吉 利

上海市魯迅中學(xué)，上海 200083

1 研究背景

1.1 情境重現(xiàn)

“上科版”高中物理必修一第四章的學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)生能夠用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋簡(jiǎn)單現(xiàn)象、解決實(shí)際問(wèn)題。在牛頓第一定律的教學(xué)實(shí)踐中，涉及“慣性”這一概念的物理學(xué)史：古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為物體若要繼續(xù)運(yùn)動(dòng)必須有力的維持；伽利略通過(guò)理想斜面實(shí)驗(yàn)提出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因；笛卡爾完善觀點(diǎn)；牛頓在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出三條運(yùn)動(dòng)定律。

學(xué)生對(duì)于亞里士多德的“失敗”觀點(diǎn)嗤之以鼻，普遍認(rèn)為他是荒謬可笑的，這源于學(xué)生在初中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)、掌握了牛頓第一定律，且“上教版”物理八年級(jí)的課本用“錯(cuò)誤”、“上教版”高中物理必修一用“提出質(zhì)疑”對(duì)其進(jìn)行概括。不難發(fā)現(xiàn)，在物理教學(xué)中往往對(duì)“失敗”的物理學(xué)家、物理實(shí)驗(yàn)、思想方法進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，而對(duì)“正確”的內(nèi)容深入學(xué)習(xí)。“失敗”的背后蘊(yùn)藏著物理學(xué)家敢于設(shè)想、勇于嘗試的科學(xué)精神，學(xué)生的認(rèn)識(shí)是“失敗”的，教師的課堂設(shè)計(jì)也不算“成功”。

1.2 研究意義

在課堂教學(xué)中，教師更多關(guān)注物理觀念的形成過(guò)程，為了避免學(xué)生的誤解，刻意規(guī)避規(guī)律研究過(guò)程中的“失敗”經(jīng)驗(yàn)及理論，用40 分鐘濃縮了幾十年甚至千年的知識(shí)形成過(guò)程，致使學(xué)生產(chǎn)生了物理知識(shí)的形成是一蹴而就的觀念，缺少了知識(shí)探索的過(guò)程，最終停留在淺層的學(xué)習(xí)中，成為了知識(shí)的被動(dòng)接受者。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》指出：“遵循高中生的認(rèn)知規(guī)律及物理學(xué)科特點(diǎn)，設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)的必修與選擇性必修課程內(nèi)容。納入物理學(xué)的基本學(xué)習(xí)內(nèi)容，既關(guān)注全體學(xué)生的共同基礎(chǔ)，又兼顧部分學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的需求?！保?］教師在教學(xué)中立足于有效失敗理論，基于高中物理學(xué)史中的“失敗”案例，開展“有效失敗”的教學(xué)，注重體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì)，幫助學(xué)生走出物理學(xué)史中的“失敗”誤區(qū)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 核心概念

2.1 有效失敗理論

2008 年，心理學(xué)家馬努·卡普爾（Manu Kapur）提出了“有效失敗”的新概念。他把成功分為有效成功（productive success）和無(wú)效成功（unproductive success），失敗分成有效失?。╬roductive failure）和無(wú)效失?。╱nproductive failure）。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中表現(xiàn)出困難和掙扎，在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)結(jié)果是失敗的，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這種失敗是有效的。學(xué)生通過(guò)知識(shí)遷移經(jīng)歷了動(dòng)腦思考，失敗后的反思、知識(shí)的整合、分析修正失敗，獲得了學(xué)習(xí)結(jié)果和行為的共同成功，即為有效失敗［2］。將上述概念延伸后，物理學(xué)史中物理學(xué)家、哲學(xué)家基于生活情境和思考整理總結(jié)出的“錯(cuò)誤”理論，也屬于“有效失敗”的理論范圍。

2.2 物理學(xué)史

物理學(xué)史不僅要包含歷史資料，還要包含科學(xué)家的科學(xué)方法、思想和態(tài)度［3］。物理學(xué)史不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而樹立正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和能力［4］。

在“上科版”高中物理必修一至必修三中存在大量進(jìn)行“失敗”實(shí)驗(yàn)或提出“失敗”理論的物理學(xué)史案例，如情境重現(xiàn)中亞里士多德對(duì)于運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的歸納總結(jié)，托勒密的“地心說(shuō)”，科拉頓有關(guān)電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)等。

3 創(chuàng)新實(shí)踐過(guò)程

3.1 課程資源的深度挖掘

設(shè)計(jì)初期，仔細(xì)研讀三冊(cè)必修教材，深度挖掘“有效失敗”的物理學(xué)史教學(xué)資源，如物理學(xué)家的貢獻(xiàn)，時(shí)代背景下提出假設(shè)的事實(shí)依據(jù)，研究過(guò)程中的思考與探索，實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)等，力求形式多樣化（表1）。

表1 物理學(xué)史教學(xué)資源整理

續(xù)表1

教材中對(duì)于上述“失敗”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅用寥寥數(shù)語(yǔ)進(jìn)行了描述，學(xué)生能初步了解在物理學(xué)探究過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷失敗，但對(duì)于“失敗”中蘊(yùn)含的價(jià)值卻不甚了解。因此，在課程設(shè)計(jì)初期，對(duì)失敗的過(guò)程充分延展，將失敗分為“觀察猜想失敗”“實(shí)驗(yàn)操作失敗”“實(shí)驗(yàn)結(jié)論失敗”和“失敗中經(jīng)歷成功”四個(gè)類型。

3.2 基于四個(gè)“失敗”類型的教學(xué)實(shí)踐探索

3.2.1 觀察猜想失敗

物理學(xué)源于自然哲學(xué)，如牛頓所著的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，歐美現(xiàn)仍將物理博士學(xué)位稱為哲學(xué)博士（Doctor of Philosophy），由此可見物理學(xué)與哲學(xué)的淵源。早期關(guān)于自然的認(rèn)識(shí)都建立在“思辨”的基礎(chǔ)上，即觀察、猜想及歸納。這源于當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景，許多哲學(xué)家、思想家成為了物理學(xué)科的先行者，提出了許多有事實(shí)依據(jù)作為支撐的理論?；仡櫴妨喜浑y知曉，亞里士多德早在《物理學(xué)》中就提出了物理學(xué)的公設(shè)，并非是通過(guò)簡(jiǎn)單的生活例子，而是在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撨壿嬛碌贸龅挠^點(diǎn)，他是能夠做到自圓其說(shuō)的［5］。

基于上述時(shí)代背景，提出“思辨”主題，以頭腦風(fēng)暴的形式展開辯論，如“亞里士多德的理論是否為不切實(shí)際”“亞里士多德的四元素說(shuō)如何解釋當(dāng)時(shí)的生活現(xiàn)象”等，暫且擺脫物理結(jié)論源于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的束縛，以討論、辯論、解釋的形式感受哲學(xué)家們的智慧。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)操作失敗

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含了演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)等類型，通過(guò)實(shí)際情境的猜想、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理與分析等得到物理規(guī)律。上述多種實(shí)驗(yàn)類型往往是給定學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材，根據(jù)教學(xué)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，借助信息化處理系統(tǒng)、計(jì)算器等就可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中了解“實(shí)驗(yàn)操作失敗”的物理學(xué)史部分時(shí)，往往會(huì)覺得他們運(yùn)氣不佳、錯(cuò)失良機(jī)等。如科拉頓在研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過(guò)程中，經(jīng)歷了一次“成功的失敗”，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)得完全正確，如果不將電流計(jì)放到另一個(gè)房間，那么他將觀測(cè)到電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)有時(shí)候也伴隨著運(yùn)氣的成分，因此在對(duì)科拉頓表示遺憾的同時(shí)，也要關(guān)注科拉頓對(duì)于實(shí)驗(yàn)的巧妙設(shè)計(jì)。

因此，我們將“實(shí)驗(yàn)操作失敗”聚焦于“設(shè)計(jì)”二字，在課堂教學(xué)中掌握了電磁場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)后，布置了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作業(yè)，即如何自主搭建物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁場(chǎng)現(xiàn)象中某一條規(guī)律的準(zhǔn)確性，可以是電流周圍存在磁場(chǎng)、感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件、安培力等，該作業(yè)為小組合作形式，力求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。圖1 為某小組設(shè)計(jì)的電磁感應(yīng)秋千，能夠持續(xù)擺動(dòng)的原因之一就是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到了力的作用。

圖1 自制器材

學(xué)生在自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，切身體會(huì)到了從無(wú)到有的難度、知識(shí)應(yīng)用的遷移度、小組成員的合作度、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新度等，深刻地感悟到了物理學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所付出的心血與巧思。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論失敗

物理學(xué)科亦是一門綜合類學(xué)科，它包含了數(shù)據(jù)分析運(yùn)算、相關(guān)結(jié)論的精練描述等。在研究過(guò)程中，雖然已經(jīng)進(jìn)行了正確的實(shí)驗(yàn)操作，但在數(shù)據(jù)分析上需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，在結(jié)論描述時(shí)需要使用準(zhǔn)確的文字語(yǔ)言，否則將與結(jié)論失之交臂。我們認(rèn)為，“實(shí)驗(yàn)結(jié)論失敗”并非真正意義上的失敗，而是“不夠完美”。在情境重現(xiàn)中，對(duì)于運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系有多位物理學(xué)家進(jìn)行了探索和總結(jié)，而牛頓最終提出了慣性定律。那么，牛頓第一定律究竟“美”在何處呢？

對(duì)于該類型我們的解決方案是“賞析”，它包括了英語(yǔ)原文的賞析與中文翻譯的賞析。

物理語(yǔ)言有著精練簡(jiǎn)潔之美，中文翻譯又體現(xiàn)了兩種文字轉(zhuǎn)化間的智慧。牛頓第一定律原文如下：A particle will stay at rest or continue at a constant velocity,unless acted upon by an external unbalanced force。請(qǐng)你嘗試：①用自己的語(yǔ)言翻譯它，并能否進(jìn)行提煉；②用簡(jiǎn)短的文字概括牛頓第一定律；③你認(rèn)為書本中的翻譯是否簡(jiǎn)潔優(yōu)美，請(qǐng)進(jìn)行賞析。

3.2.4 失敗中經(jīng)歷成功

必修三中提及：“經(jīng)過(guò)了近十年的艱苦探索，1831 年，法拉第對(duì)此終于有所發(fā)現(xiàn)……這種由磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)現(xiàn)象?！彪m然法拉第最終取得了成功，但學(xué)生對(duì)于為何經(jīng)歷十年得到結(jié)論的周期仍存有疑問(wèn)，不了解法拉第在這十年間付出的努力。查閱《法拉第》一書可以了解到，電與磁的關(guān)系是法拉第的心結(jié)，當(dāng)電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)時(shí)，法拉第甚至高興到手舞足蹈，久久不能平息。從這些描寫細(xì)節(jié)中其實(shí)不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于喜歡做科學(xué)研究的法拉第而言，科研的過(guò)程是快樂(lè)的，而不是枯燥無(wú)味的［6］。

我們期望通過(guò)重現(xiàn)部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程的方式，實(shí)現(xiàn)管中窺豹，即“實(shí)驗(yàn)經(jīng)典重現(xiàn)”經(jīng)歷大師之路。如，卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)我們采用了原文呈現(xiàn)：

“卡文迪許發(fā)表在《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》的論文對(duì)實(shí)驗(yàn)的原始描述：用一根細(xì)長(zhǎng)的金屬絲，懸掛一根1.8 m 長(zhǎng)的木棍，木棍兩端各有一個(gè)重為0.73 kg 的小鉛球。兩個(gè)重為158 kg 的大鉛球分別放在小球附近約0.23 m 遠(yuǎn)。兩球之間產(chǎn)生大約為1.4×10-7N 的引力”[7]。學(xué)生能否借助計(jì)算器（當(dāng)時(shí)還需要手動(dòng)運(yùn)算）尋找這些物理量之間的定量關(guān)系？

在必修三教材中已回顧了部分當(dāng)時(shí)物理學(xué)家的探究手稿，如庫(kù)侖扭秤、密立根油滴實(shí)驗(yàn)。在上述基礎(chǔ)上，我們嘗試將所有相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，力求還原研究過(guò)程，讓學(xué)生知道即使物理學(xué)家最終取得了成功，也并不是偶然，而是多年心血不斷探索的過(guò)程，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)裝置提出改進(jìn)意見，實(shí)現(xiàn)深層次的思考。

4 總結(jié)與展望

4.1 基于“有效失敗”理論的高中物理學(xué)史實(shí)踐策略

從物理學(xué)史出發(fā)，感受大師們?cè)谔剿魑镔|(zhì)世界過(guò)程中經(jīng)歷的“失敗”（表2），以暫時(shí)脫離物理實(shí)驗(yàn)的思辨討論、基于物理理論的原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、對(duì)于物理結(jié)論的語(yǔ)言賞析、重現(xiàn)探究過(guò)程中從失敗到成功的過(guò)程為解決策略，幫助學(xué)生正視“失敗”，最終延伸至物理學(xué)習(xí)探究中的“有效失敗”。

表2 實(shí)踐策略

4.2 不足與展望

在課堂設(shè)計(jì)和實(shí)施方面區(qū)別于傳統(tǒng)的物理課堂，探索了新的評(píng)價(jià)方式，較好地體現(xiàn)了“有效失敗”理論，但仍存在一些不足，具體如下：

（1）尚未結(jié)合我國(guó)當(dāng)今科技。毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)論是“北斗指路”還是“神舟飛天”，我國(guó)科學(xué)家們都經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的“有效失敗”，這需要物理教師不斷學(xué)習(xí)，更新知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識(shí)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（2）跨學(xué)科間需進(jìn)一步加強(qiáng)交流合作。教學(xué)設(shè)計(jì)涉及政治、化學(xué)、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)等學(xué)科，在實(shí)踐探索中雖有合作，但其他學(xué)科教師并未真正參與，當(dāng)遇到學(xué)科專業(yè)問(wèn)題時(shí)，無(wú)法當(dāng)堂解決，降低了教學(xué)效率。下階段嘗試多學(xué)科教師共同參與，探索跨學(xué)科教學(xué)的可能性。