基于“有效失败”理论的高中物理学史教学设计及实践研究

摘   要：基于“有效失败”理论，将高中物理学史中的“失败”史实分为“观察猜想失败”“实验操作失败”“实验结论失败”“失败中经历成功”四个类型进行实践探索，以暂时脱离物理实验的思辨讨论、基于物理理论的原创实验设计、对于物理结论的语言赏析、重现探究过程中从失败到成功的过程作为解决策略，帮助学生正视“失败”，扭转原先教师对物理学史简单介绍的困境。

关键词：有效失败；物理学史；高中物理教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）12-0029-5

1    研究背景

1.1    情境重现

“上科版”高中物理必修一第四章的学习目标：学生能够用牛顿运动定律解释简单现象、解决实际问题。在牛顿第一定律的教学实践中，涉及“惯性”这一概念的物理学史：古希腊哲学家亚里士多德认为物体若要继续运动必须有力的维持；伽利略通过理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因；笛卡尔完善观点；牛顿在此基础上归纳总结出三条运动定律。

学生对于亚里士多德的“失败”观点嗤之以鼻，普遍认为他是荒谬可笑的，这源于学生在初中阶段已经学习、掌握了牛顿第一定律，且“上教版”物理八年级的课本用“错误”、“上教版”高中物理必修一用“提出质疑”对其进行概括。不难发现，在物理教学中往往对“失败”的物理学家、物理实验、思想方法进行简单描述，而对“正确”的内容深入学习。“失败”的背后蕴藏着物理学家敢于设想、勇于尝试的科学精神，学生的认识是“失败”的，教师的课堂设计也不算“成功”。

1.2    研究意义

在课堂教学中，教师更多关注物理观念的形成过程，为了避免学生的误解，刻意规避规律研究过程中的“失败”经验及理论，用40分钟浓缩了几十年甚至千年的知识形成过程，致使学生产生了物理知识的形成是一蹴而就的观念，缺少了知识探索的过程，最终停留在浅层的学习中，成为了知识的被动接受者。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出：“遵循高中生的认知规律及物理学科特点，设计循序渐进的必修与选择性必修课程内容。纳入物理学的基本学习内容，既关注全体学生的共同基础，又兼顾部分学生进一步学习的需求。”［１］教师在教学中立足于有效失败理论，基于高中物理学史中的“失败”案例，开展“有效失败”的教学，注重体现物理学科的本质，帮助学生走出物理学史中的“失败”误区，培养学生物理学科核心素养。

2    核心概念

2.1    有效失败理论

2008年，心理学家马努·卡普尔（Manu Kapur）提出了“有效失败”的新概念。他把成功分为有效成功（productive success）和无效成功（unproductive success），失败分成有效失败（productive failure）和无效失败（unproductive failure）。学生在学习过程中表现出困难和挣扎，在短时间内学习结果是失败的，但从长远来看这种失败是有效的。学生通过知识迁移经历了动脑思考，失败后的反思、知识的整合、分析修正失败，获得了学习结果和行为的共同成功，即为有效失败［２］。将上述概念延伸后，物理学史中物理学家、哲学家基于生活情境和思考整理总结出的“错误”理论，也属于“有效失败”的理论范围。

2.2    物理学史

物理学史不仅要包含历史资料，还要包含科学家的科学方法、思想和态度［3］。物理学史不但可以激发学生的学习兴趣，还能够提升学生对科学本质的认识，进而树立正确的价值观，培养他们的创新精神和能力［4］。

在“上科版”高中物理必修一至必修三中存在大量进行“失败”实验或提出“失败”理论的物理学史案例，如情境重现中亚里士多德对于运动和力关系的归纳总结，托勒密的“地心说”，科拉顿有关电磁感应的实验等。

3    创新实践过程

3.1    课程资源的深度挖掘

设计初期，仔细研读三册必修教材，深度挖掘“有效失败”的物理学史教学资源，如物理学家的贡献，时代背景下提出假设的事实依据，研究过程中的思考与探索，实验的原始数据等，力求形式多样化（表1）。

教材中对于上述“失败”的实验过程仅用寥寥数语进行了描述，学生能初步了解在物理学探究过程中会经历失败，但对于“失败”中蕴含的价值却不甚了解。因此，在课程设计初期，对失败的过程充分延展，将失败分为“观察猜想失败”“实验操作失败”“实验结论失败”和“失败中经历成功”四个类型。

3.2    基于四个“失败”类型的教学实践探索

3.2.1    观察猜想失败

物理学源于自然哲学，如牛顿所著的《自然哲学的数学原理》，欧美现仍将物理博士学位称为哲学博士（Doctor of Philosophy），由此可见物理学与哲学的渊源。早期关于自然的认识都建立在“思辨”的基础上，即观察、猜想及归纳。这源于当时的时代背景，许多哲学家、思想家成为了物理学科的先行者，提出了许多有事实依据作为支撑的理论。回顾史料不难知晓，亚里士多德早在《物理学》中就提出了物理学的公设，并非是通过简单的生活例子，而是在严谨的理论逻辑之下得出的观点，他是能够做到自圆其说的［５］。

基于上述时代背景，提出“思辨”主题，以头脑风暴的形式展开辩论，如“亚里士多德的理论是否为不切实际”“亚里士多德的四元素说如何解释当时的生活现象”等，暂且摆脱物理结论源于实验基础的束缚，以讨论、辩论、解释的形式感受哲学家们的智慧。

3.2.2    实验操作失败

物理是一门实验科学，高中物理实验教学包含了演示实验、学生实验等类型，通过实际情境的猜想、实验的设计、数据处理与分析等得到物理规律。上述多种实验类型往往是给定学生实验器材，根据教学要求进行实验探究，借助信息化处理系统、计算器等就可以得到实验结论。因此，学生在学习过程中了解“实验操作失败”的物理学史部分时，往往会觉得他们运气不佳、错失良机等。如科拉顿在研究电磁感应现象的过程中，经历了一次“成功的失败”，实验装置设计得完全正确，如果不将电流计放到另一个房间，那么他将观测到电流计指针的偏转现象。物理学规律的发现有时候也伴随着运气的成分，因此在对科拉顿表示遗憾的同时，也要关注科拉顿对于实验的巧妙设计。

因此，我们将“实验操作失败”聚焦于“设计”二字，在课堂教学中掌握了电磁场的相关知识后，布置了实验设计作业，即如何自主搭建物理实验验证电磁场现象中某一条规律的准确性，可以是电流周围存在磁场、感应电流产生的条件、安培力等，该作业为小组合作形式，力求培养学生的创新能力。图1为某小组设计的电磁感应秋千，能够持续摆动的原因之一就是通电导体在磁场中受到了力的作用。

学生在自行设计实验的过程中，切身体会到了从无到有的难度、知识应用的迁移度、小组成员的合作度、实验设计的创新度等，深刻地感悟到了物理学家对实验设计所付出的心血与巧思。

3.2.3    实验结论失败

物理学科亦是一门综合类学科，它包含了数据分析运算、相关结论的精练描述等。在研究过程中，虽然已经进行了正确的实验操作，但在数据分析上需要扎实的数学功底，在结论描述时需要使用准确的文字语言，否则将与结论失之交臂。我们认为，“实验结论失败”并非真正意义上的失败，而是“不够完美”。在情境重现中，对于运动和力的关系有多位物理学家进行了探索和总结，而牛顿最终提出了惯性定律。那么，牛顿第一定律究竟“美”在何处呢？

对于该类型我们的解决方案是“赏析”，它包括了英语原文的赏析与中文翻译的赏析。

物理语言有着精练简洁之美，中文翻译又体现了两种文字转化间的智慧。牛顿第一定律原文如下：A particle will stay at rest or continue at a constant velocity， unless acted upon by an external unbalanced force。请你尝试：①用自己的语言翻译它，并能否进行提炼；②用简短的文字概括牛顿第一定律；③你认为书本中的翻译是否简洁优美，请进行赏析。

3.2.4    失败中经历成功

必修三中提及：“经过了近十年的艰苦探索，1831年，法拉第对此终于有所发现……这种由磁产生电的现象正式定名为电磁感应现象。”虽然法拉第最终取得了成功，但学生对于为何经历十年得到结论的周期仍存有疑问，不了解法拉第在这十年间付出的努力。查阅《法拉第》一书可以了解到，电与磁的关系是法拉第的心结，当电磁感应现象被发现时，法拉第甚至高兴到手舞足蹈，久久不能平息。从这些描写细节中其实不难发现，对于喜欢做科学研究的法拉第而言，科研的过程是快乐的，而不是枯燥无味的［６］。

我们期望通过重现部分实验过程的方式，实现管中窥豹，即“实验经典重现”经历大师之路。如，卡文迪许扭秤实验我们采用了原文呈现：

“卡文迪许发表在《伦敦皇家学会哲学学报》的论文对实验的原始描述：用一根细长的金属丝，悬挂一根1.8 m长的木棍，木棍两端各有一个重为0.73 kg的小铅球。两个重为158 kg的大铅球分别放在小球附近约0.23 m远。两球之间产生大约为1.4×10-7 N的引力”[7]。学生能否借助计算器（当时还需要手动运算）寻找这些物理量之间的定量关系？

在必修三教材中已回顾了部分当时物理学家的探究手稿，如库仑扭秤、密立根油滴实验。在上述基础上，我们尝试将所有相关数据进行呈现，力求还原研究过程，让学生知道即使物理学家最终取得了成功，也并不是偶然，而是多年心血不断探索的过程，同时也鼓励学生对于上述实验装置提出改进意见，实现深层次的思考。

4    总结与展望

4.1    基于“有效失败”理论的高中物理学史实践策略

从物理学史出发，感受大师们在探索物质世界过程中经历的“失败”（表2），以暂时脱离物理实验的思辨讨论、基于物理理论的原创实验设计、对于物理结论的语言赏析、重现探究过程中从失败到成功的过程为解决策略，帮助学生正视“失败”，最终延伸至物理学习探究中的“有效失败”。

4.2    不足与展望

在课堂设计和实施方面区别于传统的物理课堂，探索了新的评价方式，较好地体现了“有效失败”理论，但仍存在一些不足，具体如下：

（1）尚未结合我国当今科技。毫无疑问，无论是“北斗指路”还是“神舟飞天”，我国科学家们都经历了无数的“有效失败”，这需要物理教师不断学习，更新知识，加强对科学·技术·社会·环境关系的认识，更好地培养学生的科学态度与责任。

（2）跨学科间需进一步加强交流合作。教学设计涉及政治、化学、数学、英语等学科，在实践探索中虽有合作，但其他学科教师并未真正参与，当遇到学科专业问题时，无法当堂解决，降低了教学效率。下阶段尝试多学科教师共同参与，探索跨学科教学的可能性。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］ＫＡＰＵＲ Ｍ． Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｏｌｖｉｎｇ ［Ｊ］． Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１０，３８（６）：５２３－５５０．

［３］于源影．ＨＰＳ 融入高中物理教学的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨师范大学，２０２０.

［４］唐春梅．核心素养背景下的高中物理学史教学策略研究［Ｄ］．重庆：西南大学，２０２０．

［５］Ａｒｉｓｔｏｔｌｅ．Ｐｈｙｓｉｃｓ［Ｍ］．广州：商务印书馆，１９８２.

［６］赵喜臣．法拉第［Ｍ］．北京：中国社会出版社，２０１２．

［７］Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ Ｈ． ＸＸＩ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ［Ｊ］． Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ  Ｌｏｎｄｏｎ，１７９８（８８）：４６９－５２６．

（栏目编辑    邓   磊）