物理文化课堂教学的思考与实践

汪 明

(江苏省常州高级中学，江苏 常州 213000)



物理文化课堂教学的思考与实践

汪 明

(江苏省常州高级中学，江苏 常州 213000)

寻求物理文化课堂教学,专注于物理原理的发生和形成过程,让学生在感受物理学概念与规律严密的逻辑论证体系的同时,感悟科学家曲折顽强、激动人心的创造过程,间接反映出人类对物理学认识的历史印迹,能有效增强课堂教学思想性和启发性.

认知心理； 物理文化； 教学案例

在“国际物理年”2005年,杨福家院士曾专题论述了在大学阶段进行物理文化教学的必要性:“我们今天纪念爱因斯坦,不仅仅要看到他的相对论、光电效应,还要看到他一系列的丰富思想.……”在基础教育界,普通高中物理课程标准也指出:物理学本身就是科学知识、科学过程和科学文化的和谐统一,它不仅以其概念、原理和规律的知识揭示了自然界的基本运动形式的诸多真理,更以建立知识体系过程中所凝练和升华的科学思想和文化内涵,是人类思想和观念进步的伟大阶梯.因此,关注物理文化课堂,是物理教学的重要目标和研究内容,也契合新课程教学的基本理念.

1 物理文化课堂教学的理论基础

从认知心理学角度观察,学习的过程是一个以学生已有知识和经验为基础的主动建构过程.信息加工认知心理学家加涅认为,学习内部过程是经历注意(接受)→选择性知觉→语义编码→提取→反应组织→控制过程→预期,而与之对应的外部事件影响分别是以下7个过程:刺激变化产生的注意唤醒;物体特征的增强和差异促进选择性知觉;言语指导、图片、图表等形式提供编码方式;提供或呈现如图表、表格等线索帮助提取;教师就学习目标进行言语指导;告诉学习者所要求的行为表现类型,通过言语形成定势从而激活并选择合适的策略;告知学习目标,从而形成对行为表现的具体预期.由此可见,学生的学习过程并不是简单的认知过程,作为认知主体,学生在学习过程中对外界信息进行加工和内化,通过切身的文化情感体验对有价值的信息进行感知、识记、保持、筛选、吸收,最后内化成自己的解决问题的意识.

从物理文化视角观察,物理学作为一种科学知识体系,是人类认识世界的一种方式和探索过程,是人类与自然界之间的一种试探和对话.作者尝试运用信息加工认知心理学原理,进行物理文化课堂教学,其目的是让学生在学习物理知识的过程体验科学研究方法,感悟物理学发展魅力,主要基于以下思考: (1) 物理文化具有深邃的思想方法和强大的应用功能,而学生的物理文化素养的形成是一阶梯式上升和循序渐进的过程,契合信息加工认知心理学原理.(2) 物理学是一门具有严密逻辑结构的科学文化,它以社会经验和科学理性为特征,具有很强抽象性和概括性,只有激发学生心理认知中的不平衡感,通过心理同化和顺应,才能真正内化成学生解决问题的智慧.(3) 课堂教学是教育教学的主阵地,强调实施物理文化课堂教学,有利于人文教育和科学教育相融合,有利于培养学生的科学审美观,科学精神与思维方式的变革才能真正发生.基于以上认识,笔者构建出物理文化课堂教学包含4个学习阶段:即唤醒、体验、移情、评价.

唤醒:对应认知心理学习的经历注意(接受)环节.以创建物理文化情境为载体,以问题引领为方式,以趣味化和简约化科学研究历史过程唤醒学生注意.

体验:对应选择性知觉与编码的学习过程,以科学探究和理论演绎为学习路径,让学生体验知识的发生和形成过程,开展自主学习与合作研究,在物理文化背景中领悟学习物理知识的策略.

移情:对应提取与反应组织的过程.让学生把科学的真善美融入学生自身的文化情感体验,运用判断、推理、质疑、联想等训练学生批判性思维,培养学生能深入体会物理学家的观点和领略物理学规律的能力,塑造学生的专业情怀.

评价:对应学习的控制过程与预期达到过程.通过对物理文化深入了解,能够对物理问题提供有意义的阐释,将物理知识内化发展为问题解决的意识,将物理学习情感升华为自身生命成长的价值观体系.

如图1所示,物理文化课堂实施并非是一线性过程,而是一个逐阶上升的发展过程.在逻辑上它是顺序发生的,在实践中它是一循环往复的动态发展过程,教师可以在教学中对某个教学要素或者具体阶段进行调整,它是一个不断调适和完善教学系统,是一种有意识的、有计划的,向着预期的教学目标前进的教学过程.以人教版物理必修2第5章内容“行星的运动”教学为例,课堂以物理文化为载体,以问题设计为路径,以意义建构为策略,让学习的迁移与评价贯穿课堂始终,使学生思维始终处于积极的情感体验之中,升华了学生物理学习的文化情感.

图1

2 物理文化课堂教学案例呈现

2.1 唤醒:创设情境,文化觉醒

教学不仅是知识和方法的传递,更是对心灵的唤醒.物理文化教学强调科学精神的传承与科学方法的学习,所创设的学习情境应与学习主题相关,符合历史真实,能唤醒唤起学生原有认知结构中有关的知识、经验及表象,从而使学生利用有关知识与经验去“同化”或“顺应”所学的新知识,发展认知能力.

引言： 物理学研究自然界起源于观察夜空,即天文学.深邃的星空似比日常生活世界更完美.生活喧嚣,星空宁静;生命短暂,星河永恒.浩瀚的宇宙始终是人类渴望了解、不断探索的领域.历史上,究竟是如何看待“天体的运动”呢?

情境1： 古希腊理论(地心宇宙).当我们远古祖先惊叹星空的玄妙时,他们就开始破译日月星辰等天文现象的奥秘……至少早在公元前3000年,人们已意识到恒星、太阳、月亮、与当时已知的5颗行星运动方式是不同的.约在公元前500年,希腊人开始寻求对这些运动的逻辑认识.以数学哲学家毕达哥拉斯和柏拉图为代表,提出透明球壳理论,认为地球是静止不动且是宇宙中心,日月星辰在球壳上围绕地球作完美的匀速圆周运动.

情境2： 托勒密理论(地心宇宙).细心的观察表明,行星并非总是向一个方向移动,大多数随时间它由西向东相对于恒星移动,有时却停下来,然后向西移动一段时间,随后又向东移动,而且在逆行期间行星更亮.为了解释行星的逆行,希腊人提出了“本轮——均轮”理论,由古代天文学家托勒密最终完善而成.为了观测结果相符合,每个行星不止有一个本轮,最多总数达到80多个.以至一位西班牙国王评论:“如果万能的主在着手创造万物之前和我商量,我当提供更简单的方案.”

情境3： 哥白尼理论(日心宇宙).日心说最早由希腊思想家阿利斯塔克在公元前260年提出,他认为,太阳是不动的,是宇宙中心,而地球等行星则以太阳为中心沿圆周运动.但阿利斯塔克的见解当时没有人表示理解或接受,因为这与人们肉眼看到的表观景象不同.经历文艺复兴时代百年之后,1535年,波兰天文学家哥白尼,对日心说做出更具体的论述和数学论证,完成科学巨著《天体运行论》,此书被誉为“自然科学的独立宣言”.

通过情境1和情境2,让学生明白,托勒密的天体模型之所以能够流行千年,是有进步意义和文化历史原因的.一是各种星球绕着地球中心的匀速圆周运动,符合当时占主导思想的柏拉图的假设,也适合于亚里士多德的物理学,易于被接受.二是“本轮——均轮”理论预言了行星的运动位置,还能解释行星的亮度变化.三是地球中心虽说符合基督教信仰为后人诟病,但它与生活直接经验相符.如此说来,地心说的建立本身也是基于科学精神,它来自观察,基于理性,认识修补后使其符合客观事实,尽管当今科学已经否定,从物理文化角度来说,它仍是科学体系发展过程中不可缺少的环节.

通过情境3,培养学生科学文化世界观.文艺的繁荣和思想的解放也是科学发展的必要条件,像文艺复兴时期艺术家的眼光超越了基督教,哥伦布的眼光超越了欧洲,哥白尼的眼光也超越了地球本身.科学史也指出,哥白尼并非一位革新家,主观上他是保守的,他认为宇宙有限和太阳中心,他基于圆的完美性将行星轨道设定为圆,至于是什么维系地球运动、空中的飞鸟和浮云为什么不落在后面等问题,也无法给予回答……但瑕不掩瑜,哥白尼仍是伟大的,虽然他并没有掌握真理,但他开启了改变世界的现代科学新时代,是人类世界观发生了重大的变革,宇宙中心的转变暗示了宇宙可能没有中心!这在哥白尼理论中还是隐含的,学者布鲁诺将其公开并付出了生命的代价,宗教裁判所可以消灭学者身体,但它不能消灭科学真理和阻碍其进步及传播.

2.2 体验:任务驱动,实践探究

采用任务驱动的形式,通过实践探究来建构学生的物理思维,正是物理文化课堂强调的“历史追问”与“现代审视”相融合的教育教学观,潜移默化中养成学生正确对待科学和科学家的情感态度.设置教学步骤如下.

任务1:第谷的长期观测.哥白尼动摇了基督教地心宇宙体系的根基,但在天文观测的精确度方面没有提高,丹麦的第谷连续20年对750颗左右恒星进行观测并有准确记录.提问,同学们会从中感悟到什么呢?

任务2:开普勒的眼光.开普勒对第谷的观测资料进行分析,敏锐的目光让他选择了火星数据,惊异地发现如果认为行星做匀速圆周运动,理论计算与测量误差最大达到8′.提问,如果同学们做实验,面对误差时该怎么办呢?

任务3:焦点定律.(8′误差为太空立法)开普勒认为,火星不应做匀速圆周运动.改用各种不同几何曲线来表示火星运动轨迹,终于发现,所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上,即开普勒第一定律.

任务4:面积定律.开普勒发现,虽然火星运行的速度是不均匀的(最快时是在近日点,最慢时在远日点),但是,从任一时刻开始,在单位时间内,其径向扫过的面积却是不变的.这样,他得出了开普勒第二定律:“对任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积.”这两条定律,出于1609年出版的《新天文学》.

2.3 移情:质疑判断,深度感悟

应该承认,物理文化课堂难以推行,客观原因有物理教科书中对人类探寻科学规律的历史痕迹已祛除殆尽,科学家曲折顽强、激动人心的创造过程已淹没于严密的逻辑论证体系之中,也让很多教师错误的以为教学只是探寻真理的一种严肃的学问,只让学生感受到物理规律那冷冰冰的美丽,而未能让学生体验出那火热的科学探究情感.

如果仅从知识学习的角度来衡量,在学生进行理论学习和实践探究之后就已经完成了学习任务,但教学中似乎总觉得缺失了点什么,譬如,如何让学生来感悟科学发展的艰难之旅和物理公式的简洁之美呢?我们知道,由于科学进程的漫长性和学生认知过程的间接性,不太可能让学生按照物理学发展的自身逻辑来进行学习认知,因此,强调心理移情,即不由教师直接告诉学生应当如何去解决所面临的问题,而是诱导学生间的协作讨论和交流,通过判断、质疑和感悟来丰富和激活学生的认知经验,让学生更深刻体会物理规律身后的科学发展逻辑.教学中可采用图文(如图2)和图表(如表1)形式来表达,掀起学生的“头脑风暴”.其一,感受第谷20年如一日的数据观测,科学需要献身精神与卓越意志力.其二,与学生平时物理实验态度进行参照,让学生体验8′误差之细微与开创天文学研究的辉煌成就对比,感受开普勒数年刻苦演算一丝不苟的科学精神.其三,感受“自然崇尚简单”的美学原则.隐喻自然界的现象是错综复杂的,然而背后隐藏的规律确是简单的.物理学正是在此基础之上,崇尚简单、对称、统一为美,通过对科学的理想化、抽象化和概括化,以概念、定理、公式、理论的方式显示出来的.事实上,任何物理理论归根到底只有少数几条基本的假定:经典力学建立在牛顿三大定律和万有引力定律之上,经典电磁学建立在法拉第的场理论和麦克斯韦方程组之上,狭义相对论建立在相对性原理与光速不变基础之上,……而第一次用数学来表达物理规律正是开普勒第三定律.

图2

行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8811.5243.543.54木星11.8625.203140.7140.7土星29.4579.539867.7867.7

2.4 评价:问题解决,意义建构

由认知心理学分析可知,意义建构是教学过程的最终目标,其建构的意义是指事物的性质、规律以及事物之间的内在联系.所谓评价就是要帮助学生对当前学习的内容所反映事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系达到较深刻的理解.从教育教学角度来讲,物理文化课堂兼有科学教育和人文教育的双重功能.让学生在学习这些物理学基础知识的同时,能认识和掌握物理学的科学思维范式,进而形成自己的科学精神、科学素养和价值观.就本节课而言,在评价环节,除了知识学习之外,在科学观与价值观等方面,至少有3点可让学生总结学习:

(1) 尊重观察到的客观实践,不迷信科学权威知识并敢于创新科学见解(如行星运行遵守椭圆规律).

(2) 以数学语言来表达物理定律并获得成功(从开普勒之后,数学方程就作为物理定律的数学表达式就自然地发展起来).

(3) 把可观察的实验现象作为出发点,从事物运动的自身规律去寻求本质原因(这是近代物理学的主要特征之一).

此外,在教学的评价环节,教师还可诱导学生将物理常识之中的模糊之处上升到科学层次,锤炼学生的思维品质与价值观.即成功的物理教学不仅在于解决已有的问题,更重要的是诱发出新的科学问题,可设置以下问题让学生思考:

(1) 日月星辰运动似乎亘古不变,为何其运动研究能成为物理学的进展源头之一?

(2) 地心宇宙及圆周运动并不科学,为何其影响竟有2000年之久?

(3) 哥白尼、开普勒的成功对物理学的发展有何意义?

(4) 行星的运动还隐藏了何种规律?天上物体运动和地上物体运动能遵循同一规律吗?

课堂行将结束时,如果教师这样娓娓道来,让学生“意未尽且心未止”,思索科学发展对于真善美的不懈追求,催生出学生的学习智慧,内化成学生的意义建构.这不仅是把一种高品位的研究精神奉献给学生,同时也升华了学生对客观自然规律的认识情感.

3 后记

物理文化课堂教学并非只是学习知识,更是一种思维范式和认识路径,承担着文化传承的教育功能.蒙田说过:“学习不是为了适应外界,而是为了丰富自己.” 西塞罗也曾说过,教育的目的是让学生摆脱现实的奴役,不能仅仅适应现实,而是要改造社会.而今天的教育情形却是以适应现实为目标塑造学生,真是本末倒置.教学中让学生经历物理学客观真理的形成过程,从问题的提出、假设、实验、结论的得出和实践的检验,形成一个较为完整的认识路线,增强学生对隐性的物理文化的敏感性和感受力,正是课堂教学继承和发展物理文化的重要途径.

1 [美]加涅.学习和条件和教学论[M].皮连生等译.上海:华东师范大学出版社,1991.

2 汪明.基于“情感教育”的高中物理课堂教学[J].教学月刊(中学版), 2013(04):11-14.

3 汪明.物理文化课堂教学实践与反思[J]. 中学物理教学参考, 2013(4):43-46.

本文系江苏省教育科学“十二五”规划重点课题“基于课标的物理文化课堂实践研究”的研究成果(课题批准号:B-b/2013/02/236)； 江苏省十二五重点课题“高中物理翻转课堂教学与实践研究”阶段性研究成果(课题编号： R-a/2015/04).

2016-09-05)