素养指向下的物理科学真实数据教育转化

邓先君 乔翠兰

(华中师范大学物理科学与技术学院,湖北 武汉 430079)

鉴于现代自然科学之体系大多源于西方语系，我国自然科学引入、传播以至当下的科学教育都存在一个话语体系问题。在教育国际化时代背景和教育信息化传媒推动下，指向高阶思维能力和科学素养的物理科研产出真实科学数据的教育价值值得关注。科学研究和科学教育在相对长的历史周期里存在足够紧密的依赖促进关系：科学教育的落后会影响科学研究科技创新，科学研究和科技创新的可持续发展离不开科学教育的跟进和全体民众科学素养的提升。

“科学——科学教育”，科学研究和科学教育本身的恰和发展，一方面是人才培养的问题，另一方面是教育素材的转化问题，与此同时的民族自信和文化自信同样意义深远。于是，对于物理科研工程中真实情景和真实数据的教育素材转化问题的思考和研究可以说迫在眉睫意义深远。

以下从物理教育内容、理念关系，物理课程标准和教材体系，物理教育考核评估，结合具体的教育资源案例等方面讨论物理科学真实数据的教育转化和意识渗透。

1 基于物理科学真实数据的内容更新与理念更新

物理科学真实数据对于课程改革有教育内容更新和教育理念更新的双重意义。

教学当然可以从教育方式和教育方法上去找到一些积极因素，但是，从根本上来说，往往是我们教什么更多的在决定我们怎么去教，并且进一步决定了教育的效果。如果在教育内容的选择上的判断和选择更为科学，那么对于包括显性的和隐性的教育目的的达成都会具有巨大的建设价值。在国际教育比较分析的时候，国外的教育评价机构往往会聚焦到我们是怎么在教学的，关注我们的班级组织，教学组织，教学纪律，教师的组织协作能力和班级管理能力等层面的积极因素。但是它们也承认，尽管以探究为基础的科学活动与更好的科学表现有关——但并非一直如此(Enquiry-based science activities are associated with better science performance-but not all the time)[1]。

选择怎么样的教学内容和教学主题，往往会决定，至少是影响我们的教学方式，从而对教学双方和学生的教学表现产生作用。内容的选择和更新不能与所呼吁的教育教学方式理念相匹配的时候，教学的凝滞感则会增强，教学的有效性会降低，呈现事倍功半的效果。这也是我国当下物理教育所面临的问题：课程改革所倡导的教育理念和教育方式在具体的教育落实中的迟滞感——教师和学生进行了极大的教育投入，但是所面临的教学问题并不能有效的解决，存在教学模式要求和教学内容组织上的矛盾问题。而这样的问题，其内在的解决之道，还是关于科学真实场景和真实数据的教育素材选择和组织问题，也就是切合于时代，贴合于立德树人导向，与素养追求相紧密的教什么的问题。

具体到物理学科，教什么——基于哪些科学素材，在哪些科学真实场景中，采用哪些科学真实数据，阐明哪些具体科学问题，体会哪些科学方法，往往比空洞的教学模式和教学方法讨论更具有时代意义，更能丰富教学创造性。离开了物理学科本质来讨论教学方式方法的时代性，离开了科学本质的进步来谈科学素养进步，离开了科学发展的教育更新来谈学科教学知识(PCK)、TPACK等的教育应用，从当下的教育现状来看总是困难的。

2 物理科学真实数据视角的课程标准解读

从物理教育的课程标准取向来看，主要基于经典物理的物理基础教育其体系的破缺是自然而且不可逆的。我国从2001年开始的从大纲到课程标准的基于标准的教学改革开始就有过删除知识体系上的“繁难偏旧”，逐渐从“基本知识”“基本技能”的“双基”取向过渡到2004年版课程标准“知识与技能”“过程与方法”“情感态度价值观”的三维目标取向。2017年12月印发的课程改革标准所强调的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”，则直接的聚焦到观念和思维上，从知识取向到能力取向的倾向愈加明显，经典物理在知识内容上和教育价值导向上都急剧趋于分散。这对于经典时空观和经典物理概念所体现的物理观念、思维特质无疑应该有更多的批判性属性，所以基于经典物理相对稳固的知识体系有必要做出更多选择，为更立体的物理概念体系的建立提供空间，贯彻完成基于标准的课程体系更符合立德树人的教育观念，又保证富于创新和发展的学科本质。

物理知识逻辑取向和科学素养指向之间存在一定的教育价值偏差，但并不完全对立。从历史和时代的纵深来看知识逻辑的结构体系，其选择总是建立在一定的历史时期之上的，这种选择都会表现得相当“稳固”和“有用”。这种“稳固”和“有用”在教育，尤其是基础教育领域的很多时候会表现出令人满意的教育价值。偏执所在，如果我们不能很好地审视我们在教什么，不能随着时代的发展对“教什么”做出合乎教育价值的并且饱有警惕之心的判断，我们往往就难以获得独立于知识体系之外更多的高阶教育与追求，抽象解决问题能力、科学推理能力、批判性思维能力、科学创新能力、科学实践能力和科学团队合作意识等。

站在教师和专家的角度偏重知识逻辑的选择似乎更容易理解，因为这样的选择更具建构价值。但是如果站在学生的角度，这种建构价值在点滴的教学中并不是能很好体现，知识的逻辑架构对于学生而言在更多时候是向上后发的生成。小的体系状态里教育当然要追求自圆其说的逻辑自洽，当然要首先培养建立在知识基础上的理解能力，但是这种理解的发散则往往会主动地寻求去打破这种逻辑闭合，去生产教育的隐性价值：产生问题，促成思维发展。

例如伽利略运动学部分，尽管对于运动的合成与分解的矢量问题多有强调，尽管对于微分思想多有铺垫，但是在曲线运动部分，很多学生甚至教师都未能充分意识到基于抛体运动的矢量投影方法对于降低空间维度的物理学理论意义、基于圆周运动的建立在法向概念和切向概念上微分原理对于空间轨迹的解析；例如牛顿动力学体系基于牛顿运动定律的“初始条件”和受力情况共同决定运动状态判断，在经典力学的教学中反复灌输的知识链条其实都是很机械的唯物主义论调。静态教材很多时候没有办法更为具体地解释解决这些问题，往往以“局限”草草掠过；教学考核和学业能力评估时，这些方面也难以被考察。

基于标准的课程改革的学科课程标准，“更新了教学内容，重视以科学大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情景化”“注重课程的时代性，注重反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想”[2]的改革意识能够帮助我们解决上述问题。新课程标准所体现出的改革意识和物理科学真实数据和真实情境的教育转化有好的统一性，新课程标准的改革意识的落实与推动需要借助物理科学真实数据和真实情境。

3 基于物理科学真实数据教育素材的教材更新

科学形态向教学形态的转化过程中基于科学真实情境和真实数据的物理教材更新是关键。一方面接受科学真实情境和真实数据的教材可以有更多的教育素材来源，增强教材参考书和工具书的功能，提升教材的实用性；另一方面借助真实科学数据和真实科研情境的表达也会给教材中的科学探究案例更多的素材选择。

教育之面向未来，在教育素材组织层面上，除了历史的素材，当今时代物理科研工程的科研场景至少是有必要得到更多关注。更新教学内容，言之其易，行之其难，可以从以下几个方面加以考虑。

3.1 物理科学真实科学数据与教材更新

物理教育的科学性体现，有必要甚至很多时候必须将科学问题放到具体的科学场景中去实现，例如：理解科学家和工程师所处的时代里的认知动力，认知环境，体会科学工作者思考的过程和整个过程中的困境，像科学家和工程师那样去建构科学问题。科学探究首先应该是一个科学过程，然后才是一个教育过程。作为科学一部分和科学研究具有一致性的基于科学真实数据和科学真实场景的教育探究过程，对基于学科科学本质的核心科学素养凝练事关重要，最具教育价值。物理教育中的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”与物理科学研究中的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”是相一致的，这种科学教育与科学研究的一致性这才是学科本质的体现，最终渗透到教学之外所体现的基于科技社会生活的自觉认知才是素养追求的社会化目的。

和美国不同，我国物理教材在各教育层级和教育阶段具有权威性、系统性、实用和适用性等诸多优势，能在相当程度和相当广度上影响物理教育的内容选择、素材组织。和课程标准相适应的物理教材更新比课程标准本身有更直接更具体的规定和指导意义。所以在考虑物理科学真实数据教育转化时充分利用好科学真实数据立足于教材的转化这一方向，教育活力和教育影响力会进一步增强。

纵观人民教育出版社出版的一系列高中物理教材，2003年版的新课标高中物理教材(包括选修和必修系列)中的基础性物理知识其绝大部分都可以在 1980年版的全日制十年制学校高中物理课本(上下册)中找到，而后者比前者的内容更为丰富。我们的物理教材其在历次课程改革中的发展趋势是：删减有余，递增不足；经典物理的强化有余，而现代物理的渗透不足；基础理论纯粹性增强，科技社会相关的应用性不足。

好的方面，现行高中物理教材中以“科学漫步”等阅读材料形式介入了一些物理科学真实数据和真实情境，如“黑洞”“时间和空间是什么”[3]，令人印象深刻，却又意犹未尽。

义务教育阶段多有强调“从生活走向物理，从物理走向社会，关心科技发展，注重探究教学”[4]，在高中阶段则有必要注意到“从物理走向科学研究，从科学研究走进物理”。在经典力学诞生之前，朴素唯物主义的经验之谈对于是当时时代的教育素材，可以想象的“亚里斯多德是古希腊的圣人，他说过的话人们都把它当作真理”时代科学教育的哲学倾向。经典力学的发展所伴随的能源革命深刻影响了人类社会的发展，自然也决定了科学教育的内容和价值取向，至今我们的物理教育尤其是基础教育阶段的物理教育素材和体系的选择仍然重点集中在那一部分。

横向做国际物理教材的比对，欧美诸国的物理教科书对于单一的教材依赖程度较小，且与教材功能相当的其它教学素材在课堂的接入更为容易。在教学资源开发，教学内容更新方面，多种多样的与物理学新发现，物理学相关的新科技应用都比较快的会进入到教材体系。这固然和西方语系的语言表达话语权有关，也和国家科技发展，科学工程的教育多样化推动有关，事实上，美国一直有科学家、科技工作者编写教科书或者参与科学教育的传统，这也会促成科学研究形态尽快的向科学教育形态转变，使得科学教育的科学性得以增强。

有政治文化上的历史传习原因，使得西方语系国家在包括物理在内的自然学科教育方面存在一定的语言和文化氛围上的优势，使得它们的物理教育更自然地适应于社会生活并且更易于从社会自然生活中取材；有由于科技发展和现代自然科学起源方面的地域优势和话语权优势，使得它们的物理教育在知识内容和科学家工程师之间的具体工作之间的联系理解上更为方便，也更易于从科学家工程师的理解、从人的发展的角度去理解科学技术的发展从而更方便将知识的内化转化为能力的发展。但是这种固然固化确实是可以通过教材的发展和教学内容的选择来淡化和平衡的，并且从现在的科技发展和我国的物理科研工作来看，我国一系列重大物理科研工程的展开，从教育素材选择的角度是能够比过去更好地缓解、弥合中西方的差距的。

关注重大物理科研工程的教育价值，关注从科学研究形态到科学教育形态的转化和衔接问题，对于物理学科的学校教育而言，在教育素材选择、教育资源的理解方面也有更积极亲和的因子在里面；对于教育资源建设而言，真实的物理科研情景和真实的物理科研数据的有效利用能够引导基于主题基于探究过程的物理教学在形式之外有更丰富的内容内涵；对于大众教育而言，更多的关注我们自己的科研工程，对于培养国家民族文化自信、科学自信其裨益不言而喻，以教育做科普，则科普有源有根，有助于形成学习型社会提升全民科学素养。

3.2 物理科学真实情境和真实数据与探究教学

经过一系列基于课程标准的改革推动，绝大部分老师对于探究教学的教育价值表现出了一定程度的教学认同，老师们愿意也乐意尊重学生在课堂上的主体地位，在维护课堂纪律和营造宽松的小组探究性活动分为之间有做出平衡和努力，但是对于探究内容和探究主题的选择方面，一线教师通常陷入困惑。

首先，教材所给出的探究案例过于形式化，探究的结果结论和科学过程要么太依赖于物理原理，要么验证性痕迹太明显，使得教师和学生的探究热情大打折扣。如果过于参考过于依赖教材探究案例，则探究过程和探究的目的容易失去其意义和价值，很多时候案例反而变成了一种约束，显然这并不受教师和学生的欢迎，也有悖于探究其本质。

其次，探究的主题选择范围过于狭窄，探究的内容主题过于陈旧，缺乏时代感，很多的探究主题其探究目的、探究过程、探究方法、主要注意事项经过多年的教学、考评，加之学生多元化的信息获取，使得这些探究性活动的安排缺乏深度广度，不能够引起教学双方的兴趣，也使得探究很多时候流于形式。

最后，探究性活动的探究内容和主题缺乏时代性和科学性，用现代化的手段去进行传统的探究活动，会破坏物理学发展的真实过程。并且探究性活动的主题内容与学生的社会生活所见所闻差距较大，物理的探究性活动与物理科学技术的发展联系较弱，探究性活动的教学影响力有限，往往被局限于学业成绩考察，对于学生和由之延展开的民众科学素养的提升帮助有限。

针对上述问题，如果从物理科研工程的真实情境和真实数据出发，将物理教学过程和真实的物理科研过程关系紧密起来，使得物理教材不论是在基础物理的角度还是在现代物理的角度，都能让学生获得更为具体生动，更具时代参与感的科学体验；使得以科学家和工程师的态度、思维、方法、科学过程进行科学分工、提出问题、解决问题、原理应用、吐故纳新的过程能依托于素材供应。那么教材中呈现的探究的主题和探究的内容将不再固化于既有的框架，将会在一定程度上跳出物理学发展历史的制约，依托现代物理科研工程的展开寻求到一个动态的发展的巨大空间，教材编写和教材的现实指向性都会更加灵活，教材对于教学的指导意义会更加凸显。

站在探究教学的角度，以科学家和工程师工作的方式学习科学知识，物理真实情境和真实数据的探究教学应用能够为探究教学提供丰富而且有意思得多的探究主题和教育素材，满足探究的创生需要，也会切实拉近学生和教师的距离，拉近学生和科学家的距离，拉近科学教育过程和科学素养追求之间的距离。科学探究不再是无源之水，科学教学不再是纸上谈兵，教育除了与生活的联系以外，与科学的联系更紧密一些，这才是教育之面向未来，面向现代科技社会的素养追求所在。

静态教材的科学指向对于科学形态和教育形态的表达在基础教育阶段很可能在很多时候更多的是一个价值导向上的指引，着眼于问题和原理的知识取向还是会占有更多的比重。教师主导的创生型教学过程则更容易走到前面，基于物理真实情境和真实数据的教学是科学研究形态走向科学教育形态的另一个重要部分。而建立在问题与原理基础上的探究教学其科学过程和科学方法的多样性灵活性都会为指向科学素养追求的物理真实情境和真实数据的教育转化提供好的窗口。

以2016年LIGO Scientific Collaboration和Virgo Collaboration发布的作为美国国家科学基金会宣告激光波引力波探测(LIGO)首次发现引力波事件的公共材料的一部分名为《Direct Observation of Gravitational Waves—— Educator’s Guide》(引力波的直接观测——教育工作者指南)[5]的小册子为例，我们可以管窥这项于2018年获得诺贝尔物理学奖的科研成果在其研究过程中的教育转化工作，或许会给我们带来一些可能有益的参考。

这份指南包含了几部分背景材料: Gravitational Waves as Signals from the Universe(作为来自宇宙信号的引力波)，Gravity from Newton to Einstein(从牛顿到爱因斯坦时代的引力)，Gravitational Waves(引力波)，The Direct Observation of Gravitational Waves by LIGO(通过LIGO对引力波的直接观测)，和Black Holes(黑洞)，以及两项符合美国下一代科学标准NGSS的课堂探究展示活动。每一个背景材料都可以放到物理知识学习的过程中去讨论，在不同的层级都可以或多或少的去理解一些相关的物理概念和知识，个人认为是可以放到教材中相应的知识模块中去的。这里重点介绍一下为课堂探究而准备的两个活动

活动一，主题：黑洞合并(coalescing black holes)，时长：约30分钟

本质问题：两个黑洞旋转靠近的塌缩过程会发生什么？

活动目的：学生将观察到轨道频率随着两个物体轨道间距的减小而增加。

科学概念：引力波是宇宙中一些最剧烈的事件——如大质量致密恒星或黑洞的碰撞和合并，在时空中产生的涟漪。这些涟漪以光速穿过宇宙，携带着关于它们起源的信息。

当两个致密物体相互环绕时，它们就会发射引力波。这种缠绕会带走能量，因此减少了轨道距离，增加了轨道的转速。产生的波形称为啁啾(chirp)，因为波的频率和振幅都在增加。通过将这个波缩放到音频范围内的频率，你可以听到这种啁啾声。这里通过演示模拟了如GW150914事件[6](observation of gravitational waves from a binary black hole merger)的黑洞合并啁啾。

通过图1左侧部分给出了GW150914的主要分析结果。图的中间部分是哈佛的探测器所看到的重力波应变模式的重建。特别要注意的是，正如广义相对论所预测的那样，对于两个合并的黑洞，这种模式(灰色显示)和(黑色显示)最佳匹配的计算波形之间令人印象深刻的一致性。顶部显示了一幅代表该事件所有三个阶段的漫画:当两个黑洞相互靠近时的激发，黑洞的靠近合并，以及最后新形成的单个黑洞在稳定下来之前的短暂振荡。

图1 黑洞合并数据和模拟图示

探究程序：实验过程比较简单，通过绳子悬挂的小球转动，通过让重物下坠改变旋转半径，调整相互旋转的半径来讨论周期情况。

问题：

1. 这两个小球代表地是什么？

2. 沿着弦向下滑动的质量从系统中带走了能量，这类似于双黑洞系统中的什么？

活动二，主题：时空弯曲(The Warping of Spacetime)。

在用布料拉平而成的平台上放置有质量的小球，演示黑洞(质量)如何扭曲时空，进而进一步演示双黑洞合并对时空的影响，观察合并过程中对模拟的空间的扭曲痕迹(引力波类比实验)。这里不再具体展开。

在这个小册子里还围绕NGSS标准对不同的学龄段的学习要求和学习建议做了分析。结合“Science and Engineering Practices， Disciplinary Core Ideas， Crosscutting Concepts”三个维度给出了如表1的对照。

表1 课堂活动的NGSS标准对照

从上述的简要介绍中，我们大致可以看到美国基于物理真实数据的教育转化情况。其中以下几点尤其值得注意。

(1) 在物理研究的过程中注重物理研究的教育转化。在LIGO项目的的几个官方的网站上(如LIGO的加州理工学院 (Caltech)网站https://www.ligo.caltech.edu/，LIGO科学合作(LIGO Scientific Collaboration (LSC) )网站https://www.ligo.org/)，主页上都有专门的 “教育资源”(Educational Resources)栏目；在相关的文件管理中心的网站，如https://dcc.ligo.org/cgi-bin/DocDB/DocumentDatabase上，将和科学教育相关的文件和科学研究成果或者观测数据的文件是并列而置的。

(2) 围绕科研的教育转化对于真实数据和真实情境的利用和挖掘比较全面。除了上述展示的两个活动，还有相关的还有诸多如：Hands-on Gravitational Wave Astronomy: Extraction of Astrophysical Information from Simulated Signals(引力波天文学: 从模拟信号中提取天体物理信息)、LIGO Star Chart(LIGO星图)、Powers of Two(2的力量，关于线性增长和指数增长的教学活动)、The Scientific Method with a Pendulum研究摆的科学方法、迈克尔逊干涉仪的制作……对于相关的物理原理、交叉学科，实验工具制作、天文观测，信息学科，都有所涉及……

(3) 对于不同的教育受众群体都有所覆盖，并且和NGSS课程标准相契合。NGSS提出后，基于科学研究的教育资源开发在很多时候对于NGSS有补充和促进作用。NGSS对于教材的指导作用，无论是分主题的还是还科学核心概念的，或者学科交叉的教育指向，都为现代物理科学技术的教育开发提供了接入口。比如说是美国粒子物理和加速器实验室的实验室(Fermilab)项目网站，从教育来说，其面向对象包括教育工作者(educator)、学生(students)、访客(visitor)、本科生(undergraduates)。其资源搜索栏[7]也很好地说明了这个问题，如图2。

图2 费米实验室教育资源搜索

LIGO的项目网站也说 “无论您是K-12教育工作者、家长或感兴趣的学生，您都应该浏览我们的教育网页。这里对每个人都有一些有趣的和有教育意义的东西(Whether you’re a K-12 educator, a parent, or an interested student, you should browse our education web pages. There’s something fun and educational here for everyone.)”。

对于物理科技前沿研究的教育转化，很多时候我们习惯于在一种距离感的思维中，认为前沿物理或者现代物理、科学研究和教育的距离比较远，好像了解物理科学真实数据只是科学家的事情，或者至少是研究生的事情，而一般的本科生，遑论中学生小学生幼儿园的儿童是无法理解也没有必要去理解科学家在做什么的。此种想法足以为戒！

(4) 在教育资源开发上，科学家工作团队会主动参与其中，教师教育系统也会参与其中，教师群体也会参与其中。科学家一方面在做科研，一方面也在做科学教育，除了研究生团队以外的本科生，中学生都可以参与其中，所以我们会看到很多的科学工作者写的物理教材，这不仅仅是科普的事情了；教育研究和教师教育研究对于基于科学数据的教育资源开发应该也可以成为一个总要的方面，在学习现代物理知识的过程中去为物理教育做准备，教师教育群体的成员也可以利用并且参与科学数据的教育资源开发。

(5) 在教师专业发展相关的教师教育方面，科学数据也会给教师提供学习机会。无论你是科学教育工作者还是对科学相关教师工作感兴趣的行政人员，科研项目中新都会对教师提供教师专业发展服务，旨在加深他们对物理科学概念的理解。因为他们相信，对教师的投资可以显著提高学生在所有领域的成就和成功的机会，特别是在培养未来的科学家方面。科学研究项目的外展团

队会根据教师的具体需求提供定制的教师专业发展课程。

4 结语

科学教育是科学研究的基础，物理教育虽然不必是为了培养科学家和工程师而准备的，但是也至少是应该要有这样的教育追求的，科学素养价值追求下的科学教育其目标应该是求诸其上的。物理科学真实数据和真实情境可能也有必要即时地向教育转化，而非特要再等到几百年后再进入教材进入教学体系。欧美教育先进国家在科学研究真实数据教育转化方面注意到了科学研究和科学教育的一致性，有好的教育资源更新，所以聚焦于教育理念和教育方式；我们则应该充分利用我们的教育执行力，做好可以科学研究的教育转化，沟通科学研究和科学教育之间的素养需求，然后再去谈物理概念，科学思维，科学探究，科学态度与科学责任。