作者： 王 磊／武漢海淀外國語實驗學(xué)校

(資料圖)

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]。而與之相對比的是在高等學(xué)校對高中生的選科需求中，物理學(xué)科是單科可報考專業(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)覆蓋率的對比下，我們發(fā)現(xiàn)，即使各個高等學(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仍然回避物理學(xué)科。在西方國家越來越重視 STEM 核心素養(yǎng)人才的當(dāng)下，我國高中生在選科時卻出現(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]。對于兒時的未來夢想問題，“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)，而只是不動感情的腦力勞動，就會給學(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，任何興趣都根植于一定的知識土壤中，因此知識是興趣的基礎(chǔ)，是興趣的媒介?！蔽锢韺W(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，我們要像對古希臘人講課一樣對現(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)具有的知識基礎(chǔ)之上進(jìn)行更新和突破才能引起學(xué)生的興趣點，只有在學(xué)生已經(jīng)具有的知識大廈基礎(chǔ)上建立起來的新知識才是穩(wěn)固的。

科學(xué)溯源教學(xué)理念在物理教育實踐中的應(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為他觀察到月食時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，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)合行星觀測給每個行星都加了本輪，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行星一樣的星體，都在繞著太陽旋轉(zhuǎn)。而且宇宙不動，地球自轉(zhuǎn)更為合理，畢竟星星那么遠(yuǎn)，每天繞地球轉(zhuǎn)一圈速度確實大得驚人?；谝陨蠋c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，這大大擴展了人們認(rèn)識宇宙的邊界，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，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發(fā)現(xiàn)星星的運動都是橢圓，并且開普勒通過10年研究得到了這些不同行星繞太陽運動的重要規(guī)律——那就是橢圓的半長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)，因為把開普勒第三定律結(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動確實是橢圓，同時牛頓也因此發(fā)現(xiàn)了微積分計算方法[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，弧度制是在圓周運動角速度運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°是因為360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)。這對于古埃及人來說十分重要，畢竟在建筑中古埃及人想簡單地表達(dá)角度，而且在古埃及早已經(jīng)形成了對稱審美，需要經(jīng)常等分圓周用以繪畫、建筑等。

“圓周運動”章節(jié)是在“國際單位制”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，簡單說，必須用國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，而所有的國際單位制單位都是由7個基本單位推導(dǎo)而出的，顯然古埃及的360°與國際單位制格格不入，那么我們怎么用國際單位制的基本單位得出角度的表達(dá)呢？顯然只有長度單位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應(yīng)的圓心角，一組半徑相同弧長不同的（如圖6），一組弧長相同半徑不同的（如圖7），讓學(xué)生對比觀察。很快就會有學(xué)生說出“用弧長比半徑定義角度”，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 半徑相同弧長不同的角度對比圖

圖7 弧長相同半徑不同的角度對比圖科學(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動的原因，而伽利略通過理想斜面實驗推翻了亞里士多德的觀點，提出力不是維持物體運動的原因。牛頓在其第一定律中提出力是改變物體運動的原因，第二定律告訴我們力是通過產(chǎn)生加速度改變物體的運動，第三定律是補充說明物體間相互作用力的特點。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)的古典實驗

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)合兩個城市之間的距離測出了地球的周長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有一個陰影，物體能形成自己直徑108倍長的本影區(qū)，那么地球也應(yīng)如此，地球的本影區(qū)長度也是地球直徑的108倍。又因為在地球上看太陽和月亮幾乎一樣大（日食的時候，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算，月球通過的這段陰影區(qū)長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。帶入埃拉托色尼測定的地球周長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。這個結(jié)果與如今我們的測量值384 400千米幾乎一致（如圖9）。

圖8 地球周長測量原理圖

圖9 阿利斯塔克的月食法地月距離測量原理

雖然古人的測量精度不能與現(xiàn)代科技方法相比，但古人的測量方法是極容易被現(xiàn)代的學(xué)生理解的，反觀現(xiàn)代測量方法雖然更加精確，但復(fù)雜的實驗原理并非構(gòu)建于學(xué)生已有的知識之上，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)生解釋簡單的發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)代實驗手段無法為學(xué)生還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場，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，無論理論課還是實驗課，都可以對相應(yīng)的物理知識進(jìn)行追蹤溯源，幫助學(xué)生還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)場，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)場感、參與感、邏輯感和成就感，讓學(xué)生形成因為對物理有興趣而喜歡學(xué)，因為喜歡學(xué)而成績高，又因成績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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[4] 王磊，陳建文．萬有引力與距離平方成反比的牛頓式幾何證明——解讀經(jīng)典之《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》[J]．物理教師，2020，41（08）：57-59．

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標(biāo)簽： 亞里士多德 科學(xué)發(fā)現(xiàn) 國際單位制