科教專題：以科學(xué)溯源革新物理課堂教學(xué)

作者： 王 磊／武漢海淀外國(guó)語實(shí)驗(yàn)學(xué)校

新高考改革下的物理“遇冷”暴露了中學(xué)階段學(xué)生學(xué)習(xí)物理的疲態(tài)

2014 年，上海、浙江作為試點(diǎn)首先進(jìn)行新高考改革。在學(xué)生被賦予了充分的自由選擇權(quán)的選考制度中，物理的選課率出現(xiàn)了滑鐵盧，浙江選考物理的考生占比 27.5%，上海選考物理考生占比 30%[1]。而與之相對(duì)比的是在高等學(xué)校對(duì)高中生的選科需求中，物理學(xué)科是單科可報(bào)考專業(yè)涵蓋面最高的，以 2014 年浙江省為例，占到了 91.6%[2]。在最低的選科率和最高的專業(yè)覆蓋率的對(duì)比下，我們發(fā)現(xiàn)，即使各個(gè)高等學(xué)校明顯提出了物理選科的要求，使得選考物理的考生更容易選擇專業(yè)，也更容易考上大學(xué) [1]，但高中生在自由選擇時(shí)仍然回避物理學(xué)科。在西方國(guó)家越來越重視 STEM 核心素養(yǎng)人才的當(dāng)下，我國(guó)高中生在選科時(shí)卻出現(xiàn)了棄選物理的逆 STEM現(xiàn)象，要知道 S（science）、T（technology）、E（engineering）、M（mathematics）無不指向了物理學(xué)科 [3]。對(duì)于兒時(shí)的未來夢(mèng)想問題，“科學(xué)家”通常是孩子們嘴里排在第 1 位的回答。在物理世界里，那些人類歷史上最聰明的頭腦研究著最前沿的問題，爆發(fā)出最閃光的思想，推動(dòng)著人類文明的前進(jìn)。這樣充滿魅力與智慧的學(xué)科怎么可能讓孩子不喜歡呢？！可是經(jīng)過中學(xué)幾年的“物理洗禮”，更多的孩子卻對(duì)物理“棄若敝屣”。正如蘇聯(lián)教育家蘇霍姆林斯基所說：“教師如果不想方設(shè)法地使學(xué)生保持情緒高昂和智力振奮的內(nèi)心狀態(tài)，而只是不動(dòng)感情的腦力勞動(dòng)，就會(huì)給學(xué)生帶來疲倦?！憋@然中學(xué)階段的物理教學(xué)已經(jīng)讓孩子們疲倦太久了。

科學(xué)溯源教學(xué)理念激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣

日本的教育心理學(xué)家田崎仁說：“興趣不是原因，而是結(jié)果，那興趣的原因是什么呢？是知識(shí)，任何興趣都根植于一定的知識(shí)土壤中，因此知識(shí)是興趣的基礎(chǔ)，是興趣的媒介。”物理學(xué)起源于古希臘，快速發(fā)展于文藝復(fù)興，全方位形成于近現(xiàn)代，跨越兩千多年，是集無數(shù)科學(xué)家智慧結(jié)晶的文化。只有讓學(xué)生了解了物理學(xué)的發(fā)展歷程，才有可能讓學(xué)生對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生興趣。然而，當(dāng)下中學(xué)物理教學(xué)是以一種只重“物理解題”而忽視“物理文化”的畸形方式呈現(xiàn)給學(xué)生。所以筆者提出科學(xué)溯源教學(xué)理念，以提升物理課堂的文化屬性。我們的中學(xué)生在科學(xué)視野上雖達(dá) 21 世紀(jì)，但在物理文化上仍是只具有古希臘甚至古埃及頭腦的孩子。因此，我們要像對(duì)古希臘人講課一樣對(duì)現(xiàn)代的中學(xué)生講，這也是筆者提出在中學(xué)物理教學(xué)中重視科學(xué)溯源教學(xué)理念的基本思維邏輯。只有在學(xué)生已經(jīng)具有的知識(shí)基礎(chǔ)之上進(jìn)行更新和突破才能引起學(xué)生的興趣點(diǎn)，只有在學(xué)生已經(jīng)具有的知識(shí)大廈基礎(chǔ)上建立起來的新知識(shí)才是穩(wěn)固的。

科學(xué)溯源教學(xué)理念在物理教育實(shí)踐中的應(yīng)用

科學(xué)溯源理念要注重科學(xué)家的思考依據(jù)

亞里士多德提出地球是球體是因?yàn)樗^察到月食時(shí)地球投射到月球上的影子是圓弧形。當(dāng)人們質(zhì)疑為什么地球下方的東西不掉下去時(shí)，亞里士多德解釋道：“地球大到你永遠(yuǎn)也走不到地球的下面?！?/p>

亞里士多德提出大地是球形后進(jìn)而提出地心說，但行星的逆行現(xiàn)象（如圖1）困擾著科學(xué)家們，古希臘晚期的哲學(xué)家托勒密根據(jù)阿波羅尼提出的“本均輪模型”結(jié)合行星觀測(cè)給每個(gè)行星都加了本輪，形成了成熟的托勒密地心說（如圖2）。

圖1 火星的逆行原理示意圖

圖2 托勒密的地心說修正
哥白尼發(fā)現(xiàn)托勒密的地心說模型的五大行星的本輪中心均指向太陽，也就是五大行星都可能在繞著太陽轉(zhuǎn)。而地球到太陽的距離不變，如果換以太陽視角，地球就是在以太陽為中心旋轉(zhuǎn)，這樣地球就可以看成和幾個(gè)行星一樣的星體，都在繞著太陽旋轉(zhuǎn)。而且宇宙不動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)更為合理，畢竟星星那么遠(yuǎn)，每天繞地球轉(zhuǎn)一圈速度確實(shí)大得驚人。基于以上幾點(diǎn)思考，哥白尼提出了“日心說”模型，然而日心說并沒有引起很大波瀾，很快銷聲匿跡。

伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡觀察到新太空，給日心說找到了確鑿的證據(jù)。

（1）不完美的月亮，天體不像亞里士多德說的那樣潔凈而神圣。

（2）銀河是繁多的星星，這大大擴(kuò)展了人們認(rèn)識(shí)宇宙的邊界，地球很難是宇宙的中心，而亞里士多德認(rèn)為銀河是月下空氣效應(yīng)。

（3）太陽黑子的移動(dòng)，說明太陽在繞著自身旋轉(zhuǎn)。

（4）金星相位變化與月球不同，說明金星并沒有繞著地球旋轉(zhuǎn)，否則相位應(yīng)該和月球相同；最明顯的區(qū)別在于金星全亮相位在看向太陽一側(cè)（如圖3），而月球全亮相位出現(xiàn)在背向陽光一側(cè)（如圖4）。

圖3 地球視角下金星相位變化圖4 地球視角下月球相位的變化（5）木星有4顆衛(wèi)星，這4顆衛(wèi)星在望遠(yuǎn)鏡里可親眼看到繞著木星旋轉(zhuǎn)，這確鑿地說明了地球并不是宇宙中心。

有了伽利略確鑿證據(jù)的支持，日心說才逐漸傳播開來。

開普勒根據(jù)老師第谷的天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)星星的運(yùn)動(dòng)都是橢圓，并且開普勒通過10年研究得到了這些不同行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的重要規(guī)律——那就是橢圓的半長(zhǎng)軸立方和周期平方比值一樣，開普勒第三定律的得出直接導(dǎo)致了天體間引力平方反比的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榘验_普勒第三定律結(jié)合惠更斯離心力模型很容易得到。這種數(shù)學(xué)處理當(dāng)時(shí)的哈雷、胡克、惠更斯、牛頓都輕易可以得到，但為什么引力的發(fā)現(xiàn)權(quán)還是歸于牛頓呢，原因是只有牛頓證明了引力與距離平方成反比作用下天體運(yùn)動(dòng)確實(shí)是橢圓，同時(shí)牛頓也因此發(fā)現(xiàn)了微積分計(jì)算方法[4]（如圖5）。

圖5 牛頓微分幾何論證引力平方反比插圖

在萬有引力課題學(xué)習(xí)中，從亞里士多德的地球認(rèn)知和地心說開始，依次到托勒密、哥白尼、伽利略、開普勒、牛頓，每一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)，科學(xué)家們經(jīng)歷了怎樣的思考，思考的依據(jù)是什么，這些才是引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵。只有了解了這些科學(xué)歷程，學(xué)生才會(huì)感受到牛頓萬有引力的偉大，也理解了為什么牛頓說他的成就是站在巨人的肩膀上取得的。

科學(xué)溯源理念要激發(fā)學(xué)生重復(fù)科學(xué)家的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)

以“弧度制”教學(xué)為例，弧度制是在圓周運(yùn)動(dòng)角速度運(yùn)算中引入的新的表達(dá)角度的方式。那么我們就要為學(xué)生解釋為什么他們常用的360°角度制在物理計(jì)算中不能再用了。

360°是古埃及人為了建筑方便規(guī)定的圓周角角度，之所以規(guī)定為360°是因?yàn)?60是可以被除了7以外所有10以內(nèi)的數(shù)整除的最小整數(shù)。這對(duì)于古埃及人來說十分重要，畢竟在建筑中古埃及人想簡(jiǎn)單地表達(dá)角度，而且在古埃及早已經(jīng)形成了對(duì)稱審美，需要經(jīng)常等分圓周用以繪畫、建筑等。

“圓周運(yùn)動(dòng)”章節(jié)是在“國(guó)際單位制”之后，學(xué)生已經(jīng)知道，物理公式的成立必須是以單位為基礎(chǔ)的，簡(jiǎn)單說，必須用國(guó)際單位制單位才能不加以修改地應(yīng)用我們所學(xué)的物理公式，而所有的國(guó)際單位制單位都是由7個(gè)基本單位推導(dǎo)而出的，顯然古埃及的360°與國(guó)際單位制格格不入，那么我們?cè)趺从脟?guó)際單位制的基本單位得出角度的表達(dá)呢？顯然只有長(zhǎng)度單位m（米）有可能與角度建立聯(lián)系。教師可以在黑板上畫出幾組圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角，一組半徑相同弧長(zhǎng)不同的（如圖6），一組弧長(zhǎng)相同半徑不同的（如圖7），讓學(xué)生對(duì)比觀察。很快就會(huì)有學(xué)生說出“用弧長(zhǎng)比半徑定義角度”，這就讓學(xué)生重復(fù)了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)過的發(fā)現(xiàn)。這不僅能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)問題有徹底的理解，更重要的是幫助學(xué)生建立物理學(xué)習(xí)信心，畢竟他們做了和科學(xué)家一樣的偉大發(fā)現(xiàn)。

圖6 半徑相同弧長(zhǎng)不同的角度對(duì)比圖

圖7 弧長(zhǎng)相同半徑不同的角度對(duì)比圖
科學(xué)溯源理念要注重物理思想的發(fā)展邏輯中學(xué)教科書上的科學(xué)定律幾乎都是從西方經(jīng)典科學(xué)著作翻譯而來，牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》原文為拉丁文，后譯為英文后再轉(zhuǎn)譯為中文。故定律本身沒有確定的文字表述更無須背誦，重要的是應(yīng)讓學(xué)生明白定律的原理。亞里士多德根據(jù)樸素的自然觀察得出力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而伽利略通過理想斜面實(shí)驗(yàn)推翻了亞里士多德的觀點(diǎn)，提出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。牛頓在其第一定律中提出力是改變物體運(yùn)動(dòng)的原因，第二定律告訴我們力是通過產(chǎn)生加速度改變物體的運(yùn)動(dòng)，第三定律是補(bǔ)充說明物體間相互作用力的特點(diǎn)。從亞里士多德到牛頓我們能看到清晰的力學(xué)發(fā)展層層遞進(jìn)的邏輯關(guān)系，只有注重物理發(fā)展的思想邏輯才能讓學(xué)生形成穩(wěn)固的物理觀念。

科學(xué)溯源理念要注重還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的古典實(shí)驗(yàn)

古希臘哲學(xué)家埃拉托色尼在夏至日陽光直射賽伊城那天，測(cè)量出太陽光與亞歷山大城方尖碑的角度為7.2°，再結(jié)合兩個(gè)城市之間的距離測(cè)出了地球的周長(zhǎng)39 360千米。

亞歷山大里亞城另一位天文學(xué)家阿利斯塔克發(fā)現(xiàn)陽光下地球上的物體都會(huì)有一個(gè)陰影，物體能形成自己直徑108倍長(zhǎng)的本影區(qū)，那么地球也應(yīng)如此，地球的本影區(qū)長(zhǎng)度也是地球直徑的108倍。又因?yàn)樵诘厍蛏峡刺柡驮铝翈缀跻粯哟螅ㄈ帐车臅r(shí)候，月亮正好遮住太陽），所以太陽和月亮的地球視角大小幾乎相等，所以地月距離應(yīng)該是月球直徑的108倍。月食的時(shí)候，月球走進(jìn)的地球的本影區(qū)無法反射太陽光，而根據(jù)古希臘人的觀察和計(jì)算，月球通過的這段陰影區(qū)長(zhǎng)度大概是月球直徑的2.5倍，即AB=2.5d月，再由幾何關(guān)系可推得d月+AB=d地。帶入埃拉托色尼測(cè)定的地球周長(zhǎng)39 360千米，可以算出地球直徑，進(jìn)而可得月球直徑約為3 580千米，而地月距離應(yīng)為月球直徑的108倍，為386 640千米。這個(gè)結(jié)果與如今我們的測(cè)量值384 400千米幾乎一致（如圖9）。

圖8 地球周長(zhǎng)測(cè)量原理圖

圖9 阿利斯塔克的月食法地月距離測(cè)量原理

雖然古人的測(cè)量精度不能與現(xiàn)代科技方法相比，但古人的測(cè)量方法是極容易被現(xiàn)代的學(xué)生理解的，反觀現(xiàn)代測(cè)量方法雖然更加精確，但復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)原理并非構(gòu)建于學(xué)生已有的知識(shí)之上，比如傳感器原理等，我們不能本末倒置地用復(fù)雜的原理為學(xué)生解釋簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段無法為學(xué)生還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)，更無法讓學(xué)生感知古人的科學(xué)智慧。

在中學(xué)物理教學(xué)中，無論理論課還是實(shí)驗(yàn)課，都可以對(duì)相應(yīng)的物理知識(shí)進(jìn)行追蹤溯源，幫助學(xué)生還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)，探究科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)源泉，讓學(xué)生設(shè)身處地感受科學(xué)家的感受，思考科學(xué)家的思考，讓物理學(xué)習(xí)更有現(xiàn)場(chǎng)感、參與感、邏輯感和成就感，讓學(xué)生形成因?yàn)閷?duì)物理有興趣而喜歡學(xué)，因?yàn)橄矚g學(xué)而成績(jī)高，又因成績(jī)高而更有興趣的良性學(xué)習(xí)循環(huán)。

參考文獻(xiàn)

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來源：《中國(guó)科技教育》第10期專題欄目，作者：王磊／武漢海淀外國(guó)語實(shí)驗(yàn)學(xué)校