張沖 張紅洋 王瑞珍

摘 要：中國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心的研究顯示，為了客觀反映學(xué)生的學(xué)業(yè)質(zhì)量、身心健康和變化情況，應(yīng)從科學(xué)觀念與應(yīng)用、科學(xué)思維與創(chuàng)新、科學(xué)探究與交流、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[1]四個(gè)核心素養(yǎng)來制定科學(xué)教育評價(jià)指標(biāo)；物理教育，作為國際科學(xué)教育研究的重要組成部分，在促進(jìn)高中生思維與全人發(fā)展方面起著越來越重要的作用。本研究選取高中物理學(xué)科為研究對象，論證教師應(yīng)扎根于核心素養(yǎng)的四個(gè)維度，有針對性地開發(fā)動(dòng)態(tài)資源，以全面提升學(xué)生的素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教育；核心素養(yǎng)；高中物理；動(dòng)態(tài)資源

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）4-0067-4

高中階段的物理學(xué)習(xí)，對培養(yǎng)學(xué)生良好的數(shù)理邏輯思維、自然探究興趣和實(shí)事求是的作風(fēng)起著奠基作用。2018年1月剛公布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》提出“體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)現(xiàn)代公民必備的物理核心素養(yǎng)”[2]。15～18歲高中生的“全人”發(fā)展訴求對物理教學(xué)提出了新的要求，如何通過物理學(xué)科教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)這一問題逐漸顯露。

1 新課標(biāo)對物理教學(xué)的新要求

從學(xué)科本質(zhì)上看，物理學(xué)是冷酷的，不講人情的，能站得住腳的就是客觀事實(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在當(dāng)前形勢下，物理的學(xué)科本質(zhì)是對未成年人進(jìn)行價(jià)值觀教育和求實(shí)精神熏陶的天然活素材。物理學(xué)作為自然科學(xué)和工程技術(shù)中的“母學(xué)科”，受到了聯(lián)合國教科文組織的重視，2005年被命名為“世界物理年”，物理學(xué)科為每個(gè)人更好地邁向社會(huì)生活提供了誠實(shí)的作風(fēng)導(dǎo)向和思考問題的科學(xué)方法。

從學(xué)習(xí)者訴求來看，人日益渴望的精神文化層面的成長和身心人格的健全發(fā)展，這是邁入緊張高中伊始，學(xué)生向教學(xué)設(shè)計(jì)者提出的難題。必修1、必修2和必修3是準(zhǔn)理科生和準(zhǔn)文科生都要學(xué)習(xí)的，如何尋求“平衡點(diǎn)”，既滿足學(xué)生的“生活需求”，又照顧學(xué)生的“升學(xué)需要”，這就為教育工作者開發(fā)動(dòng)態(tài)教學(xué)資源提出了要求。前者對應(yīng)新課標(biāo)中物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，即培養(yǎng)適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[3]。

從教育學(xué)原理來看，開發(fā)智力和培養(yǎng)“德性”是文化課教學(xué)的主要出發(fā)點(diǎn)，二者相互反饋，相互促進(jìn)?，F(xiàn)行常態(tài)化評價(jià)中，二者遭割裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，“立德樹人”在高中場域中艱難前行[4]。能否堅(jiān)守科學(xué)的“教育原理”，遵循心理學(xué)和人的成長規(guī)律；同時(shí)又能平衡評價(jià)體系要求，這是很有價(jià)值的一個(gè)課題。因此，學(xué)習(xí)者在規(guī)律學(xué)習(xí)中，在科學(xué)探究中，如何改善思維，錘煉人性，并將收獲內(nèi)化為具有物理學(xué)科特質(zhì)的品性，這值得關(guān)注。

下面，從建構(gòu)主義出發(fā)，基于物理核心素養(yǎng)的四個(gè)維度，介紹如何開發(fā)動(dòng)態(tài)的物理資源。

2 動(dòng)態(tài)物理資源的建構(gòu)

（1）注重概念和規(guī)律的提煉升華，培養(yǎng)學(xué)生的“物理觀念”

核心概念是近幾年國際科學(xué)教育的熱點(diǎn)，核心概念的進(jìn)階學(xué)習(xí)被認(rèn)為是科學(xué)教育的主要目標(biāo)[5]。物理教育的研究，國際上一般放在科學(xué)教育里進(jìn)行。物理概念是關(guān)于一類實(shí)物本質(zhì)屬性的定義，譬如“什么是密度”“什么是質(zhì)量”“手機(jī)發(fā)射出的無線電波是什么”……“是什么”也就是它們的固有屬性和本質(zhì)特征在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映，這是物理概念；而物理規(guī)律是反映物理現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，例如，光的折射定律、動(dòng)量定理、機(jī)械能守恒定律都是物理規(guī)律，再如“光波從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，反射光會(huì)發(fā)生半波損失（這跟兩種介質(zhì)的固有屬性直接相關(guān)）”，“物體順著重力場降落或一個(gè)正電荷順著電場線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，保守力都做正功，勢能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，但總的能量在轉(zhuǎn)化中是守恒的” ……

核心概念和核心規(guī)律構(gòu)成了物理教育的主體。然而，在傳統(tǒng)的應(yīng)試教育中，教師忙于趕任務(wù)，學(xué)生疲于趕進(jìn)度，對上述兩個(gè)“核心”缺乏提煉和升華；而在物理核心素養(yǎng)中我們強(qiáng)調(diào)更為上層的“物理觀念”，這是一種“大概念”和“綜合規(guī)律”，這是在實(shí)際未知情境中辨認(rèn)適用情形的意識和在有限時(shí)間內(nèi)整合提煉物理定義和規(guī)律的能力。譬如，學(xué)生觀察到雞蛋在鹽水中漂浮時(shí)，腦海中應(yīng)即刻調(diào)出關(guān)于“物質(zhì)的觀念”之本質(zhì)屬性——密度，還可聯(lián)想到“相互作用的觀念”之浮力及其大小因素；再如，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，燃?xì)庀蛳?，馬上聯(lián)想到“作用的相互性”，所以火箭向上，緊接著，化學(xué)燃料耗損，高度不斷攀升，動(dòng)能增大，這里就用到了“能量”的觀念——能量之間轉(zhuǎn)化和守恒，進(jìn)入預(yù)定軌道后，地球與衛(wèi)星之間的萬有引力足夠提供向心力，這里涉及“相互作用和運(yùn)動(dòng)”的觀念，衛(wèi)星開始做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

可見，物理觀念主要涵蓋“物質(zhì)”“相互作用與運(yùn)動(dòng)”和“能量及其轉(zhuǎn)化”三大觀念，這是對高中物理所有概念和規(guī)律的高度提煉和升華。

（2）提倡質(zhì)疑創(chuàng)新和推理論證，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維”

思維是衡量一個(gè)人智力和學(xué)習(xí)能力的核心指標(biāo)。人的思維的深度和靈活度在很大程度上能決定他的學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力。高中力學(xué)朝夕相伴著15～17歲的學(xué)習(xí)者，理應(yīng)成為培養(yǎng)學(xué)生的推理、質(zhì)疑和創(chuàng)新思維的有力手段。譬如，解決斧子劈柴時(shí)怎樣更容易這一問題，可以對柴進(jìn)行受力分析（圖1），然后進(jìn)行正交分解，可以得到數(shù)學(xué)關(guān)系N=

從而驗(yàn)證生活中“越薄的楔就越容易釘進(jìn)物體里（越大）”的道理。

由此，學(xué)習(xí)者親建模型，浸入論證，運(yùn)用分類討論和正交分解受力的方法，參與體驗(yàn)了科學(xué)思維的全過程，即提出假設(shè)—選擇方法—推導(dǎo)闡釋—驗(yàn)證或推翻假設(shè)。值得注意的是，思維實(shí)驗(yàn)是理論物理學(xué)家常采用的方法，1924年德布羅意對應(yīng)光波在黑體輻射、光電效應(yīng)現(xiàn)象中顯示出來的“粒子性”，果斷逆向思維，提出：實(shí)物粒子除了具有粒子性之外，還應(yīng)該會(huì)像波一樣發(fā)生干涉或衍射，具有“波動(dòng)性”，這就是普通物理中提到的“物質(zhì)波”。1925年，G·湯姆孫用電子束（實(shí)物）照射金箔，首次得到了電子的衍射圖樣（圖2[6]），直接證實(shí)了電子具有波動(dòng)性；隨著技術(shù)的精良化，1961年，C·約恩孫得到了電子的雙縫干涉圖樣（圖3[7]），為實(shí)物粒子的波動(dòng)性提供了最為直觀的證明。德布羅意的對比思維和逆向思維起到關(guān)鍵作用，協(xié)助他單純以博士論文獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

教師在實(shí)際操作中，首先應(yīng)給學(xué)習(xí)者思維以自由空間，引導(dǎo)學(xué)生探究物理本質(zhì)，力行示范用科學(xué)語言和符號來整理規(guī)范思維，撰寫符合格式的文章，提升學(xué)習(xí)者思維的邏輯性。

（3）鼓勵(lì)提出問題和解釋交流，激發(fā)“科學(xué)探究”能力

辯證唯物主義是自然科學(xué)的認(rèn)識論，而扎根于唯物主義的科學(xué)探究又為自然科學(xué)提供了方法論，具體到自然科學(xué)的“母學(xué)科”——物理學(xué)也如此。英國《國家科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》提出通過科學(xué)教育主要為了培養(yǎng)學(xué)習(xí)者如下的核心技能：科學(xué)調(diào)查研究，科學(xué)探究、發(fā)現(xiàn)和交流各種不同的事實(shí)、觀點(diǎn)和意見以及收集、思考與分析第一手和第二手?jǐn)?shù)據(jù)[8]；在英國，很多小學(xué)生都會(huì)收到一個(gè)家庭作業(yè)，做一項(xiàng)與生活息息相關(guān)的科學(xué)調(diào)研，完成很大的閱讀量，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并采用科學(xué)語言寫成報(bào)告。相比西方，我們的學(xué)生上述能力的培養(yǎng)長期滯后到本科畢業(yè)時(shí)甚至研究生階段。此次科學(xué)核心素養(yǎng)提出在中小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的“科學(xué)探究”能力，是有實(shí)證依據(jù)的。

以具體教學(xué)為例，教師可在電磁感應(yīng)一節(jié)中引入物理學(xué)發(fā)展史上的“科學(xué)探究”：1820年，大學(xué)老師奧斯特在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)了“電能生磁”。緊接著，法拉第反過來猜想“磁能生電”，他的支撐是“自然界一切事物都是相互關(guān)聯(lián)的”。為了驗(yàn)證，法拉第設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多年艱苦卓絕的努力，直到1831年，終于驗(yàn)證了“變化的磁場可以產(chǎn)生電場”的設(shè)想，最終提出了法拉第電磁感應(yīng)定律，“電學(xué)之父”由此誕生。

（4）開發(fā)興趣，樹立實(shí)事求是的精神，培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”

科學(xué)是在挫折和反復(fù)摸爬中前行的，物理教育應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)習(xí)者基于事實(shí)獨(dú)立思考作出判斷的能力，對科學(xué)本質(zhì)堅(jiān)定的追求以及和諧地處理人與自然能源的能力。上述能力對應(yīng)核心素養(yǎng)中的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，譬如麻省理工學(xué)院物理教師Walter Lewin（圖4）在講到人的身長測量時(shí)，應(yīng)用事實(shí)說話，證明人體的豎直身長和水平身長存在顯著差異[9]。實(shí)測顯示：被測者Zach的豎直身長為183.2±0.1cm，水平身長為185.7±0.1cm，幾乎一英寸的前后差異證實(shí)了地球引力對人體脊椎的壓縮效應(yīng)。Walter Lewin對“真相”的執(zhí)著追求和尊重事實(shí)的態(tài)度值得學(xué)習(xí)。

學(xué)習(xí)者卷入原始問題和物理學(xué)科發(fā)展史實(shí)，這是物理態(tài)度和責(zé)任教育的重要方法。邁克爾遜和莫雷不畏權(quán)威，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明地球表面不存在光的傳播媒介——“以太”，推翻了經(jīng)典物理中連牛頓和麥克斯韋均“深信不疑”的“以太說”，為光速不變原理和狹義相對論鋪墊了事實(shí)依據(jù)。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生理解了煤炭和石油燃燒后“熵”增加了，這個(gè)不可逆過程中能量的品質(zhì)下降了，才不會(huì)輕信社會(huì)上“能量守恒，因此不需要節(jié)約能源”的謬論；學(xué)習(xí)者通過實(shí)驗(yàn)儀器測量到了光壓，方才體會(huì)光波的粒子性……

值得注意的是，人類對于物理學(xué)科本質(zhì)的理解具有階段性和反復(fù)性，這意味著學(xué)習(xí)者應(yīng)該抱有理解乃至同情的心態(tài)來看待暫時(shí)的不完美和挫折，并努力求是，讓研究逼近客觀科學(xué)。譬如，愛因斯坦1916年從理論上預(yù)言了激光產(chǎn)生的可能性，即“原子受激發(fā)輻射放大”，但囿于技術(shù)平臺，直到1960年，美國人T.H.梅曼才制成了世界上第一臺紅寶石激光器，證實(shí)了愛因斯坦在44年前的假說。再如，在學(xué)習(xí)選修3-4《相對論簡介》時(shí)，不少學(xué)生難以相信動(dòng)尺收縮和時(shí)間延緩的實(shí)際效應(yīng)，甚至萌生“狹義相對論在通常情況下很難成立”的錯(cuò)誤觀念。這時(shí)教師可以用宇宙射來的介子為例闡明，介子的半衰期也就是壽命很短只有T0=2.2×10-6 s，其速度v=0.995c，距離地面實(shí)驗(yàn)室l0=6 000 m，若不考慮相對論效應(yīng)，用時(shí)間乘以速度得介子的運(yùn)動(dòng)距離不足700 m。但客觀上，美國地面實(shí)驗(yàn)室接收到了此高能粒子，與理論計(jì)算相悖；實(shí)際上，此時(shí)粒子速度完全可以與光速比擬，必要考慮相對論效應(yīng)，在動(dòng)系S'中，粒子壽命（時(shí)間）延緩了，最后計(jì)算出運(yùn)動(dòng)距離l=6 700 m，可成功抵達(dá)地面。

學(xué)習(xí)者通過上述教學(xué)案例，深刻地體會(huì)到狹義相對論的客觀真實(shí)性，堅(jiān)定了科學(xué)情感態(tài)度，增強(qiáng)了物理學(xué)習(xí)的責(zé)任感。

3 反思與展望

素養(yǎng)，又解“素來的修養(yǎng)”，非一蹴而就的；對于科學(xué)素養(yǎng)的獲得更是如此，教育部《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》印發(fā)一年了，科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應(yīng)遵循連貫性原則，不斷進(jìn)階，前后相承，而非到了高中階段突然開始培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)。如何評估學(xué)習(xí)者先前的物理素養(yǎng)水平，有的放矢地展開資源，這是值得反思的。

其次，將心理統(tǒng)計(jì)與測量應(yīng)用于物理核心素養(yǎng)的監(jiān)測和考評中，會(huì)成為本領(lǐng)域的重要課題。新課標(biāo)附錄給出了物理核心素養(yǎng)的水平劃分及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，這對高考命題具有導(dǎo)向作用，有助于物理核心素養(yǎng)成為可測評、可考量的變量。

值得一提的是，本文主要針對高中階段物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，然而，我們并不能止步于此。在剛剛落幕的教育部物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)西北地區(qū)工作委員會(huì)第二次會(huì)議（2017年12月）中，我們發(fā)現(xiàn)，一些斬獲陜西省大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽佳績的工科本科生最終將其研究成果發(fā)表在了Physical Review B等SCI來源刊物上。由于工作的原因，筆者也曾參與此項(xiàng)賽事的指導(dǎo)。我們從剛進(jìn)入大二的學(xué)生中選拔苗子，比賽不區(qū)分參賽者是否出身于物理學(xué)類專業(yè)，大部分參賽者出身于工學(xué)專業(yè)?？梢姡咧形锢砟酥链髮W(xué)物理公共課教學(xué)滲透給學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)，其潛在的“墊基”作用很難估量。

參考文獻(xiàn)：

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