科教專題：以科學溯源革新物理課堂教學

作者： 王 磊／武漢海淀外國語實驗學校

(資料圖)

新高考改革下的物理“遇冷”暴露了中學階段學生學習物理的疲態

2014 年，上海、浙江作為試點首先進行新高考改革。在學生被賦予了充分的自由選擇權的選考制度中，物理的選課率出現了滑鐵盧，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校對高中生的選科需求中，物理學科是單科可報考專業涵蓋面最高的，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覆蓋率的對比下，我們發現，即使各個高等學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，也更容易考上大學 [1]，但高中生在自由選擇時仍然回避物理學科。在西方國家越來越重視 STEM 核心素養人才的當下，我國高中生在選科時卻出現了棄選物理的逆 STEM現象，要知道 S（science）、T（technology）、E（engineering）、M（mathematics）無不指向了物理學科 [3]。對于兒時的未來夢想問題，“科學家”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，爆發出最閃光的思想，推動著人類文明的前進。這樣充滿魅力與智慧的學科怎么可能讓孩子不喜歡呢？！可是經過中學幾年的“物理洗禮”，更多的孩子卻對物理“棄若敝屣”。正如蘇聯教育家蘇霍姆林斯基所說：“教師如果不想方設法地使學生保持情緒高昂和智力振奮的內心狀態，而只是不動感情的腦力勞動，就會給學生帶來疲倦。”顯然中學階段的物理教學已經讓孩子們疲倦太久了。

科學溯源教學理念激發學生物理學習興趣

日本的教育心理學家田崎仁說：“興趣不是原因，而是結果，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，是興趣的媒介。”物理學起源于古希臘，快速發展于文藝復興，全方位形成于近現代，跨越兩千多年，是集無數科學家智慧結晶的文化。只有讓學生了解了物理學的發展歷程，才有可能讓學生對物理學產生興趣。然而，當下中學物理教學是以一種只重“物理解題”而忽視“物理文化”的畸形方式呈現給學生。所以筆者提出科學溯源教學理念，以提升物理課堂的文化屬性。我們的中學生在科學視野上雖達 21 世紀，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代的中學生講，這也是筆者提出在中學物理教學中重視科學溯源教學理念的基本思維邏輯。只有在學生已經具有的知識基礎之上進行更新和突破才能引起學生的興趣點，只有在學生已經具有的知識大廈基礎上建立起來的新知識才是穩固的。

科學溯源教學理念在物理教育實踐中的應用

科學溯源理念要注重科學家的思考依據

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。當人們質疑為什么地球下方的東西不掉下去時，亞里士多德解釋道：“地球大到你永遠也走不到地球的下面。”

亞里士多德提出大地是球形后進而提出地心說，但行星的逆行現象（如圖1）困擾著科學家們，古希臘晚期的哲學家托勒密根據阿波羅尼提出的“本均輪模型”結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現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。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，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。而且宇宙不動，地球自轉更為合理，畢竟星星那么遠，每天繞地球轉一圈速度確實大得驚人。基于以上幾點思考，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。

伽利略發明了望遠鏡觀察到新太空，給日心說找到了確鑿的證據。

（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識宇宙的邊界，地球很難是宇宙的中心，而亞里士多德認為銀河是月下空氣效應。

（3）太陽黑子的移動，說明太陽在繞著自身旋轉。

（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，否則相位應該和月球相同；最明顯的區別在于金星全亮相位在看向太陽一側（如圖3），而月球全亮相位出現在背向陽光一側（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顆衛星，這4顆衛星在望遠鏡里可親眼看到繞著木星旋轉，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的支持，日心說才逐漸傳播開來。

開普勒根據老師第谷的天文觀測發現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致了天體間引力平方反比的發現，因為把開普勒第三定律結合惠更斯離心力模型很容易得到。這種數學處理當時的哈雷、胡克、惠更斯、牛頓都輕易可以得到，但為什么引力的發現權還是歸于牛頓呢，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，同時牛頓也因此發現了微積分計算方法[4]（如圖5）。

圖5 牛頓微分幾何論證引力平方反比插圖

在萬有引力課題學習中，從亞里士多德的地球認知和地心說開始，依次到托勒密、哥白尼、伽利略、開普勒、牛頓，每一個科學發現環節，科學家們經歷了怎樣的思考，思考的依據是什么，這些才是引起學生學習興趣的關鍵。只有了解了這些科學歷程，學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。

科學溯源理念要激發學生重復科學家的創新發現

以“弧度制”教學為例，弧度制是在圓周運動角速度運算中引入的新的表達角度的方式。那么我們就要為學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定的圓周角角度，之所以規定為360°是因為360是可以被除了7以外所有10以內的數整除的最小整數。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角度，而且在古埃及早已經形成了對稱審美，需要經常等分圓周用以繪畫、建筑等。

“圓周運動”章節是在“國際單位制”之后，學生已經知道，物理公式的成立必須是以單位為基礎的，簡單說，必須用國際單位制單位才能不加以修改地應用我們所學的物理公式，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呢？顯然只有長度單位m（米）有可能與角度建立聯系。教師可以在黑板上畫出幾組圓弧對應的圓心角，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），讓學生對比觀察。很快就會有學生說出“用弧長比半徑定義角度”，這就讓學生重復了科學家發現過的發現。這不僅能讓學生對所學問題有徹底的理解，更重要的是幫助學生建立物理學習信心，畢竟他們做了和科學家一樣的偉大發現。

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溯源理念要注重物理思想的發展邏輯中學教科書上的科學定律幾乎都是從西方經典科學著作翻譯而來，牛頓的《自然哲學的數學原理》原文為拉丁文，后譯為英文后再轉譯為中文。故定律本身沒有確定的文字表述更無須背誦，重要的是應讓學生明白定律的原理。亞里士多德根據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發展層層遞進的邏輯關系，只有注重物理發展的思想邏輯才能讓學生形成穩固的物理觀念。

科學溯源理念要注重還原科學發現的古典實驗

古希臘哲學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家阿利斯塔克發現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，那么地球也應如此，地球的本影區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，所以地月距離應該是月球直徑的108倍。月食的時候，月球走進的地球的本影區無法反射太陽光，而根據古希臘人的觀察和計算，月球通過的這段陰影區長度大概是月球直徑的2.5倍，即AB=2.5d月，再由幾何關系可推得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，進而可得月球直徑約為3 580千米，而地月距離應為月球直徑的108倍，為386 640千米。這個結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代科技方法相比，但古人的測量方法是極容易被現代的學生理解的，反觀現代測量方法雖然更加精確，但復雜的實驗原理并非構建于學生已有的知識之上，比如傳感器原理等，我們不能本末倒置地用復雜的原理為學生解釋簡單的發現。現代實驗手段無法為學生還原科學發現現場，更無法讓學生感知古人的科學智慧。

在中學物理教學中，無論理論課還是實驗課，都可以對相應的物理知識進行追蹤溯源，幫助學生還原科學發現的現場，探究科學規律的發現源泉，讓學生設身處地感受科學家的感受，思考科學家的思考，讓物理學習更有現場感、參與感、邏輯感和成就感，讓學生形成因為對物理有興趣而喜歡學，因為喜歡學而成績高，又因成績高而更有興趣的良性學習循環。

參考文獻

[1] 馮成火．新高考物理“遇冷”現象探究——基于浙江省高考改革試點的實踐與思考[J]．中國高教研究，2018（10）：25-30．

[2] 中國教育報刊社．浙江2017年高校選考科目公布[N]．中國教育報，2015-03-02（03）．

[3] 潘昆峰，劉佳辰，何章立．新高考改革下高中生選考的“理科萎縮”現象探究[J]．中國教育學刊，2017（08）：31-36．

[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——解讀經典之《自然哲學的數學原理》[J]．物理教師，2020，41（08）：57-59．

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標簽： 亞里士多德 科學發現 國際單位制