汪 明

(江蘇省常州高級中學(xué)，江蘇 常州 213000)

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物理文化課堂教學(xué)的思考與實踐

汪 明

(江蘇省常州高級中學(xué)，江蘇 常州 213000)

尋求物理文化課堂教學(xué),專注于物理原理的發(fā)生和形成過程,讓學(xué)生在感受物理學(xué)概念與規(guī)律嚴密的邏輯論證體系的同時,感悟科學(xué)家曲折頑強、激動人心的創(chuàng)造過程,間接反映出人類對物理學(xué)認識的歷史印跡,能有效增強課堂教學(xué)思想性和啟發(fā)性.

認知心理； 物理文化； 教學(xué)案例

在“國際物理年”2005年,楊福家院士曾專題論述了在大學(xué)階段進行物理文化教學(xué)的必要性:“我們今天紀念愛因斯坦,不僅僅要看到他的相對論、光電效應(yīng),還要看到他一系列的豐富思想.……”在基礎(chǔ)教育界,普通高中物理課程標準也指出:物理學(xué)本身就是科學(xué)知識、科學(xué)過程和科學(xué)文化的和諧統(tǒng)一,它不僅以其概念、原理和規(guī)律的知識揭示了自然界的基本運動形式的諸多真理,更以建立知識體系過程中所凝練和升華的科學(xué)思想和文化內(nèi)涵,是人類思想和觀念進步的偉大階梯.因此,關(guān)注物理文化課堂,是物理教學(xué)的重要目標和研究內(nèi)容,也契合新課程教學(xué)的基本理念.

1 物理文化課堂教學(xué)的理論基礎(chǔ)

從認知心理學(xué)角度觀察,學(xué)習(xí)的過程是一個以學(xué)生已有知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)的主動建構(gòu)過程.信息加工認知心理學(xué)家加涅認為,學(xué)習(xí)內(nèi)部過程是經(jīng)歷注意(接受)→選擇性知覺→語義編碼→提取→反應(yīng)組織→控制過程→預(yù)期,而與之對應(yīng)的外部事件影響分別是以下7個過程:刺激變化產(chǎn)生的注意喚醒;物體特征的增強和差異促進選擇性知覺;言語指導(dǎo)、圖片、圖表等形式提供編碼方式;提供或呈現(xiàn)如圖表、表格等線索幫助提取;教師就學(xué)習(xí)目標進行言語指導(dǎo);告訴學(xué)習(xí)者所要求的行為表現(xiàn)類型,通過言語形成定勢從而激活并選擇合適的策略;告知學(xué)習(xí)目標,從而形成對行為表現(xiàn)的具體預(yù)期.由此可見,學(xué)生的學(xué)習(xí)過程并不是簡單的認知過程,作為認知主體,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對外界信息進行加工和內(nèi)化,通過切身的文化情感體驗對有價值的信息進行感知、識記、保持、篩選、吸收,最后內(nèi)化成自己的解決問題的意識.

從物理文化視角觀察,物理學(xué)作為一種科學(xué)知識體系,是人類認識世界的一種方式和探索過程,是人類與自然界之間的一種試探和對話.作者嘗試運用信息加工認知心理學(xué)原理,進行物理文化課堂教學(xué),其目的是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的過程體驗科學(xué)研究方法,感悟物理學(xué)發(fā)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強大的應(yīng)用功能,而學(xué)生的物理文化素養(yǎng)的形成是一階梯式上升和循序漸進的過程,契合信息加工認知心理學(xué)原理.(2) 物理學(xué)是一門具有嚴密邏輯結(jié)構(gòu)的科學(xué)文化,它以社會經(jīng)驗和科學(xué)理性為特征,具有很強抽象性和概括性,只有激發(fā)學(xué)生心理認知中的不平衡感,通過心理同化和順應(yīng),才能真正內(nèi)化成學(xué)生解決問題的智慧.(3) 課堂教學(xué)是教育教學(xué)的主陣地,強調(diào)實施物理文化課堂教學(xué),有利于人文教育和科學(xué)教育相融合,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀,科學(xué)精神與思維方式的變革才能真正發(fā)生.基于以上認識,筆者構(gòu)建出物理文化課堂教學(xué)包含4個學(xué)習(xí)階段:即喚醒、體驗、移情、評價.

喚醒:對應(yīng)認知心理學(xué)習(xí)的經(jīng)歷注意(接受)環(huán)節(jié).以創(chuàng)建物理文化情境為載體,以問題引領(lǐng)為方式,以趣味化和簡約化科學(xué)研究歷史過程喚醒學(xué)生注意.

體驗:對應(yīng)選擇性知覺與編碼的學(xué)習(xí)過程,以科學(xué)探究和理論演繹為學(xué)習(xí)路徑,讓學(xué)生體驗知識的發(fā)生和形成過程,開展自主學(xué)習(xí)與合作研究,在物理文化背景中領(lǐng)悟?qū)W習(xí)物理知識的策略.

移情:對應(yīng)提取與反應(yīng)組織的過程.讓學(xué)生把科學(xué)的真善美融入學(xué)生自身的文化情感體驗,運用判斷、推理、質(zhì)疑、聯(lián)想等訓(xùn)練學(xué)生批判性思維,培養(yǎng)學(xué)生能深入體會物理學(xué)家的觀點和領(lǐng)略物理學(xué)規(guī)律的能力,塑造學(xué)生的專業(yè)情懷.

評價:對應(yīng)學(xué)習(xí)的控制過程與預(yù)期達到過程.通過對物理文化深入了解,能夠?qū)ξ锢韱栴}提供有意義的闡釋,將物理知識內(nèi)化發(fā)展為問題解決的意識,將物理學(xué)習(xí)情感升華為自身生命成長的價值觀體系.

如圖1所示,物理文化課堂實施并非是一線性過程,而是一個逐階上升的發(fā)展過程.在邏輯上它是順序發(fā)生的,在實踐中它是一循環(huán)往復(fù)的動態(tài)發(fā)展過程,教師可以在教學(xué)中對某個教學(xué)要素或者具體階段進行調(diào)整,它是一個不斷調(diào)適和完善教學(xué)系統(tǒng),是一種有意識的、有計劃的,向著預(yù)期的教學(xué)目標前進的教學(xué)過程.以人教版物理必修2第5章內(nèi)容“行星的運動”教學(xué)為例,課堂以物理文化為載體,以問題設(shè)計為路徑,以意義建構(gòu)為策略,讓學(xué)習(xí)的遷移與評價貫穿課堂始終,使學(xué)生思維始終處于積極的情感體驗之中,升華了學(xué)生物理學(xué)習(xí)的文化情感.

圖1

2 物理文化課堂教學(xué)案例呈現(xiàn)

2.1 喚醒:創(chuàng)設(shè)情境,文化覺醒

教學(xué)不僅是知識和方法的傳遞,更是對心靈的喚醒.物理文化教學(xué)強調(diào)科學(xué)精神的傳承與科學(xué)方法的學(xué)習(xí),所創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)情境應(yīng)與學(xué)習(xí)主題相關(guān),符合歷史真實,能喚醒喚起學(xué)生原有認知結(jié)構(gòu)中有關(guān)的知識、經(jīng)驗及表象,從而使學(xué)生利用有關(guān)知識與經(jīng)驗去“同化”或“順應(yīng)”所學(xué)的新知識,發(fā)展認知能力.

引言： 物理學(xué)研究自然界起源于觀察夜空,即天文學(xué).深邃的星空似比日常生活世界更完美.生活喧囂,星空寧靜;生命短暫,星河永恒.浩瀚的宇宙始終是人類渴望了解、不斷探索的領(lǐng)域.歷史上,究竟是如何看待“天體的運動”呢?

情境1： 古希臘理論(地心宇宙).當(dāng)我們遠古祖先驚嘆星空的玄妙時,他們就開始破譯日月星辰等天文現(xiàn)象的奧秘……至少早在公元前3000年,人們已意識到恒星、太陽、月亮、與當(dāng)時已知的5顆行星運動方式是不同的.約在公元前500年,希臘人開始尋求對這些運動的邏輯認識.以數(shù)學(xué)哲學(xué)家畢達哥拉斯和柏拉圖為代表,提出透明球殼理論,認為地球是靜止不動且是宇宙中心,日月星辰在球殼上圍繞地球作完美的勻速圓周運動.

情境2： 托勒密理論(地心宇宙).細心的觀察表明,行星并非總是向一個方向移動,大多數(shù)隨時間它由西向東相對于恒星移動,有時卻停下來,然后向西移動一段時間,隨后又向東移動,而且在逆行期間行星更亮.為了解釋行星的逆行,希臘人提出了“本輪——均輪”理論,由古代天文學(xué)家托勒密最終完善而成.為了觀測結(jié)果相符合,每個行星不止有一個本輪,最多總數(shù)達到80多個.以至一位西班牙國王評論:“如果萬能的主在著手創(chuàng)造萬物之前和我商量,我當(dāng)提供更簡單的方案.”

情境3： 哥白尼理論(日心宇宙).日心說最早由希臘思想家阿利斯塔克在公元前260年提出,他認為,太陽是不動的,是宇宙中心,而地球等行星則以太陽為中心沿圓周運動.但阿利斯塔克的見解當(dāng)時沒有人表示理解或接受,因為這與人們?nèi)庋劭吹降谋碛^景象不同.經(jīng)歷文藝復(fù)興時代百年之后,1535年,波蘭天文學(xué)家哥白尼,對日心說做出更具體的論述和數(shù)學(xué)論證,完成科學(xué)巨著《天體運行論》,此書被譽為“自然科學(xué)的獨立宣言”.

通過情境1和情境2,讓學(xué)生明白,托勒密的天體模型之所以能夠流行千年,是有進步意義和文化歷史原因的.一是各種星球繞著地球中心的勻速圓周運動,符合當(dāng)時占主導(dǎo)思想的柏拉圖的假設(shè),也適合于亞里士多德的物理學(xué),易于被接受.二是“本輪——均輪”理論預(yù)言了行星的運動位置,還能解釋行星的亮度變化.三是地球中心雖說符合基督教信仰為后人詬病,但它與生活直接經(jīng)驗相符.如此說來,地心說的建立本身也是基于科學(xué)精神,它來自觀察,基于理性,認識修補后使其符合客觀事實,盡管當(dāng)今科學(xué)已經(jīng)否定,從物理文化角度來說,它仍是科學(xué)體系發(fā)展過程中不可缺少的環(huán)節(jié).

通過情境3,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)文化世界觀.文藝的繁榮和思想的解放也是科學(xué)發(fā)展的必要條件,像文藝復(fù)興時期藝術(shù)家的眼光超越了基督教,哥倫布的眼光超越了歐洲,哥白尼的眼光也超越了地球本身.科學(xué)史也指出,哥白尼并非一位革新家,主觀上他是保守的,他認為宇宙有限和太陽中心,他基于圓的完美性將行星軌道設(shè)定為圓,至于是什么維系地球運動、空中的飛鳥和浮云為什么不落在后面等問題,也無法給予回答……但瑕不掩瑜,哥白尼仍是偉大的,雖然他并沒有掌握真理,但他開啟了改變世界的現(xiàn)代科學(xué)新時代,是人類世界觀發(fā)生了重大的變革,宇宙中心的轉(zhuǎn)變暗示了宇宙可能沒有中心!這在哥白尼理論中還是隱含的,學(xué)者布魯諾將其公開并付出了生命的代價,宗教裁判所可以消滅學(xué)者身體,但它不能消滅科學(xué)真理和阻礙其進步及傳播.

2.2 體驗:任務(wù)驅(qū)動,實踐探究

采用任務(wù)驅(qū)動的形式,通過實踐探究來建構(gòu)學(xué)生的物理思維,正是物理文化課堂強調(diào)的“歷史追問”與“現(xiàn)代審視”相融合的教育教學(xué)觀,潛移默化中養(yǎng)成學(xué)生正確對待科學(xué)和科學(xué)家的情感態(tài)度.設(shè)置教學(xué)步驟如下.

任務(wù)1:第谷的長期觀測.哥白尼動搖了基督教地心宇宙體系的根基,但在天文觀測的精確度方面沒有提高,丹麥的第谷連續(xù)20年對750顆左右恒星進行觀測并有準確記錄.提問,同學(xué)們會從中感悟到什么呢?

任務(wù)2:開普勒的眼光.開普勒對第谷的觀測資料進行分析,敏銳的目光讓他選擇了火星數(shù)據(jù),驚異地發(fā)現(xiàn)如果認為行星做勻速圓周運動,理論計算與測量誤差最大達到8′.提問,如果同學(xué)們做實驗,面對誤差時該怎么辦呢?

任務(wù)3:焦點定律.(8′誤差為太空立法)開普勒認為,火星不應(yīng)做勻速圓周運動.改用各種不同幾何曲線來表示火星運動軌跡,終于發(fā)現(xiàn),所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓,太陽處在橢圓的一個焦點上,即開普勒第一定律.

任務(wù)4:面積定律.開普勒發(fā)現(xiàn),雖然火星運行的速度是不均勻的(最快時是在近日點,最慢時在遠日點),但是,從任一時刻開始,在單位時間內(nèi),其徑向掃過的面積卻是不變的.這樣,他得出了開普勒第二定律:“對任意一個行星來說,它與太陽的連線在相等時間內(nèi)掃過相等的面積.”這兩條定律,出于1609年出版的《新天文學(xué)》.

2.3 移情:質(zhì)疑判斷,深度感悟

應(yīng)該承認,物理文化課堂難以推行,客觀原因有物理教科書中對人類探尋科學(xué)規(guī)律的歷史痕跡已祛除殆盡,科學(xué)家曲折頑強、激動人心的創(chuàng)造過程已淹沒于嚴密的邏輯論證體系之中,也讓很多教師錯誤的以為教學(xué)只是探尋真理的一種嚴肅的學(xué)問,只讓學(xué)生感受到物理規(guī)律那冷冰冰的美麗,而未能讓學(xué)生體驗出那火熱的科學(xué)探究情感.

如果僅從知識學(xué)習(xí)的角度來衡量,在學(xué)生進行理論學(xué)習(xí)和實踐探究之后就已經(jīng)完成了學(xué)習(xí)任務(wù),但教學(xué)中似乎總覺得缺失了點什么,譬如,如何讓學(xué)生來感悟科學(xué)發(fā)展的艱難之旅和物理公式的簡潔之美呢?我們知道,由于科學(xué)進程的漫長性和學(xué)生認知過程的間接性,不太可能讓學(xué)生按照物理學(xué)發(fā)展的自身邏輯來進行學(xué)習(xí)認知,因此,強調(diào)心理移情,即不由教師直接告訴學(xué)生應(yīng)當(dāng)如何去解決所面臨的問題,而是誘導(dǎo)學(xué)生間的協(xié)作討論和交流,通過判斷、質(zhì)疑和感悟來豐富和激活學(xué)生的認知經(jīng)驗,讓學(xué)生更深刻體會物理規(guī)律身后的科學(xué)發(fā)展邏輯.教學(xué)中可采用圖文(如圖2)和圖表(如表1)形式來表達,掀起學(xué)生的“頭腦風(fēng)暴”.其一,感受第谷20年如一日的數(shù)據(jù)觀測,科學(xué)需要獻身精神與卓越意志力.其二,與學(xué)生平時物理實驗態(tài)度進行參照,讓學(xué)生體驗8′誤差之細微與開創(chuàng)天文學(xué)研究的輝煌成就對比,感受開普勒數(shù)年刻苦演算一絲不茍的科學(xué)精神.其三,感受“自然崇尚簡單”的美學(xué)原則.隱喻自然界的現(xiàn)象是錯綜復(fù)雜的,然而背后隱藏的規(guī)律確是簡單的.物理學(xué)正是在此基礎(chǔ)之上,崇尚簡單、對稱、統(tǒng)一為美,通過對科學(xué)的理想化、抽象化和概括化,以概念、定理、公式、理論的方式顯示出來的.事實上,任何物理理論歸根到底只有少數(shù)幾條基本的假定:經(jīng)典力學(xué)建立在牛頓三大定律和萬有引力定律之上,經(jīng)典電磁學(xué)建立在法拉第的場理論和麥克斯韋方程組之上,狹義相對論建立在相對性原理與光速不變基礎(chǔ)之上,……而第一次用數(shù)學(xué)來表達物理規(guī)律正是開普勒第三定律.

圖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 評價:問題解決,意義建構(gòu)

由認知心理學(xué)分析可知,意義建構(gòu)是教學(xué)過程的最終目標,其建構(gòu)的意義是指事物的性質(zhì)、規(guī)律以及事物之間的內(nèi)在聯(lián)系.所謂評價就是要幫助學(xué)生對當(dāng)前學(xué)習(xí)的內(nèi)容所反映事物的性質(zhì)、規(guī)律以及該事物與其他事物之間的內(nèi)在聯(lián)系達到較深刻的理解.從教育教學(xué)角度來講,物理文化課堂兼有科學(xué)教育和人文教育的雙重功能.讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這些物理學(xué)基礎(chǔ)知識的同時,能認識和掌握物理學(xué)的科學(xué)思維范式,進而形成自己的科學(xué)精神、科學(xué)素養(yǎng)和價值觀.就本節(jié)課而言,在評價環(huán)節(jié),除了知識學(xué)習(xí)之外,在科學(xué)觀與價值觀等方面,至少有3點可讓學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí):

(1) 尊重觀察到的客觀實踐,不迷信科學(xué)權(quán)威知識并敢于創(chuàng)新科學(xué)見解(如行星運行遵守橢圓規(guī)律).

(2) 以數(shù)學(xué)語言來表達物理定律并獲得成功(從開普勒之后,數(shù)學(xué)方程就作為物理定律的數(shù)學(xué)表達式就自然地發(fā)展起來).

(3) 把可觀察的實驗現(xiàn)象作為出發(fā)點,從事物運動的自身規(guī)律去尋求本質(zhì)原因(這是近代物理學(xué)的主要特征之一).

此外,在教學(xué)的評價環(huán)節(jié),教師還可誘導(dǎo)學(xué)生將物理常識之中的模糊之處上升到科學(xué)層次,錘煉學(xué)生的思維品質(zhì)與價值觀.即成功的物理教學(xué)不僅在于解決已有的問題,更重要的是誘發(fā)出新的科學(xué)問題,可設(shè)置以下問題讓學(xué)生思考:

(1) 日月星辰運動似乎亙古不變,為何其運動研究能成為物理學(xué)的進展源頭之一?

(2) 地心宇宙及圓周運動并不科學(xué),為何其影響竟有2000年之久?

(3) 哥白尼、開普勒的成功對物理學(xué)的發(fā)展有何意義?

(4) 行星的運動還隱藏了何種規(guī)律?天上物體運動和地上物體運動能遵循同一規(guī)律嗎?

課堂行將結(jié)束時,如果教師這樣娓娓道來,讓學(xué)生“意未盡且心未止”,思索科學(xué)發(fā)展對于真善美的不懈追求,催生出學(xué)生的學(xué)習(xí)智慧,內(nèi)化成學(xué)生的意義建構(gòu).這不僅是把一種高品位的研究精神奉獻給學(xué)生,同時也升華了學(xué)生對客觀自然規(guī)律的認識情感.

3 后記

物理文化課堂教學(xué)并非只是學(xué)習(xí)知識,更是一種思維范式和認識路徑,承擔(dān)著文化傳承的教育功能.蒙田說過:“學(xué)習(xí)不是為了適應(yīng)外界,而是為了豐富自己.” 西塞羅也曾說過,教育的目的是讓學(xué)生擺脫現(xiàn)實的奴役,不能僅僅適應(yīng)現(xiàn)實,而是要改造社會.而今天的教育情形卻是以適應(yīng)現(xiàn)實為目標塑造學(xué)生,真是本末倒置.教學(xué)中讓學(xué)生經(jīng)歷物理學(xué)客觀真理的形成過程,從問題的提出、假設(shè)、實驗、結(jié)論的得出和實踐的檢驗,形成一個較為完整的認識路線,增強學(xué)生對隱性的物理文化的敏感性和感受力,正是課堂教學(xué)繼承和發(fā)展物理文化的重要途徑.

1 [美]加涅.學(xué)習(xí)和條件和教學(xué)論[M].皮連生等譯.上海:華東師范大學(xué)出版社,1991.

2 汪明.基于“情感教育”的高中物理課堂教學(xué)[J].教學(xué)月刊(中學(xué)版), 2013(04):11-14.

3 汪明.物理文化課堂教學(xué)實踐與反思[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考, 2013(4):43-46.

本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點課題“基于課標的物理文化課堂實踐研究”的研究成果(課題批準號:B-b/2013/02/236)； 江蘇省十二五重點課題“高中物理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)與實踐研究”階段性研究成果(課題編號： R-a/2015/04).

2016-09-05)