从核心素养视角谈高中物理教材插图中的德育元素——以新人教版和粤教版必修模块为例

张凯翔 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

育人为本，德育为先.随着新课程改革的不断深入，我国基础教育课程的目标方向和价值追求经历了从“双基目标”到“三维目标”再到“核心素养”的3个阶段，实现了从学科知识到学科本质，再到学科育人价值的转变.物理学科核心素养作为物理学科育人价值的集中体现，使得学科和育人走向协调统一，这也就意味着：物理学科德育不再是发挥物理学科育人功能过程中的一个孤立环节[1].

物理教材是物理教师开展物理教学活动的主要依据，其编写以落实立德树人根本任务为总导向，以提升物理学科核心素养为总目标[2].根据心理学家Paivio的双重编码理论，插图作为教材的非语言表征，可以更好地加深学生对知识的理解和记忆[3].因此，已有不少学者对插图在教学实践中所具有的教学价值进行了开发研究，但是，却鲜有学者对其插图所蕴含的德育价值进行挖掘.实际上，学科德育作为一种育人活动，尤其看重学科知识与学生生活以及已有认知和情感经验之间的联系[4]，而从认知心理学的角度，教材插图由于其生动逼真、色彩鲜艳的特点，可以为学生提供更为具体、直观的感知对象，是学生在思维过程中建立正确表象的基础[3].可见，教材插图不仅蕴含着丰富的知识信息，还与学科德育具有天然的契合性.有鉴于此，本文以新人教版和粤教版必修模块为例，从物理学科核心素养的物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任4个维度谈高中物理教材插图中的德育元素，希望能够为物理教师在培养学生物理学科核心素养的过程中渗透学科德育提供有力参考，从而更好地落实立德树人的根本任务.

教材中有些插图形象地复刻了真实的物理情境，将物理概念和规律活灵活现地呈现在了学生面前，能够帮助学生形成有关物质、运动与相互作用、能量等基本观念，促使物理概念和规律等在学生头脑中的提炼与升华.而物理学作为自然科学领域的一门基础学科，为辩证唯物主义提供了大量的科学例证，教材插图中能够体现辩证唯物主义思想的物理概念和规律更是比比皆是.因此，物理教师在教学实践中，不仅可以利用插图来加深学生对物理概念和规律的理解，还能够挖掘插图中蕴含的辩证唯物主义思想，并将其融入到物理教学过程中，使辩证唯物主义教育与物理教学产生协同作用.

例如，人教版在“运动的描述”这一章节中，利用图1描绘了宋代诗人陈与义的一首古诗：“飞花两岸照船红，百里榆堤半日风.卧看满天云不动，不知云与我俱东”.该幅图不仅蕴含着中国传统诗意文化，以及古人对运动相对性的理解，还蕴含着物理学中的辩证唯物主义思想.教师在基于此图进行教学时，可以从物理学的视角对“参考系”进行讲解之后，引入“运动与静止”这一对立统一关系，对学生进行较基础的辩证唯物主义教育：“运动与静止”是辩证唯物主义思想中的运动观和对立统一规律在物理学中的具体体现，辩证唯物主义在肯定运动是普遍的、永恒的和无条件的同时，又承认静止是运动的一种特殊状态，绝对运动和相对静止是相对统一的，这看似矛盾对立的双方在一定条件下会发生转换，这种观念其实是与物理学中的相对运动相符合的.这样的教学过程不仅有利于加深学生对“参考系”概念的理解，还可以培养学生的辩证唯物主义思想，向学生渗透认识世界和改造世界的根本方法——矛盾分析法，以便对学生进一步进行教育：引导学生正确看待同学之间的竞争关系，将竞争的压力转化为前进的动力；
要求学生从实际出发，更加客观地看待教师、家长和身边的同学，切忌严以待人、宽以律己的现象发生……

图1 古诗情境

诸如这样的插图，教材中还有许多，如图2所示，牛顿“平抛石头”的思想实验蕴含着量变质变规律这一辩证唯物法中的基本规律；
再如图3所示，“同时性的相对性”思想实验中蕴含着唯物主义真理观：真理和谬误在一定条件下可以相互转化.类似此类插图，物理教师都可以参考上述的教学思路，对学生进行较基础的辩证唯物主义教育，帮助学生根据自己知识的掌握程度和迁移的本身需求，养成从物理学的视角解释和解决问题的习惯，领会物理学中蕴含的科学价值和人文价值，掌握正确的辩证唯物主义世界观和认识论.

图2 “平抛石头”思想实验

图3 “同时性的相对性”思想实验

物理学家劳厄曾说：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力.教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候,所剩下来的东西.”可见，在教学实践层面开发学生科学思维尤其重要.教材中有些插图在时间上具有递进关系，在将科学认知的发展历程“显化”的同时，还利用其生动传神的特点，将错综复杂的物理世界中的美学浮现出来.这类插图不仅蕴含着建构物理模型过程中所需的科学方法和逻辑思维，还蕴含着物理学中的简约之美、和谐之美.

例如，人教版在“万有引力与宇宙航行”这一章节中，在“科学漫步”模块中运用如图4所示的组合图描述了人类对行星运动规律的认识历程，其不仅蕴含着人类从物理学视角对客观事物的认识革新中所运用的科学思维，以及物理学家勇于创新、敢于质疑的科学精神，还蕴含着物理学中的审美情趣对物理研究的直接推动作用.而“科学漫步”作为教材中的选学内容，如果教师不对学生加以引导，学生往往会当作“故事会”来品读.因此，基于该插图组，物理教师可以运用以下问题串来驱动学生的思维.

(a)火星的逆行

问题1：古人在对行星运动进行研究时为何要建立理想模型？

问题2：物理学家在基于经验事实进行科学推理和科学论证的过程中，所遵循的原则有哪些？

问题3：后人是否都是基于前人的研究成果，才提出自己创造性的见解？

问题4：物理学家们所追求的“简约美”是如何指引他们突破对行星运动认识的瓶颈的？

通过这种有意识地引导，原本“呆木”的物理模型插图中隐性的逻辑思维、科学精神和审美情趣得到挖掘，教师不仅从科学思维中质疑创新、科学推理、模型建构和科学论证4个要素的角度对学生进行了针对性地训练，促进学生科学思维的形成，还有助于学生以物理学中的审美视角去感知客观世界，逐步形成一定的发现美、欣赏美和创造美的能力，进而在学习感性物理的同时，感悟理性物理，触发学生高阶思维的产生，实现学生对物理学科的深度学习[6].

物理学是一门以实验为基础的学科，其教材中自然也设计了许多科学探究活动.根据建构主义的观点，在培养学生科学探究素养的过程中，至关重要的一点就是让学生主动经历真实的探究情境，并运用物理学科中的科学方法和逻辑思维去发现新知识[7].

教材中有许多插图将科学探究的物理情境直观地呈现出来，把“迷你实验室”搬到了学生面前，便于教师和学生“足不出户”就可以进行科学探究活动.基于此类插图，教师不需急于告诉学生去“做什么”，而可以通过问题引导学生去发觉“为什么做”“怎么做”，帮助学生在科学探究的过程中，形成一种主动、多元寻求解决问题方案的心理特征，将科学探究能力内化为自身品质的一部分[8].

例如，人教版在牛顿第一定律这一节的“拓展学习”板块中，设置了如图5所示的插图：在桌面上放置一张纸和一个小钢球，小钢球静止在纸面上.

图5 牛顿第一定律拓展实验

教师可以基于这幅插图开展这样的教学活动.

师：如何根据图中的小钢球和纸来设计一个小实验体现牛顿第一定律？

生：迅速拉动小钢球下面的纸张.(学生可以从插图中捏着纸张的手获得线索)

师：结合观察和生活经验，我们可以猜想小钢球的运动状态是什么？

生：小钢球会在原地不动.(学生由于思维定势说出答案)

师：如果以纸张为参考系，小钢球还是静止状态吗？如果它的静止状态被迫改变，根据牛顿第一定律，它在水平方向的力难道发生了改变？

生：小钢球在相对于纸张向相反的方向运动，并且在水平方向上几乎不受力.(学生产生迷思概念，表示不符合自己对牛顿第一定律的理解)

师：如果以地面为参考系，这种矛盾的情况还会出现吗？为什么对于同一物体的运动，当参考系选择不同时，牛顿第一定律就会“失灵”呢？

显然，上述的教学片段中教师通过层层递进的问题，将生活中看似简单的物理情境进行拆分，引导学生基于自身的思维定势和迷思概念进行交流与反思，不仅拓宽了学生对牛顿第一定律的了解面，还为下一节“加速度与力、质量的关系”实验探究课进行了“预热”.

科学探究素养的培养并非一朝一夕之功，学生只有在反复经历有效的科学探究活动后，才能使科学探究的素养和解决实际物理问题的能力得到真正地培养和升华.教材中还有许多类似的生活趣味小实验插图，如图6所示.教师基于此类插图，都可以采用类似的引导式提问，让学生既能亲历实验探究的过程，又能体验理论探究的历程，以科学探究的形式进行物理观念和科学思维的教学，从而养成严谨认真、实事求是的科学态度，这对学生形成物理学科核心素养具有重大的推动作用.

(a)

随着新课改的不断深入，教材在插图的选择方面也更加注重人文性与科学性.教材中的一些插图栩栩如生地将物理知识与生产生活、现代社会及科技发展之间的联系呈现在了读者面前，不但在一定程度上拓展了学生的知识视野，还蕴含着丰富的科学态度和社会责任等学科情怀.物理教师在教学过程中，可以基于此类插图的内容，结合相关的多媒体资源和时事新闻，引导学生逐步形成学习物理的内在动机，在生活中自觉遵守社会上普遍接受的道德规范，树立保护环境、节约资源，促进可持续发展的意识.

例如，人教版序言中的图7，向学生展示了半导体芯片的外观，为教师引导学生去感受物理学对半导体材料等前沿行业的影响提供了素材.基于此图，教师可以结合美国封杀中兴、制裁华为等，与国家、高新技术行业密切相关的时事对学生进行更深度的拓展，促使学生了解我国目前在芯片技术领域被“卡脖颈”的现状，激发学生学习物理知识去改变现状的信念，培养学生承担民族复兴与时代发展的使命感.

图7 半导体芯片

教材中还有其他类似的插图，如图8和图9所示，教师都可以结合时事展开教学，对我国高新技术行业的现状以及国际形势加以分析.长久下去，不仅能让学生在和平年代依旧保持“忧患意识”，更深层次地激发学生的爱国情怀，甚至可能影响中学生在未来对专业和职业的选择.

图8 飞机在航母上起飞

图9 嫦娥三号登月探险器

又如，粤教版在“运动的合成与分解”这一章节的课后习题中，设置了如图10所示“跑马射箭项目”的插图，教师可以在讲解完这道题的物理知识之后，提醒学生们注意插图中的运动项目，尝试引导学生关注“跑马射箭”的少数民族传统习俗，从而进一步呼吁学生保护和传承少数民族文化，秉持尊重差异、包容多样的观念.此外，如“机械能及其守恒定律”这一章节中的图11，描绘了潮汐发电的原理，不仅可以帮助学生回顾机械能守恒定律的物理知识，还能够为物理教师引导学生领会科学本质，进行STSE教育提供素材，唤起学生对生态环境的保护意识，更好地建立人与自然的和谐关系.

图10 跑马射箭项目

图11 潮汐发电原理

综上所述，我们不难看出，不仅核心素养和德育元素之间是相互交融的，各个德育元素之间往往也是相互联系的.教材插图中的德育元素还远不止本文中列举的例子，物理教师在教学实践中应在确保物理知识主体地位的同时，充分挖掘教材插图中的德育元素，将物理学科德育实施的过程“如盐在水”地穿插在培养学生物理学科核心素养的过程中，真正做到“守好一段渠、种好责任田”，落实立德树人的根本任务.当然，教师还要做到言行一致，以身作则，牢记教师作为学生学习的榜样，自身才是最重要的“德育元素”，实现全方位育人，努力开创高中物理德育新局面.

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