好奇·求实·创新——刘炳昇物理教育思想对核心素养培育的启示

申 洁

(苏州市振华中学，江苏 苏州 215021)

刘炳昇教授长期从事物理实验和物理教学研究,是我国物理课程改革发展进程中物理实验教育的领航者．他身体力行,深入探索中学物理教育实践,几十年如一日孜孜不倦,矢志不移,在物理实验教学研究方面享有极高的造诣及声望,形成了具有鲜明实验教学特质的物理教育思想,为推动我国基础教育物理课程改革做出了卓越贡献．本文基于文献研究,结合笔者多年教学实践案例,阐述刘炳昇物理教育思想对核心素养培育的启示,意在促进物理教师的专业成长和物理实验教学研究的深入开展．

1 刘炳昇物理教育思想

刘炳昇教授早年师从我国著名物理教育家朱正元先生,朱先生一贯重视物理实验,并亲身示范,影响后辈,其实验教育思想言简意赅,耳熟能详．倡导“物理、物理,要以物论理,以物说理”“千言万语说不清,一看实验就分明”“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”．[1]刘教授继承并发扬了朱正元先生的物理实验教育思想,在长期的物理实验教育研究过程中形成了实验教育的核心主张,其物理实验教育思想主要体现在:加强实验是我国理科教学的历来主张;实验体现了自然科学的重要特点,是科学探究的重要思想和方法;实验素养(思想、观念、方法与技能)是科学素养形成、发展的基础和组成部分．[2]

刘炳昇教授实验研究的指导思想是力求体现“真实美和简单美”,他希望让学生感受真实的自然现象和实验现象的美感．他从培养人的角度研究实验的价值,认为培养创新人才需要让学生通过实验学习探索的思想和方法,教学中所创设的情景要符合学生的特点．主张物理教学要用最平常的内容,引导学生获得不平常的发现．他指出,好奇是与生俱来的,但不可能自然而然地保持和发展;好奇心在一定条件下可以转化为求知欲,进而发展为对科学的兴趣,由此形成的动机是一种内部的驱动力．[2]

为体现自己倡导的“应用实验激发学生的好奇心和求知欲”“运用小型实验进行科学探究训练”的教育思想,1993年刘教授编著了《高中物理课外实验》一书,2000年与他人合著《中学物理实验教学与自制教具》一书,书中列举数以百计的教具设计和实验案例,从课外观察、家庭小实验、课外综合实验、研究与探索、设计与创造等方面进行展示和介绍,彰显“小实验·大智慧”的物理实验思想精粹,提出了物理实验开发与设计的6个基本观点:(1)挖掘兴趣因素,激发学习动机;(2)提高感知效果,培养观察能力;(3)突出本质因素,建立科学图景;(4)联系生活实际,向相关学科渗透;(5)加强小实验,增加学生动手动脑机会;(6)加强探索性实验,培养创造能力．[3]

综上所述,物理实验教育的观点和主张是刘炳昇物理教育思想的核心．

2 刘炳昇物理教育思想对核心素养培育的启示

当下物理教育关注的主题是物理学科核心素养培育,实施核心素养培育的目的是要解决培养什么样的人、怎样培养人的问题．从刘炳昇物理教育思想中汲取丰厚营养,确立科学的物理教育观,深化物理实验教育研究,对于物理学科核心素养培育极具现实意义,对于建设具有时代特征,本土特色的物理课程和物理实验教学体系有着深远的影响．

物理核心素养,是指学生在接受物理教育过程中,逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特征的品质．学生在经历物理学习后,应该具备良好的思维品质、掌握科学探究的基本方法、形成正确的物理观念、科学态度与责任．从初中学生能力发展需要及学习进阶角度考虑,初中物理核心素养由“概括理解”“实验探究”“实践运用”和“求实创新”4个方面构成．

笔者认为,“激发好奇心与求知欲”“加强实验探究,培养创造能力”“联系生活实际,向相关学科渗透”是刘炳昇实验教育思想的浓缩,与初中物理核心素养“概括理解”“实验探究”“实践运用”和“求实创新”高度吻合,不仅具有物理教育改革指南针的意义,更富有现实性、针对性,未来性的教育价值,对于当下的物理学科核心素养培育有着深刻的启示．

2.1 关注物理实验的启蒙性影响

启蒙是指给人启发和启示,使初学者得到基本的、入门的知识．[4]启蒙的意义在于开启智慧,运用理性,实质并不是为了给予知识和传授真理,而是启发人们思考,提高人们的自由思辨能力,以获得思维的创新和思想的升华．

处于生理及心理成长期的中学生,对外界新事物比较敏感,好奇心强,在接触物理科学之前,他们在日常生活中已经积累形成了许多关于客观物质世界的经验性认知,但对物理科学缺乏本质的理解,对物理实验的认识是有限的．物理实验教育的意义在于能够使学生在物理科学知识学习和科学思维发展的萌芽阶段,激发其科学探究的兴趣与学习的内在动力,对其科学态度及科学价值观形成产生启蒙性影响．[5]

刘炳昇教授认为“采用新颖的、生动的、惊险的和富有悬念的实验有利于学生萌发热爱物理学的情感,激发学习动机,产生旺盛的求知欲．”[6]他倡导教师应用生活化的非常规实验资源做一些生动的演示实验,或为学生提供趣味性的探究活动．基于刘教授的实验思想,笔者在教学实践中积极探索,设计和演示的相关实验取得了良好的实验教学效果．

案例1：花瓶是透镜.

这是一个侧面凹凸形状的玻璃花瓶,装上水后能使花朵放大或缩小．学生在课堂上观察到这个花瓶呈现的有趣现象时,很好奇,但不明白为什么花瓶会有这样的特别效果(如图1)．这是因为花瓶里放入水后,从侧面透过这个花瓶的凹凸部分去观察花朵,形成了凹透镜和凸透镜效应,即凸出部分相当于凸透镜,透过这部分可以观察到放大的像,凹进去部分相当于凹透镜,透过这部分观察到的就是缩小的像了．

图1

在观察了花瓶的新奇效应和引发学生产生问题解决的兴趣后,提供给学生各种透镜,让他们在解决问题的任务驱动过程中探究相关问题．不仅活跃了课堂探究气氛,引发了深度思维,而且对于深入认识透镜作用和性质,进行实际应用问题的解释,获得了知识迁移和能力提升的学习进阶效应．

花瓶是在地摊上淘来的,作为实验教学资源,利用它很好地创设了实验教学情境．“花瓶是透镜”,不仅激发了学生探究学习的兴趣和潜在的学习动力,更有意义的是发挥了实验对学生认知冲突产生的启蒙性影响,给学生以科学学习观的引领——物理就在我们身边．

如果说中学物理教育的整个阶段是中学生从具体到抽象的思维完善过渡期,是从经验向理论提升的发展期,那么物理实验对学生物理学科核心素养发展的启蒙性影响是不言而喻的．

2.2 尊重物理实验的实证性意义

物理实验是物理学发展的基础,是检验物理学理论的重要手段,只有通过实验,才能验证推理的正确性．现代实验技术发展,不断地揭示和发现各种新的物理现象,日益加深人们对客观世界规律的正确认识,从而推动物理学向前发展．

物理实验的“实证性”体现在:(1)提出对某个问题或现象的假说;(2)设计具体的实验并观察现象来检验假说;(3)当实验和观察结果与假说相吻合时,这个假说就成为一个结论或规律,也可以认为完成了一个科学探究过程．最早使用实证方法进行科学研究的科学家是伽利略,他运用设计好的物理实验解决了自由落体问题．物理教科书里的物理学理论几乎全部来自实证方法．

刘炳昇教授认为,“任何科学成果都应当是可重复的,并最终能接受实践的检验．检验的证据来自于在自然或实验室环境中对现象的观察和测量．”[6]实验对培养学生的实践意识有着不可替代的作用,这是因为,实验可简化、纯化、强化、加速或延缓、重复与再现物理过程,具有发现规律和检验假说的功能．上述观点对笔者的最大启示是,有些现象必须让学生获得“眼见为实”的感性体验,再由此上升到科学的理性认识．应用实验证实和解决一些问题,在教学实践中是必须的．

案例2：瓶子倒吸鸡蛋.

笔者在一个课堂教学设计中看到这样一个实验设计,“将一个试管中装点热水涮一涮,倒尽试管中的水,迅速将剥了皮的鹌鹑蛋堵住试管口,鹌鹑蛋被吸入试管内”(如图2甲)．

图2

在这之前的课堂教学实验中,笔者曾给学生做过的瓶吞鸡蛋实验仅限于鸡蛋从瓶口上方进入(如图2乙)．由上述的鹌鹑蛋被吸入试管联想到能否设计实验,让鸡蛋从瓶口下方进入瓶内,因此,在一个三角烧瓶中装入热水后随即将水全部倒出,迅速将剥了皮的鸡蛋放在三角烧瓶的瓶口,可观察到鸡蛋从下方瓶口慢慢被吸入瓶内(如图2丙)．学生第一次见到这个实验,以为鸡蛋会掉下来,但是,原有的认知被颠覆了,“眼见为实”,实验现象让学生见证了“大气压”的“魔力”所在．

设计这样的实验,教学意义就在于“证实”,即通过实验说明鸡蛋可以从下方被吸入瓶内,虽然原理不难,但学生原来没有经验性依据积累和现成知识储备,教学的关键是通过实验进行“举证”——“实证”,去讲清楚现象及原理,激发学生的理性思考,唤起问题探究的内在动力．

物理实验不仅是为了证实假说,发现所未知的事实,重要的是以此为依据,体现实事求是．自然界的奥秘是由科学实验不断揭示的,科学实验的实证性永远不会终结．基于上述,笔者认为,在刘炳昇教授物理实验教育思想的指引下,关注物理实验的实证性是物理教育的必然选择与应然行为．

2.3 彰显物理实验的创新性价值

物理实验中蕴含着深厚的创造性元素,能够启发人们从认识层面打破常规、寻求变异、探索多种解决问题的新方法与新思维．物理实验的探究性、直观性、实践性、多样性与变异性赋予了物理教育丰富的创新空间,有利于培养学生的创新意识、创新精神与创新能力,使其成为创造型的优秀人才.

刘炳昇教授经历长期实验教育研究,凝炼形成的实验教育思想内涵极为丰富,“小实验,大智慧”是其实验思想的精粹．刘教授倡导用玩具设计实验,指出“非常规物理实验”有助于创设源于生活的真实探究情境,帮助学生变换思维方式、注重知识的迁移和激励创新意识,为学生经历科学探究过程创造条件．他设计的许多小实验给一线物理教师产生了示范与引领性的影响,如“蜡烛翘翘板”、“透过水杯看模特泥娃”、“水中燃烧的蜡烛”等,这些实验非常有趣,并且富有思考性．作为实验教学资源为学生提供了探索活动的生动载体,让学生通过实践和体验,学习科学探究的方法,在观察基础上提出假设,在交流讨论中揭示矛盾,再深入实践寻找新模型,直到有满意解释为止,这对培养学生的创造力是大有可为的．[7]

笔者在长期教学过程中努力践行刘炳昇教授的实验教育思想,从实验的观念、内容、方法上积极创新,对教材上的一些实验进行创新性设计与开发,让课堂教学灵动有趣,生成精彩,为学生物理课程的学习设置进阶路径,促进学生科学思维螺旋上升,真正实现培养学学科核心素养与关键能力的教育目标．

案例3：升降式直升机原理演示模型.

升降式直升机原理演示模型基于教材中“力的作用是相互的”教学内容,以直升机原理解释为目的,意在解决课堂教学中使用玩具直升机模型进行演示时不容易操作、模型容易损坏存在的弊端,实现“直观真实、生动有趣、有效应用”的教学目标．

升降式直升机原理演示模型(图3甲),通过开关电源(图3乙),利用直流调压控制器给直流电动机供电,电动机高速转动带动螺旋桨旋翼转动,使得旋翼上下方的空气流动产生向上的流体压强差,旋翼沿竖直滑轨上升,反之沿滑轨下降,当达到二力平衡时,直升机模型能在滑轨的某个位置保持旋停状态．该模型不仅实现了教学演示的理想目标,也发挥了教具创新设计对教学实验研究的推动作用．该教具在“2017年全国中学物理实验创新展评活动”中获一等奖,得到了专家和同行的好评．

图3

3 结语

法国教育家卢梭说过,“问题不在于教他各种学问,而在于培养他有爱好学问的兴趣,而且在这种兴趣充分增长起来的时候,教他以研究学问的方法．毫无疑问,这是所有一切良好教育的一个基本原则．”刘炳昇教授物理教育思想正是这种良好教育的写照,也是一线物理教师在教学过程中,有效实施培养学生学科核心素养,需要认真研究和努力践行的理念与方法．