn)一步深刻體悟到牛頓力學(xué)的局限性.

由此，我們也有理由相信，有朝一日一定會(huì)有更“優(yōu)”的理論超越廣義相對(duì)論，從這個(gè)意義上來說，科學(xué)的探索永無止境.

評(píng)析：通過課堂小結(jié)，顯化科學(xué)本質(zhì)觀教育，幫助學(xué)生全面、準(zhǔn)確地理解科學(xué).

4 反思與啟示

4.1 體現(xiàn)物理課程的時(shí)代性

核心素養(yǎng)取向的教育改革立足于對(duì)未來人才發(fā)展的美好期許，力求“為未來社會(huì)培養(yǎng)時(shí)代新人”，基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)更應(yīng)凸顯物理課程的育人價(jià)值[5]，體現(xiàn)時(shí)代發(fā)展的新需要.“課標(biāo)”進(jìn)一步將“反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想”作為重要理念以體現(xiàn)物理課程的時(shí)代性.因此，高中物理課程內(nèi)容不能止步于經(jīng)典物理學(xué)的理論體系，更不能囿于習(xí)題演練無法自拔，而是需要為學(xué)生進(jìn)軍現(xiàn)代物理學(xué)“打開缺口、留下接口”.本文對(duì)“廣義相對(duì)論簡介”在實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教育方面的育人價(jià)值所進(jìn)行的深刻認(rèn)識(shí)和教學(xué)實(shí)踐，就是為了滿足學(xué)生進(jìn)一步發(fā)展的需要，充分彰顯了物理課程的時(shí)代性特征.在實(shí)際教學(xué)中，這些內(nèi)容不僅不能舍棄，而且應(yīng)該給予充分利用.

4.2 注重物理教學(xué)的邏輯與結(jié)構(gòu)

物理教師對(duì)狹義相對(duì)論的教學(xué)做了較多的探索，而對(duì)廣義相對(duì)論則較少關(guān)注，而現(xiàn)有的一些研究還出現(xiàn)了以“科普視頻”替代教學(xué)的現(xiàn)象[6]，這對(duì)凸顯“廣義相對(duì)論簡介”的育人價(jià)值是不利的.本文圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)并實(shí)施教學(xué)，從情境創(chuàng)設(shè)、提出問題、理論探究、實(shí)踐檢驗(yàn)和理解科學(xué)本質(zhì)等方面逐次展開教學(xué)（如圖6），層次清晰，邏輯合理，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，構(gòu)成了完整的教學(xué)結(jié)構(gòu).這種依據(jù)課標(biāo)、教材和學(xué)生認(rèn)知的邏輯充分展開的課堂教學(xué)，是某種單純的、介紹性的“科普”所無法替代的.同時(shí)，這一案例在不過度增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的情況下，通過課堂講授和模擬演示的方式，有效地幫助學(xué)生理解了廣義相對(duì)論的核心思想，突破了教學(xué)難點(diǎn)，這也為難度較大的物理知識(shí)教學(xué)提供了借鑒.

4.3 進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)的顯化教育

在物理教育研究中，科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)情感與價(jià)值觀等教育向來存在“顯化”教育與“隱性（滲透）”教育兩種不同的教育觀念.比如在科學(xué)方法教育中，長期以來占據(jù)主導(dǎo)地位的是“隱性”教育的方式，主要倡導(dǎo)學(xué)生在接受物理知識(shí)教育的過程中“感悟”科學(xué)方法.這種方式近年來受到了質(zhì)疑，認(rèn)為“隱性教育方式造成科學(xué)方法教育的放任自流，從而影響了科學(xué)方法教育的效果[7]”，而顯化教育能彌補(bǔ)這一不足.無獨(dú)有偶，正如本文開頭指出的，“科學(xué)本質(zhì)教育需要通過顯性的教（明示教學(xué)）才能實(shí)現(xiàn)理解”，“廣義相對(duì)論簡介”一節(jié)的教學(xué)采用顯化科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略，結(jié)合廣義相對(duì)論的具體內(nèi)容，通過與學(xué)生一起討論新的科學(xué)理論替代舊理論的條件，科學(xué)理論可檢驗(yàn)的特征以及對(duì)牛頓理論和廣義相對(duì)論的對(duì)比之中，旗幟鮮明地指出牛頓理論的局限性，并提出“科學(xué)探索永無止境”的觀點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生投身科學(xué)的熱情.從學(xué)生課堂的表現(xiàn)來看，經(jīng)過教師顯性的講解，他們對(duì)科學(xué)的本質(zhì)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，顯然這是隱性滲透方式所做不到的.

（致謝：本文寫作過程中曾得到昆明市五華區(qū)基礎(chǔ)教育發(fā)展研究院趙堅(jiān)老師的悉心指導(dǎo)，在此深表感謝.）

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（收稿日期：2021-02-09）