基于结合物理学史培养学生物理核心素养的探讨

    吕星 李子婧 彭盈

    摘要：本文以“牛顿第一定律”的建立过程为例，论述在中学物理教学中如何结合物理学史，来培养学生的物理核心素养，从而促进学生的全面发展.

    关键字：物理学史?核心素养?牛顿第一定律

    物理核心素养是学生在接受物理教育的过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面.在物理课堂教学中合理结合物理学史，有助于激发学生的物理学习兴趣，促进学生的物理观念形成，训练学生的科学思维，提高学生的探究能力，培养学生的科学态度.本文以“牛顿第一定律”的建立过程为例，阐述在物理课堂教学中如何有效结合物理学史，培养学生的物理核心素养.一、“牛顿第一定律”的建立过程

    公元前4世纪，希腊哲学家亚里士多德根据日常生活经验断言：物体只有在一个不断作用者的直接接触下，才能保持运动，一旦推动者停止作用，或两者脱离接触，物体就会停止下来.从而得出力是维持物体运动状态的原因，有力就有运动，没有力就没有运动.亚里士多德的这个错误观点，将近两千年来一直统治着人们的头脑，直到伽利略时代为止.

    17世纪，意大利物理学家伽利略通过观察注意到，当一个球沿斜面向下运动时，它的速度增大，而向上运动时，它的速度减小.他由此猜想：当球沿水平面运动时，它的速度应该不增不减.但实际情况却是，即使沿水平面运动，球也越来越慢，最后停了下来.伽利略认为，这是摩擦阻力作用的结果，因为他同样还观察到，表面越光滑，球便会运动得越远.于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远运动下去.伽利略为了证明他的猜想，设计了著名的“理想斜面实验”：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动，小球将冲上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度;减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度，但这时它要运动得远些;继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度时就会离得更远.于是他对斜面平放时的情况进行研究，结论显然是球将永远滚下去.也就是说，力不是维持物体运动状态的原因.当然，我们不能消除一切阻力，也不能把第二个斜面做得无限长.所以伽利略的实验是个理想实验.伽利略得到的结论，打破了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的错误观点.

    1644年，法国著名物理学家笛卡儿在他的《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足.他明确地指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，并且还特地声明，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上运动.

    1687年，牛顿在伽利略、笛卡儿等人的工作基础上，又通过自己大量的观察和实验，撰写了《自然哲学的数学原理》，完全摆脱了旧观念的束缚，把牛顿第一定律作为第一原理正式提了出来：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止.二、结合物理学史，培养学生物理核心素养

    将“牛顿第一定律”的建立过程引入物理教学中，不仅能够激发学生学习物理兴趣，还能够培养学生的物理核心素养.

    1.物理观念方面

    物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能力等的基本知识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.物理观念包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素.

    在学习“牛顿第一定律”这一节课时可以发现，大部分学生凭借自己的生活经验仍然认为力是维持物体运动的原因，而让学生改变这一前科学概念非常困难.为了使学生能真正理解和掌握这一定律，教师可以结合伽利略的理想斜面实验，在学生头脑中引发认知沖突，破除头脑中的前科学概念，从而使学生深刻理解“力是改变物体运动状态的原因”，进而形成正确的物理观念.

    2.科学思维方面

    科学思维是从物理学视角认识客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进而提出创造性见解的能力与品质.科学思维包括模型建构、科学推理、质疑创新等要素.

    在“牛顿第一定律”教学中，教师可以演示伽利略的“理想斜面实验”，通过展示伽利略做实验时忽略摩擦，使得实验理想化，以及运用实验与科学推理相结合的方法得出结论的过程，使学生真正领悟和掌握这种抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，以及理想实验法的科学思维方法.

    3.科学探究方面

    科学探究是指具有科学探究的意识，能在真实情景中提出物理问题，形成猜测和假设，利用科学方法获取信息和处理信息，形成结论，以及对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.科学探究包括问题、证据、解释、交流等要素.

    在教学过程中，教师可以结合“理想斜面实验”来完整地呈现科学探究的过程：①提出问题：运动需要力来维持吗？②猜想假设：运动不需要力来维持.③设计实验：准备实验所需材料（球、斜面）.④收集数据：记录小球在不同的斜面上上升的高度.⑤总结规律：分析数据得出结论.⑥交流反思：发表论文并与他人交流.教师可以利用这个科学探究的一般步骤，让学生分小组进行一个类似的实验：让小车从同一个斜面顶端滑下，分别滑到铺有毛巾、纸板、玻璃板的水平面上，观察小车滑行的距离，得出跟伽利略同样的结论，从而培养学生的科学探究能力.

    4.科学态度与责任方面

    科学态度与责任是指在认识科学本质，认识科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐步形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感.科学态度与责任包括科学本质、科学态度、科学伦理等要素.

    教师可以结合物理学史，介绍伽利略运用实验与科学推理相结合的方法推翻了亚里士多德维持了将近两千年的错误观点，让学生树立不迷信权威、敢于质疑、勇于创新的科学态度，引导学生形成正确的世界观、人生观和价值观.

    综上所述，中学物理教学中物理学史的应用是十分有必要的.物理教师要结合学科特点、教学内容、学生实际情况将物理学史与课堂教学有效结合，从而帮助学生建构正确的物理观念，领悟科学的思维方法，培养科学的探究能力，并树立正确的世界观.

    参考文献：

    [1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

    [2]周艳，卿昭才.渗透物理学史教育提升学生核心素养[J].物理教学探讨，2018，36（06）：65-67.