原创 黄晓、钱晨璇 中国青少年科技教育工作者协会
物理教育与普及的新思路
作者：黄晓、钱晨璇/浙江师范大学教师教育学院
自二十世纪八十年代起 ，科学史与科学哲学（and of ，HPS）在科学教育里的价值跟应用 ，渐渐被予以强调以及重视。科学史不仅展现了科学发展的历程 ，科学知识生成的进程 ，还有科学家的研究工作 ，还体现了科学发展进程中的各类研究方法 ，显现出科学与人文之间的关联 ；从科学哲学的角度阐释科学的性质跟意义 ，也就是着重辩证地看待科学知识与研究方法的发展进程 ，是科学作为一种认识论与方法论的体现。这般一来，把科学史以及科学哲学融入进科学教育里头，能够发挥出独特的教育价值钓鱼网，该价值体现于能让科学教育更具深度，在学生学习科学知识、科学方法的进程中，能够进一步领会其背后的本质跟思想，知晓真实的科学事业是怎样发展的，进而达成科学素养的提升。
基础教育课程的基本规范以及要求是由国家所确立的课程标准，其乃是教材编写、教学、评估以及考试命题的关键依据。当下现行的，像是普通高中物理课程标准，具体是2017年版2022年修订的那一部，还有义务教育物理课程标准，也就是2022年版的这一个，它们是在深入总结咱们国家课程改革经验，充分借鉴国际领域课程改革优秀成果的基础之上，形成的既契合我国国情又具备国际视野的纲领性教学文件。新课程标准着重强调学科育人价值，对体现科学本质颇为注重，进而实现提升公民科学素养的目的。把科学史跟科学哲学贯彻到科学课程以及教学里，能使学生处在科学史哲背景下，知晓科学概念和科学规律以及其发展进程，培育科学思维与探究能力以及科学态度等，实现对科学本质的认识，甚而提升科学素养。在这样的背景下，探究科学史与科学哲学于中学物理课程标准里的展现，有益于深入发掘科学史与科学哲学对中学物理教学的价值，为中学物理教学融入科学史与科学哲学供应理论支撑。
浮力实验
中学物理课程标准中的科学史与科学哲学呈现
中学物理课程标准
2022年，教育部对《义务教育课程方案》作出修改，在此课程方案的指导下，《义务教育物理课程标准（2022年版）》得以出台。相较于以往的课程标准，2022年版的物理课标对课程内容结构进行了优化，强化了学段连接。其中，新课标以“核心素养”课程目标作为引领,达成义务教育不同阶段的有效衔接,同时还与《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》里的核心素养相互对应。义务教育阶段以及普通高中阶段的物理学科课程目标里的核心素养，涵盖了“物理观念”这一方面，还涵盖了“科学思维”这一方面，也涵盖了“科学探究”这一方面，另外还涵盖了“科学态度与责任”这一方面。其中，“科学态度与责任”所含要素主要有科学本质，还有科学态度，以及社会责任等。
课程内容部分是按照课程目标以及不同的物理内容特点来分类整合的，是学生所要掌握的、以主题形式呈现的内容。《义务教育物理课程标准（2021年版）》把课程内容分成了“物质”“运动和相互作用”“能量”“实验探究”“跨学科实践”这5个一级主题，每个一级主题之下又进一步细分二级主题。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》，它把课程内容划分成了必修、选择性必修以及选修这三个模块，而且在每个模块里，都以一级主题和二级主题的方式，来呈现相应的内容。
科学史与科学哲学在中学物理课程标准中的呈现
认识于科学史家那里，科学史跟科学哲学，充分地亮出了科学知识的本质，科学发展里的各类方法与概念，以及科学同人文关系等科学本质内涵。物理课程标准当中科学史与科学哲学的展现，突出了科学知识的建构性，科学方法的多样性，科学事业发展中的责任与态度。
“我心目中的科学家”活动
凸显科学知识的建构性特征
人们建构出了科学知识这一产物，其形成以及发展得经由观察这一过程，还得经由实验这一过程，经过假设这一过程，以及检验等过程。在物理学发展进程当中，那种科学知识是在被推翻又推翻、曲折且反复、抽象并概括不断进行的状况里建构出来的产物。科学知识的建构性主要呈现为：
科学知识得要经过验证才行，科学是需有证据的，只有证实或者证伪了，才能够把科学知识跟单纯的信仰或者假想区分开来。科学史伴随着科学哲学在高中物理课程标准里的呈现，首先体现为科学知识有实证性，举例来说，课标“必修1”当中的1.1.4“借助实验，去认识自由落体运动的规律。结合物理学史的关联内容，了解物理实验跟科学推理在物理学研究里的作用。”这个物理学史呈现出了伽利略推翻亚里士多德流传下来的定论的过程。伽利略先是运用逻辑推理对亚里士多德“重物下落更快”的定论予以驳斥，又极具创造性地把科学实验跟科学推理相互结合，将斜面实验结论扩展到自由落体运动，进而完全推翻了亚里士多德的错误定论。针对“选择性必修2”里2.3.3的例2，也就是“演示赫兹实验，体会理论预言在科学发展里的作用，以及实验证据对新理论的支撑作用。”的内容说明，教材之中介绍了麦克斯韦作出了预言，赫兹借助自制的实验装置证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波与光的统一性，这是一个漫长的历史过程。这段物理学史进一步凸显了科学知识是需要被验证的，也就是说科学知识具有实证性。
科学知识、理论以及方法是呈发展态势的，是要在曲折跟反复当中，持续进行进化的。科学发展受到所在历史阶段以及社会因素的影响，科学研究工作者于特定阶段往往会倾向采用较为一致的理论假设，然而这些理论以及假设并非是固定不变的，而是处于动态递进发展之中。在义务教育物理课程标准的“物质”主题内容里，1.3.2“了解原子的核式结构模型。了解人类探寻微观世界的基本大致经过，关注人类探索微观世界的全新进展”这里面涵盖有原子结构模型的发展变化历史。教材进一步展现了原子核式结构模型所历经的持续修正情形，先是汤姆孙提出的那种被称作“西瓜模型”的结构，接着是卢瑟福的原子核式结构模型，而后还有丹麦科学家波尔针对原子核式结构模型做了改进。高中物理课程标准“选修1”里的1.1.4部分，其要求是“了解波粒二象性的物理思想，体会人们对物质本性认识的不停发展”，这里面涵盖了人们对于光的本质的认识的整个发展历程。 句号也必须是中文的，这里给你用了顿号区分句子，确保句末有标点符号。从牛顿时期起，光的“粒子说”占据主流，之后麦克斯韦电磁理论的出现使得光的“波动说”被大众接纳，接而又有爱因斯坦的光电效应理论以及康普顿效应理论，教材具体呈现了这些内容，人们对光的本质的认知正是于“粒子说”与“波动说”的曲折前行、更迭交替之中持续深入的。
实验探究
强调科学方法的多样性
实验，是构成科学史的重要因素之一，科学家同样也是。物理学史上涌现出了许多伟大的科学家，他们的贡献，一方面在于持续不断地丰富人类的科学知识，另一方面还为科学研究提供了极为宝贵的实践方法。物理课程标准里的科学史与科学哲学呈现，还体现在其所承载的探究途径、科学方法、科学思想等方面。
物理课程标准里的科学史跟科学哲学展现出了物理学发展进程中科学方法的多样特性，多次着重表明借助科学史实促使学生领会极限法，以及模型建构，还有物理实验，以及科学推理等科学研究方法在探索自然规律或者物理学研究之中的作用。高中物理“必修1”着重于在机械运动情境里培育学生模型建构的物理思维方式，像1.1.2“清楚将物体抽象成质点的条件，能够把特定实际情境中的物体抽象变为质点。”。感受构建物理模型的思维模式高中物理科学史总结，认知物理模型于探寻自然规律里的作用，除此之外，“必修1”中1.1.4也要求通过实验，认识自由落体运动规律，结合物理学史的相关内容，认知物理实验与科学推理于物理学研究中的作用，自由落体运动是伽利略对斜面理想实验的推广，蕴含了伽利略“实验+推理”的科学方法，科学探究中所蕴含的重要科学思想能够结合科学史中科学家所处真实情境引导学生明白。正如“必修3”里“教学提示”所表明的那样，要重视将物理学史的教育功能予以发挥，使得学生能够知晓库仑定律的探究历程情况，去体会库仑扭秤实验的设计所体现的实验思绪与办法。库伦当时为了处理所面临的电荷间相互作用的力过小而难以进行测量、电荷量没办法测量这类问题。很巧妙地设计了扭秤相关装置，运用放大法、转换法以及电荷等量均分的科学思考方式解决了难题。并且通过实验得出了库仑定律。这就如在感悟科学思想之际也充分地结合了情境。
在义务教育物理课程标准里，科学史与科学哲学所关联的科学方法，关键涵盖模型建构以及物理实验等。像“物质”主题内容当中的“学业要求”表明，“清楚建构模型是物理研究的关键方法，知晓原子的核式结构模型”；“运动和相互作用”主题内容的“教学提示”提出，“渗入科学研究方法，培育学生的科学思维。举例说明，借助实验引领学生认识光线等物理模型，领悟物理模型的重要作用”。此外，义务教育阶段的物理课程标准着重强调，要让学生借助实验，去认识物理研究的本质，像是“物质”主题内容里的“学业要求”表明，“能够通过物态变化之类的实验，感受到物理研究是构建在观察、实验以及推理基础之上的创造性工作”；“运动和相互作用”主题内容的“学业要求”同样予以强调，“明白物理学是针对相关自然现象的描述与阐释，物理学研究是需要观察、实验和进行推理的”。
彰显科学事业的发展与科学家的科学态度与社会责任感
科学史于高中物理课程标准里的展示，还体现为引导学生知晓某一领域科学事业的发展进程，感受科学家于科学事业拓展中所起的作用，以及科学家获得成就对科学发展所具的价值意义。科学哲学在高中物理课程标准里的呈现，同样表现为使学生明白某一领域科学事业的发展历程，领会科学家于科学事业发展时所发挥的功效，以及科学家收获的成果对科学发展的价值重要性。强调科学家个人的成就与贡献这类元素的融入，突出了科学史实，集中展现了这些科学家们的科学态度还有社会责任感，其表现如高中物理课程标准“必修2”里2.2.5的一个事例，即“知悉牛顿力学对于航天技术进程产生的重大贡献”，且体现在“选修1”的1.1.1部分当中，像是“洞悉哥白尼日心说对宇宙观所形成的冲击为何”，以及“明白开普勒定律针对牛顿领悟万有引力定律具备怎样至关重要的作用”，这样做的目的在于能够让学生经由知晓不同科学家所开展的工作，从而认识体悟到科学事业实则是后人凭借前人的基础得以前进、进行发展状大的，况且每一位科学家本身所从事的各项工作均有着各自的价值意义所在。除此以外，科学史实的融入突出了某个科学领域里众多具有代表性的科学家不间断的贡献，像“选择性必修3”中3.2.1部分要求“借助有关史实，知晓热力学第一定律以及能量守恒定律的发现历程，领悟科学探索里的挫折与失败对于科学发现的意义”，这一内容展现了融入科学史，其目的还在于使学生明白科学事业的发展并非是一帆风顺的，而是需要科学家一次又一次地进行尝试，并且在尝试进程中会遭遇挫折与失败。与之相类似的一种体现为，“必修2”里的2.3.1，其内容是“知道牛顿力学存在的局限性，还要体会人类针对自然界的探索是持续不断深入的”。
义务教育物理课程标准里的科学史与科学哲学，主要是借助介绍我国某一科学技术范畴的发展以及贡献，进而让学生在通晓我国科学家成就的基础之上，树立起正确的科学态度以及社会责任感。如介绍跟我国古代相关的科技成就，比如说“物质”主题内容1.1.3中的例3要求了解我国古代的铸造技术，而且要尝试运用物态变化知识去进行 那些技术的解释，1.2对应的“活动建议”则是查阅资料的开展，目的是搞清楚我国古代青铜器、和铁器的制造技术，以及它们对社会进步起到的推动作用，同理在“运动和相互作用”主题内容2.4.2当中的例3提到，需要查阅资料，目标在于知晓我国古代指南针的发明对于人类社会的发展所起到的贡献等情况，这些集中展现了我国、古代科学技术成就对于促进学生了解我国的科学技术事业发展所出的作用，依照这个来提升学生的民族自信、以及文化自信。“运动和相互作用”主题内容里，“教学提示”中所提到的 ，通过对孔明灯 ，司南等事物展开论述与剖析 ，达成培养学生爱国情怀的目的 ，促使提升学生民族自豪感 ，使学生拥有实现中华民族伟大复兴的使命感 ，等等这些 ，都着重表明能够以借助科学史实为方式 ，进而达成培养学生科学态度以及社会责任感的要求。
科学史与科学哲学应用于物理教学的意义
科学本质是针对“科学是什么”或者“什么是科学”所进行的回答，处在不同的历史时期里，在不同国家不同地区内，那些有着不同状况关于科学探究的学者，对于科学本质的内涵持有各自不一样的认识与理解，随着科学不断发展，人们针对科学本质的认识是渐渐走向深化的。对不同学者所研究形成的文献加以梳理之后，在基础科学教育这一方面，科学的本质大概能够被概括成：科学知识存在多元性，具备着暂时性的特性；科学知识在相当大的程度上依靠观察、实验证据、理性的论证依据以及怀疑，然而又并非完全依赖这些要素；没有通往科学的独一无二的途径，由于不存在一种能够普遍适用于拿来仿照使用的科学办法；科学属于一种针对自然展开解释的尝试行为；在科学领域当中，规律以及理论起着不一样的功用，也就是科学理论不会因为科学证据的获取进而变成科学规律这样的情况；源自各种文化背景的人们都对科学有所贡献发挥其自身作用；新颖的知识一定要清晰明了地、公开地获得报道；科学家需要维持准确无误的记录，要有同行前来评议，其研究得出的结果要求具备可复现性；观察之中渗透着理论；科学家应当具备创造性，科学发展历程不仅揭示了科学的进化特性，还揭示了科学的革命特性表现；科学是社会以及文化传统的一部分内容构成；科学跟技术相互之间存在影响作用；科学思想受到社会以及历史环境施加的影响。物理课程跟教学之中融入科学史以及科学哲学，能够让学生更良好地去把握科学本质，理解科学知识产生的过程，认识科学在社会发展以及进步里的作用，还能掌握科学和科学方法的优点以及局限性等，进而帮助学生区分科学与非科学或者伪科学，驱散唯科学主义蒙上的迷雾，正确地认出科学技术与社会发展的关系。
扭秤实验
强调科学知识的建构过程，促进学生理解科学知识的本质
以科学史的发展进程来看，科学知识被视作科学家借由观察、实验等研究手段，依照新找出的证据开展逻辑剖析，而后经科学界争辩后获取的统一阐释。和科学家的研究行为相类似，学习者的科学学习流程亦应与科学知识的产生流程相融合，也就是透过对自然界的观察跟研究，在先前经验的根基上构建起新的理解，进而加深自身对科学知识的学习。然而，不管是学习者还是科学家，其所持的前概念，在建立新的科学概念以及进一步理解这些科学概念的时候，是处于中心地位的。当这些概念跟科学上被认可的观点相契合时，这些前概念就是能够进一步加深对科学知识理解的基础。实际上，好多学习者的前概念和当下公认的科学知识并不相符。这些前概念，在一定范围之内阐释自然和社会现象时，或许是合理且恰当的，然而把它们理解为概念的普遍适用，通常是一种错误的认知。比如，于对浮力的认知方面，学生常常会觉得重的物体（像铁）会沉入水里，轻的物体（如木头）会浮在水面之上；体积大的物体所受到的浮力大，就会上浮，体积小的物体所受到的浮力小，就会下沉。在学习电流以前，因电流概念里“流”的作用，学生觉得越靠近电源正极的地方，电流将会越大；电流经过电路元件时，后面的电路元件所得到的电流是前面使用完剩余下来的。于力学范畴之中，学生易于觉得唯有具备生命的人，及动物，以及发动机、磁铁和带电体这般几种特殊物体方可施展出力来，另外有学生觉得力的作用是单方向的，像当人、动物或者磁铁等对某物体施加力的时候，并不会受到受力物体所产生的反作用力。
通常情况下，学生头脑里的这些前概念极为顽固，教师在所使用常规方法致力于教学之际，往往是很难去改变他们的那些前概念的。唯有当状况体现为学生的前概念没办法充分地描述亦或是解释某一个事件或者是观察察觉到的现象之时（也意味着对原本概念表示不满），并且在新的概念能够被理解后，他们才会尝试着进行改变行为的开展。然而，因物理教材的多数情况呈现出来的是当下业已获得证实的科学知识以及理论内容，学生借助模式化的记忆还有背诵去吸收这些知识，容易针对科学学习以及科学研究方法形成错误的或者是简单化的观点。这些问题面前，于物理课程标准里融入科学史与科学哲学高中物理科学史总结，可达成对教材编写以及教师教学实践的双重指导使命，借由这般方式引导学生去重演科学家获取这些知识的运作进程，最终达成对科学知识本质的理解目标。详细来讲，科学史与科学哲学运用于物理教学范畴，再现了科学家对科学知识的建构流程，并且给学生提供了一种认识情境，凭借这种情境能够有效地认识到部分科学知识是于战胜相应错误知识的发展进程之中持续发展起来的。所以，于教材里展现出历史上的科学家究竟是怎样去构建重要概念以及理论这一点，能够助力学生认识科学知识构建的实际过程，进而深层次理解这些知识。在具体的教学进程之中，科学史和科学哲学同样是协助教师合理开展教学设计的良好导向标志，能够引导教师高度留意学生于课堂教学情境里所展现出来的原有知识、技能、态度以及信念。教师基于尊重以及理解学生已有的经验之上，助力学生重新构建对于所学知识的理解，引领学生历经科学概念，或者理论，抑或是定律的完备建构过程，从而形成全新的科学知识体系，进而理解科学知识的本质。
着重凸显出科学发展进程里面的科学研究环节，助力学生去领会科学方法所具备的思想内涵。
儿童思维心理发生跟科学概念历史发展间所存在的连续性，也就是科学家跟儿童在认知层面具备的相似性，给科学史和科学哲学应用到物理教学提供了心理学基础。皮亚杰探究了儿童思维心理发生同科学概念历史演变的连续性和同构性，借助比较“动量”概念形成及发展过程的历史考察，以及儿童“动量”概念的心理发生情况，着重突出了“动量”概念就在经验现象解释发展的历史进程里，与学生认识“动量”概念心理发生进程间的显著相似。这表明，于物理学历经的发展进程里，科学家不易攻克的部分常常也是学生学习时的难点，在科学发展的历史上，具有关键突破性的环节以及物理学家伟大作出贡献的地方，往往也会成为教学着重关注的要点之处。物理学的发展历史当中，蕴藏着大量物理学家精妙运用方法的探究进程，教师能够借助这些事例，令学生领会科学研究方法之于物理学发展有着怎样的重要性。像高中物理“选择性必修2”的学业要求里着重提到“能借由和法拉第电磁感应定律以及楞次定律相关的科学探究，把握对实验证据予以分析与归纳的方法”，楞次定律呢，是楞次基于对诸多实验事实展开分析之后归纳出来的有关感应电流方向的规律，此中蕴含了归纳推理方法。教材针对这一科学方法有着详细阐述，其指出归纳推理是出发于一类事物部分对象具备的某种属性，进而推理出这类事物所有对象拥有共同属性的推理办法 ，也就是从具体结论来推理出一般规律的那种方法。把科学史与科学哲学运用到物理教学里 ，对学生理解楞次定律这一科学知识本身是有帮助的 ，于此同时教师能够经由引导学生对实验现象予以归纳 ，在探究楞次探究定律过程中去感受归纳推理方法。
教师能够带领学生再度演绎物理学家的探究进程，进而感受里面的科学方法。拿伽利略对牛顿第一定律的探究来说，初高中物理课程标准都谈到了对于伽利略斜面实验所包含的科学方法与思想的学习。在高中物理课程标准里的“必修1”当中，1.1.1的例1有这样的提出，即要去了解伽利略所开展的实验研究工作，还要认识伽利略有关实验的科学思想以及方法，与之相应的高中教材里“牛顿第一定律”这一节专门设置了“理想实验的魅力”这个模块，在这一个模块之中对伽利略理想斜面实验进行了详细且细致的介绍，并且在留白注释的地方着重强调，这种依据逻辑推演把实际实验理想化的思想同样是研究物理问题的重要方法之一。义务教育物理课程标准内里的“运动和相互作用”主题内容2.2.5例6有着如此要求，即要去了解伽利略在探究跟物体惯性相关问题时所采用的思想实验，还要体会科学推理于科学探究里所起到的作用， 与之对应的初中“人教版”物理教科书8年级下册当中的“牛顿第一定律”这一节，尽管么有针对理想斜面实验作出描述，不过也是凭借阻力对物体运动的影响实验得出牛顿第一定律，并且明确表示“牛顿第一定律虽说并非直接由实验得出，但当中符合逻辑的科学推理是极为重要的”。着重突出科学史跟科学哲学于物理教学里的价值，教师能够进行一场类似伽利略斜面实验的“重演”方式去做，将其科学探究的过程再次呈现出来，以此推动学生对于科学推理方法以及理想化思想拥有更为深刻的认知。
“竹筏制作”学习单
讲好科学家故事，促使学生领会科学家精神
金，也就是罗伯特·金·默顿，觉着科学的精神气质是那种约束科学家的、带有情感色调的价值与规范组成的综合体。科学家作为科学精神的载体，科学家的品德或者良心是科学精神的内化呈现。科学家精神彰显了科学精神的内涵，不过却并非局限于科学精神。科学史跟科学哲学应用于中学物理教学的价值，不只是在于引领学生认识到科学跟人文的关系。还在于经由再现科学家工作的进程，或者展现某一科学领域里众多科学家的成就是怎样促使相关领域进步跟科学事业发展，从而推动学生理解科学家的精神，具体而言。借助了解科学发展进程中的故事跟案例，学生能够更全面且深刻地看待科学事业与科学家之关系；领会到科学家精神对科学家作出贡献起到的作用；明白科学也是一种社会建构的产物等。将恰当的科学史以及科学哲学内容予以引入，能够推动学生民族自豪感、社会责任感的成型与发展。比如说，在初中物理里，于介绍人类对物质的认知历程之时，借助纳入我国在航天科技领域的历史功绩以及科学家的事迹，能够引发学生的民族自豪感，激发他们对投身科学技术事业的憧憬。在义务教育物理课程标准里，“物质”主题内容内的“活动建议”那部分，提出来能够“查阅资料，去了解‘中国天眼’于人类探索宇宙当中的作用，以及我国的科学家在建造‘中国天眼’进程里的卓越贡献”。南仁东被称作是“中国天眼之父”，“中国天眼”也就是500米口径的球面射电望远镜（FAST）。为了达成这个宏伟的梦，南仁东奉献了自身的一辈子，在天眼落成之后1年，南仁东也由于肺癌晚期突然离世。那关于南仁东和FAST的故事，是个满是艰辛、有着坚守以及具备勇气的故事，能够给人们内心带去力量。在他身上，我们可以充分去感受那份我国科学家所拥有的爱国敬业、不畏惧艰辛、勇于去攀登的精神品质。此外，义务教育物理课程标准里，“跨学科实践”当中的5.3.3有提到，“了解我国科技发展成就，增强科技强国的责任感和使命感”，它所给出的对应例子，还对科学家事迹作介绍予以详细阐述，具体是，“了解我国‘两弹一星’的成就，体会科技作为国家发展战略支持的重大意义，树立科技自强的信念”；还有，“知晓赵忠尧、钱学森、邓稼先等科学家的杰出贡献和爱国情怀，发扬勇攀科技高峰的精神。”。在航空航天发展历程里，于国内，有诸多伟大科学家事迹涌现，这些能够当作教学素材，让学生充分体悟我国科学家伟大精神品质， 在这般科学学习当中充分接受爱国精神熏陶，于心中埋下为国家以及全人类科学事业奋斗种子。