挖掘思政要素 培育时代新人——以“自由落体运动”一节为例

杨奥龙 熊建文

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

2016年12月，习近平总书记在全国高校思想政治会议上强调：坚持不懈培育和弘扬社会主义核心价值观，把“立德树人”作为教育的根本任务.不仅要利用思想政治课实现育人价值，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[1].因此，对于非思政课教师而言：要落实立德树人的根本任务，就要充分发掘课程思政的要素.全面推进课程思政建设，将寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生树立正确的人生观、价值观和世界观.

1 “课程思政”的内涵及现状

“课程思政”是指在思想政治课之外，充分发掘各门课程中蕴含思想政治的元素，并将其融入各个学科的教育教学环节中，潜移默化地实现课程的育人价值.理科的“课程思政”是指注重科学素养的提升、科学思维方法的训练，引导学生树立科学精神、培养学生探索未知、追求真理、勇攀高峰的责任感和使命感.

根据目前的教学现状来看，课程思政主要在高校中开展.许多高校教师以课程思政为导向进行教学，例如在大学物理实验、大学化学等领域取得了一定的课程思政研究成果.同理，在高中阶段开展课程思政教学也有必要性，在学生数量上，高中学习物理的人数比大学学习物理的人数多；在学生认知上，高中是学生树立正确人生观、价值观、世界观的重要阶段.

不同于其他文科课程，物理课程往往被误认为不能发挥思想政治教育的功能，但是物理学作为理科基础学科之一，它对帮助高中学生了解客观世界、学习探索世界的方法、培养科学思维、形成科学的态度与责任等都有非常重要的作用[2].因此，在高中物理教学中挖掘课程思政要素是必要的.

2 物理教学中思政要素的挖掘

刘玉斌教授所在的教学团队构建了“树立正确科学观”的思政目标，其主要内涵包括：科学精神、科学方法和科学素养3个维度，使思政目标实现了立德与树人、育人与育才的有机结合[3].以“伽利略对自由落体运动的研究”一节为例，普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)对本节的要求为：“结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用”[4].运用物理学史重走伽利略对自由落体运动的研究过程，体会伽利略在建立概念、实验探究、发现规律的过程中所呈现的科学方法、科学精神和科学素养.因此，物理学史对培育学生形成正确的科学观起着重要的作用.在物理教学中充分挖掘科学精神、科学方法、科学素养3个思政要素进行研究.

2.1 科学精神

在学生学习和成长的过程中科学精神是不可或缺的.亚里士多德将自然界的运动分为：自然运动和受迫运动，为此他产生的观点是“重的物体下落快，轻的物体下落慢”.在当时所处的时代，亚里士多德具有权威性，他的这一观点影响了人们1 900多年.后来伽利略对这一观点产生了质疑，并通过“思想逻辑实验”推翻了亚里士多德的观点.在这之前人们普遍认为物体下落快慢与物体重量有关，在亚里士多德的这一观点发生巨大转变的过程中，引导学生深入体会伽利略为了追求真理所经历的挫折与困难，并渗透他敢于质疑、追求真理和勇于探索的科学精神.

2.2 科学方法

2.2.1 逻辑推理——“伽利略的思想逻辑实验”

将伽利略质疑亚里士多德观点的历史过程还原，让学生经历伽利略的“思想逻辑实验”.若亚里士多德的观点正确，假定大、小石头下落速度分别为8和4，将两块石头绑在一起，大石头将被小石头拖着从而减速，系统速度将小于8；但两块石头绑在一起的总重量大于大石头，系统的下落速度又应大于8，可见由亚里士多德的观点得出的结论前后矛盾，进而可以否定亚里士多德的观点[5].因此，伽利略通过逻辑推理得出：重的物体和轻的物体下落一样快，学生通过体会这一思想逻辑实验的过程，渗透逻辑推理的科学方法.

2.2.2 实验研究——“自由落体运动的规律”

继逻辑推理之后，伽利略通过实验对自由落体运动的规律进行研究，流程图如图1所示.

图1 “伽利略对自由落体运动的研究”流程图

在实验研究的过程中也蕴含着丰富的科学方法，逻辑推理和实验相结合的科学方法是伽利略对自由落体运动研究的重要科学研究方法，对培养学生形成良好的科学思维品质具有重要的作用.教师引导学生利用逻辑推理和科学实验的方法，重新探索“伽利略探究自由落体运动的规律”，由于在当时的历史背景下没有描述物体运动的概念，因此，伽利略建立了速度、加速度等运动学概念，进而提出两个猜想v∝t和v∝x.

(1)逻辑推理之数学演算

引导学生应用数学演算进行逻辑推理，切实让学生体会科学推理的过程，激励学生提出问题并敢于质疑.

(2)逻辑推理与实验相结合

伽利略通过逻辑推理得出v与t成正比后，进而想通过实验验证这一猜想.由于当时科学技术不发达的历史背景，不能直接测得瞬时速度v.

为了验证猜想，教师继续引导学生该如何转换测得瞬时速度v，展示伽利略利用数学推导的探究过程，如图2所示.

图2 v∝t推导x∝t2

对于时间的测量：由于物体下落得快，所用的时间短，在当时的条件只能依靠滴水计时，所测得时间存在的误差较大.进而教师引导学生思考：物体下落的时间较短，该如何改良实验方案，学生可能想到通过增加物体运动的高度来延长物体的运动时间，但是忽略了增加物体下落高度这一做法的可行性[7].为了验证x∝t2，教师向学生介绍伽利略“冲淡重力”斜面实验的巧妙之处：让铜球从斜面顶端滚下，在不同的时刻用挡板挡住铜球，记录铜球滚下的位移.由于铜球在斜面上的加速度比自由下落时的加速度小得多，在斜面上运动的时间更容易测量.因此，伽利略用“斜面实验”来延长运动时间，换用不同质量的铜球、改变斜面的倾角，让铜球从阻力很小的CA和CD斜面滑下，如图3所示.

图3 理想“斜面实验”

伽利略经过上百次的实验得出：小球在斜面上的运动是匀加速直线运动，当斜面倾角一定时，小球的加速度一定；当斜面倾角增大时，小球的加速度增大.基于伽利略“斜面实验”的结果，教师继续引导学生进行科学推理：当斜面的倾角继续增大到90°时，小球的运动即为自由落体运动.

伽利略对外推结果进行修正：在研究过程中忽略了空气阻力，物体自由下落的过程是研究问题的主要因素，空气阻力是次要因素，忽略空气阻力物体做自由落体运动.让学生理解物理现象的背后都是简单的数学规律这一思想，帮助学生树立正确的物理观念.教师通过引导学生体验“伽利略探究自由落体运动规律”的过程，让学生领悟“数学与实验”和谐结合的科学思想，所应用的科学方法是人类认识史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开始[8].在物理教学中渗透这一科学方法对培养学生的思维能力具有重要意义.

2.3 科学素养

在伽利略探究自由落体运动规律的研究中，以“物体下落快慢与物体重量是否有关”为问题导向，通过逻辑推理、数学演算、实验验证的科学方法进行研究，最后合理外推得出自由落体是匀变速直线运动的研究结论.在此研究过程中，伽利略将“逻辑推理和实验”和谐结合的科学方法形成了科学研究的一般规律.即通过问题导向、问题解决、科学研究的一般规律而形成科学素养.

教师引导学生重走“伽利略探究自由落体运动”的历程，学生从中深入理解与体会科学研究的方法和科学研究的一般规律，有助于提高学生的科学素养能力.

3 教学建议

3.1 利用教材栏目 提炼思政要素

在人教版高中物理教材的科学漫步、STSE栏目中蕴含着丰富的思政要素.既有对科学家的生平简介及发现重要物理规律的探究历程，也有对中华民族传统文化、我国前沿科技事业的介绍.教师要充分利用物理教材中的栏目，从中提炼出科学家的科学精神、科学方法、科学素养等思政要素，进而培养学生的科学思维，增强学生的家国情怀和个人与民族的责任意识.

3.2 重视物理学史 体验探究过程

物理学史是呈现物理概念、物理规律、研究方法的脉络，教师不仅要注重物理知识的传授，而且要注重物理学史的呈现.物理学家在探究物理规律的过程中含有大量育人价值的思政要素，引导学生重走物理学家当年探究物理规律的历程，体验物理学家重要的物理思想和方法.例如伽利略在探究自由落体运动规律时所呈现的不畏权威和敢于质疑的科学精神、逻辑推理和实验相结合的重要科学研究方法；法拉第在探究电磁感应定律时所呈现的不怕失败和坚韧不拔的科学探索精神、设计探究实验所运用的类比科学方法.从而帮助学生树立正确的科学观、人生观和世界观.

3.3 渗透科学方法 提升思维能力

科学观中的科学方法是思政要素之一，科学方法主要是指利用科学思维从事科学研究，从而得出研究对象的本质和规律.在物理课堂中渗透科学方法对学生形成良好的科学思维具有重要的作用.将物理学中的科学推理、数学演算、实验验证等科学方法渗透在物理教学中，促进学生链式思维的形成，从而提升学生的思维能力.

3.4 变革育人模式 提高学习兴趣

在物理教学中变革传统的教学模式，采用多种多样的教学形式来提高学生的学习兴趣.例如对于不同类型的物理课堂，可以采用“重走物理学家探索之路”“小组话剧形式呈现物理学史”“线上线下混合式教学”“小组合作式探究学习”等新型教学模式.通过变革育人模式，激发学生学习的主动性和创造性，提高学习的兴趣，引导学生深入体会物理学家在研究过程中所体现的伟大科学精神、科学思想和科学品质.

4 总结

在“课程思政”思想的指导下，要充分挖掘物理教学中的课程思政要素，以课程为载体，将思政要素寓于课程.为了使课程思政达到润物细无声的课堂效果，教师不仅在思想上要有意识，更要在课堂上有渗透，引导学生深入理解知识背后所呈现的科学素养和人文精神，从而实现课程育人的价值.

思政教学的开展不是一蹴而就的，需要润物无声地融入、潜移默化地影响，从学科知识层面的引领到思想精神层面的渗透，将思政要素贯穿于整个育人环节中，使之成为一种可持续发展的教育理念.同时，注重将物理学科中所体现的科学精神、科学方法、科学素养渗透在物理教学中，并将其与社会主义价值观相结合，增强学生的思想责任意识，肩负起民族复兴的历史重任，培养新时代有理想、有责任、有担当的新青年.