科教专题：以科学溯源革新物理课堂教学

2023-02-08 11:25:35 来源：《中国科技教育》第10期专题栏目，作者：王磊／武汉海淀外国语实验学校

作者：王磊／武汉海淀外国语实验学校

新高考改革下的物理“遇冷”暴露了中学阶段学生学习物理的疲态

2014 年，上海、浙江作为试点首先进行新高考改革。在学生被赋予了充分的自由选择权的选考制度中，物理的选课率出现了滑铁卢，浙江选考物理的考生占比 27.5%，上海选考物理考生占比 30%[1]。而与之相对比的是在高等学校对高中生的选科需求中，物理学科是单科可报考专业涵盖面最高的，以 2014 年浙江省为例，占到了 91.6%[2]。在最低的选科率和最高的专业覆盖率的对比下，我们发现，即使各个高等学校明显提出了物理选科的要求，使得选考物理的考生更容易选择专业，也更容易考上大学 [1]，但高中生在自由选择时仍然回避物理学科。在西方国家越来越重视 STEM 核心素养人才的当下，我国高中生在选科时却出现了弃选物理的逆 STEM现象，要知道 S（science）、T（technology）、E（engineering）、M（mathematics）无不指向了物理学科 [3]。对于儿时的未来梦想问题，“科学家”通常是孩子们嘴里排在第 1 位的回答。在物理世界里，那些人类历史上最聪明的头脑研究着最前沿的问题，爆发出最闪光的思想，推动着人类文明的前进。这样充满魅力与智慧的学科怎么可能让孩子不喜欢呢？！可是经过中学几年的“物理洗礼”，更多的孩子却对物理“弃若敝屣”。正如苏联教育家苏霍姆林斯基所说：“教师如果不想方设法地使学生保持情绪高昂和智力振奋的内心状态，而只是不动感情的脑力劳动，就会给学生带来疲倦。”显然中学阶段的物理教学已经让孩子们疲倦太久了。

(资料图)

科学溯源教学理念激发学生物理学习兴趣

日本的教育心理学家田崎仁说：“兴趣不是原因，而是结果，那兴趣的原因是什么呢？是知识，任何兴趣都根植于一定的知识土壤中，因此知识是兴趣的基础，是兴趣的媒介。”物理学起源于古希腊，快速发展于文艺复兴，全方位形成于近现代，跨越两千多年，是集无数科学家智慧结晶的文化。只有让学生了解了物理学的发展历程，才有可能让学生对物理学产生兴趣。然而，当下中学物理教学是以一种只重“物理解题”而忽视“物理文化”的畸形方式呈现给学生。所以笔者提出科学溯源教学理念，以提升物理课堂的文化属性。我们的中学生在科学视野上虽达 21 世纪，但在物理文化上仍是只具有古希腊甚至古埃及头脑的孩子。因此，我们要像对古希腊人讲课一样对现代的中学生讲，这也是笔者提出在中学物理教学中重视科学溯源教学理念的基本思维逻辑。只有在学生已经具有的知识基础之上进行更新和突破才能引起学生的兴趣点，只有在学生已经具有的知识大厦基础上建立起来的新知识才是稳固的。

科学溯源教学理念在物理教育实践中的应用

科学溯源理念要注重科学家的思考依据

亚里士多德提出地球是球体是因为他观察到月食时地球投射到月球上的影子是圆弧形。当人们质疑为什么地球下方的东西不掉下去时，亚里士多德解释道：“地球大到你永远也走不到地球的下面。”

亚里士多德提出大地是球形后进而提出地心说，但行星的逆行现象（如图1）困扰着科学家们，古希腊晚期的哲学家托勒密根据阿波罗尼提出的“本均轮模型”结合行星观测给每个行星都加了本轮，形成了成熟的托勒密地心说（如图2）。

图1 火星的逆行原理示意图

图2 托勒密的地心说修正哥白尼发现托勒密的地心说模型的五大行星的本轮中心均指向太阳，也就是五大行星都可能在绕着太阳转。而地球到太阳的距离不变，如果换以太阳视角，地球就是在以太阳为中心旋转，这样地球就可以看成和几个行星一样的星体，都在绕着太阳旋转。而且宇宙不动，地球自转更为合理，毕竟星星那么远，每天绕地球转一圈速度确实大得惊人。基于以上几点思考，哥白尼提出了“日心说”模型，然而日心说并没有引起很大波澜，很快销声匿迹。

伽利略发明了望远镜观察到新太空，给日心说找到了确凿的证据。

（1）不完美的月亮，天体不像亚里士多德说的那样洁净而神圣。

（2）银河是繁多的星星，这大大扩展了人们认识宇宙的边界，地球很难是宇宙的中心，而亚里士多德认为银河是月下空气效应。

（3）太阳黑子的移动，说明太阳在绕着自身旋转。

（4）金星相位变化与月球不同，说明金星并没有绕着地球旋转，否则相位应该和月球相同；最明显的区别在于金星全亮相位在看向太阳一侧（如图3），而月球全亮相位出现在背向阳光一侧（如图4）。

图3 地球视角下金星相位变化图4 地球视角下月球相位的变化（5）木星有4颗卫星，这4颗卫星在望远镜里可亲眼看到绕着木星旋转，这确凿地说明了地球并不是宇宙中心。

有了伽利略确凿证据的支持，日心说才逐渐传播开来。

开普勒根据老师第谷的天文观测发现星星的运动都是椭圆，并且开普勒通过10年研究得到了这些不同行星绕太阳运动的重要规律——那就是椭圆的半长轴立方和周期平方比值一样，开普勒第三定律的得出直接导致了天体间引力平方反比的发现，因为把开普勒第三定律结合惠更斯离心力模型很容易得到。这种数学处理当时的哈雷、胡克、惠更斯、牛顿都轻易可以得到，但为什么引力的发现权还是归于牛顿呢，原因是只有牛顿证明了引力与距离平方成反比作用下天体运动确实是椭圆，同时牛顿也因此发现了微积分计算方法[4]（如图5）。

图5 牛顿微分几何论证引力平方反比插图

在万有引力课题学习中，从亚里士多德的地球认知和地心说开始，依次到托勒密、哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿，每一个科学发现环节，科学家们经历了怎样的思考，思考的依据是什么，这些才是引起学生学习兴趣的关键。只有了解了这些科学历程，学生才会感受到牛顿万有引力的伟大，也理解了为什么牛顿说他的成就是站在巨人的肩膀上取得的。

科学溯源理念要激发学生重复科学家的创新发现

以“弧度制”教学为例，弧度制是在圆周运动角速度运算中引入的新的表达角度的方式。那么我们就要为学生解释为什么他们常用的360°角度制在物理计算中不能再用了。

360°是古埃及人为了建筑方便规定的圆周角角度，之所以规定为360°是因为360是可以被除了7以外所有10以内的数整除的最小整数。这对于古埃及人来说十分重要，毕竟在建筑中古埃及人想简单地表达角度，而且在古埃及早已经形成了对称审美，需要经常等分圆周用以绘画、建筑等。

“圆周运动”章节是在“国际单位制”之后，学生已经知道，物理公式的成立必须是以单位为基础的，简单说，必须用国际单位制单位才能不加以修改地应用我们所学的物理公式，而所有的国际单位制单位都是由7个基本单位推导而出的，显然古埃及的360°与国际单位制格格不入，那么我们怎么用国际单位制的基本单位得出角度的表达呢？显然只有长度单位m（米）有可能与角度建立联系。教师可以在黑板上画出几组圆弧对应的圆心角，一组半径相同弧长不同的（如图6），一组弧长相同半径不同的（如图7），让学生对比观察。很快就会有学生说出“用弧长比半径定义角度”，这就让学生重复了科学家发现过的发现。这不仅能让学生对所学问题有彻底的理解，更重要的是帮助学生建立物理学习信心，毕竟他们做了和科学家一样的伟大发现。

图6 半径相同弧长不同的角度对比图

图7 弧长相同半径不同的角度对比图科学溯源理念要注重物理思想的发展逻辑中学教科书上的科学定律几乎都是从西方经典科学著作翻译而来，牛顿的《自然哲学的数学原理》原文为拉丁文，后译为英文后再转译为中文。故定律本身没有确定的文字表述更无须背诵，重要的是应让学生明白定律的原理。亚里士多德根据朴素的自然观察得出力是维持物体运动的原因，而伽利略通过理想斜面实验推翻了亚里士多德的观点，提出力不是维持物体运动的原因。牛顿在其第一定律中提出力是改变物体运动的原因，第二定律告诉我们力是通过产生加速度改变物体的运动，第三定律是补充说明物体间相互作用力的特点。从亚里士多德到牛顿我们能看到清晰的力学发展层层递进的逻辑关系，只有注重物理发展的思想逻辑才能让学生形成稳固的物理观念。

科学溯源理念要注重还原科学发现的古典实验

古希腊哲学家埃拉托色尼在夏至日阳光直射赛伊城那天，测量出太阳光与亚历山大城方尖碑的角度为7.2°，再结合两个城市之间的距离测出了地球的周长39 360千米。

亚历山大里亚城另一位天文学家阿利斯塔克发现阳光下地球上的物体都会有一个阴影，物体能形成自己直径108倍长的本影区，那么地球也应如此，地球的本影区长度也是地球直径的108倍。又因为在地球上看太阳和月亮几乎一样大（日食的时候，月亮正好遮住太阳），所以太阳和月亮的地球视角大小几乎相等，所以地月距离应该是月球直径的108倍。月食的时候，月球走进的地球的本影区无法反射太阳光，而根据古希腊人的观察和计算，月球通过的这段阴影区长度大概是月球直径的2.5倍，即AB=2.5d月，再由几何关系可推得d月+AB=d地。带入埃拉托色尼测定的地球周长39 360千米，可以算出地球直径，进而可得月球直径约为3 580千米，而地月距离应为月球直径的108倍，为386 640千米。这个结果与如今我们的测量值384 400千米几乎一致（如图9）。

图8 地球周长测量原理图

图9 阿利斯塔克的月食法地月距离测量原理

虽然古人的测量精度不能与现代科技方法相比，但古人的测量方法是极容易被现代的学生理解的，反观现代测量方法虽然更加精确，但复杂的实验原理并非构建于学生已有的知识之上，比如传感器原理等，我们不能本末倒置地用复杂的原理为学生解释简单的发现。现代实验手段无法为学生还原科学发现现场，更无法让学生感知古人的科学智慧。

在中学物理教学中，无论理论课还是实验课，都可以对相应的物理知识进行追踪溯源，帮助学生还原科学发现的现场，探究科学规律的发现源泉，让学生设身处地感受科学家的感受，思考科学家的思考，让物理学习更有现场感、参与感、逻辑感和成就感，让学生形成因为对物理有兴趣而喜欢学，因为喜欢学而成绩高，又因成绩高而更有兴趣的良性学习循环。

参考文献

[1] 冯成火．新高考物理“遇冷”现象探究——基于浙江省高考改革试点的实践与思考[J]．中国高教研究，2018（10）：25-30．

[2] 中国教育报刊社．浙江2017年高校选考科目公布[N]．中国教育报，2015-03-02（03）．

[3] 潘昆峰，刘佳辰，何章立．新高考改革下高中生选考的“理科萎缩”现象探究[J]．中国教育学刊，2017（08）：31-36．

[4] 王磊，陈建文．万有引力与距离平方成反比的牛顿式几何证明——解读经典之《自然哲学的数学原理》[J]．物理教师，2020，41（08）：57-59．

—— END ——

关键词：亚里士多德科学发现国际单位制