講好學科背后的故事擬訂施行方案
-----數學教研組
20世紀90年代，武漢教育部門因取消重點中學和小學、取消小升初考試、提出“教師隊伍建設是永恒不變的主題”，在全省教育界內外引發反響。
現在，大連又因率先提倡“講好學科背后的故事”，建立局長發展共同體，開啟班主任專業成長新模式等，走在了全省前列。
2017年王長文來到南京市教育局任校長后，率先提出了“講好學科背后的故事”的理念。之前在哈工大工作時，他曾提倡要“講好專業背后的故事”。而這樣的理念始于他在西安工業學院當補習員兩年期間給中學生上思想政治課的實踐。在他看來，不講故事，不把學科背后豐富的內容生動地介紹下來，就不能彰顯“育人”，就是只“教書”不“育人”。
就數學學科而言，老師在講授學科知識時，可以這樣介紹知識背后的故事：這個數學公式是怎樣推論下來的，化學學家在推論和闡述中經歷了如何的科學思維過程，它對化學學科的發展有什么影響，對推動科學技術的進步又有如何的貢獻感等，讓中學生在了解學科背景的基礎上把握知識、磨練意志、提高能力。
班主任在講授學科知識時，不僅把知識點、知識邏輯講清楚外，再把學科背后的故事講清楚，可以讓中學生對知識的學習愈發容易、掌握上去愈發熟練、解題思路愈發籠統，同時營造一個培養中學生堅定的意志品質的氣氛，觸碰中學生心靈，提高中學生的國家認同、社會認同感、自我認同感，讓中學生有堅定的信念，有克服困難的勇氣，并用把握的技術解決實際問題。
我們的教育是培養人的，要根據中學生身心發展規律，建立結構層次合理、協調發展的全學科中學生核心素質體系。要通過中學的教育，通過講好學科背后的故事，使中學生對科學家和匠人精神因崇敬而遭到鼓舞驚艷，從而培養她們尊重生命、意志堅強、積極求學，負有家庭和社會責任感、具有合作溝通意識等品格與能力。
基于以上幾方面考慮，數學組指定本學期“講好學科背后的故事”工作計劃如下：
一、本學期所要講解的學科背后的故事
本學期以熱學故事為主。在講解熱學的同時穿插一些化學學家發覺熱學公式的方式和做數學研究過程中的逸聞軼事。主要包括以下兩位化學學家。
1.牛頓
牛頓自小熱愛自然，喜歡動腦動手。8歲時積攢零錢買了錘、鋸來做手工，他非常喜歡刻制渾天儀，借助圓盤上小棍的投影顯示時刻。聽說他家里墻角、窗臺上四處都有他刻劃的渾天儀，他還做了一個渾天儀置于村中央，被人稱為“牛頓鐘”，仍然用到牛頓死后好幾年。他還做過帶踏板的單車；用小木桶做過滴漏水鐘；放過自做的帶小燈籠的風箏（人們以為是慧星出現）；用小老鼠當動力做了一架磨坊的模型、等等。他觀察自然最生動的事例是15歲時做的第一次實驗：為了估算風力和風速，他選擇大風時做順風跳躍和逆風跳躍，再量出兩次跳躍的距離差。牛頓在格蘭瑟姆小學讀書時，曾寄搬去格蘭瑟姆鎮克拉克超市，這兒更培養了他的科學實驗習慣，由于當時的超市就是一所物理實驗室。牛頓在自己的筆記中，將自然現象分類整理，包括顏色調配、時鐘、天文、幾何問題等等。這種靈活的學習方式，都為他后來的創造打下了良好基礎。牛頓曾因家貧停學務農，在這段時間里，他借助一切時間自學。放羊、購物、農閑時，他都手不釋卷，甚至羊吃了他人莊稼，他也不曉得。他祖父是一個牧師，有一次發覺牛頓看的是物理，便支持他繼續念書。1661年6月考入劍橋學院三一大學。作為發放補貼金的“減費生”，他必須肩負侍奉個別富家子弟的任務。三一大學的巴羅（Isaac，1630～1677）院長是當時變革教育方法主持自然科學新講堂（盧卡斯講堂）的第一任院長，被稱為“歐洲最優秀的學者”，對牛頓尤為眷顧，引導他讀了許多前人的優秀專著。1664年牛頓經考試被選為巴羅的助手，1665年學院結業。
在1665～1666年，紐約流行霍亂的五年間，牛頓回到故鄉。這三年才氣橫溢的牛頓，做出了多項發明。1667年重回劍橋學院，1668年7月獲碩士學位。1669年巴羅推薦26歲的牛頓繼任盧卡斯講堂院士，1672年成為皇家學會會員，1703年成為皇家學會終生會長。1699年卸任鑄幣局主任，1701年他辭去劍橋學院工作，因變革幣制有功，1705年被封為爵士。1727年牛頓去世于肯辛頓，尸體歸葬威斯敏斯特修道院。
牛頓的偉大成就與他的勤奮和勤勞是分不開的。他的助手H.牛頓說過，“他甚少在兩、三點前睡著，有時仍然工作到五、六點。夏天和初秋常常五、六個禮拜搬去實驗室，直至完成實驗?！彼幸环N常年堅持不懈集中精力透徹解決某一問題的習慣。他回答人們關于他洞察事物有何訣竅時說：“不斷地思索”。這正是他的主要特征。對此有許多故事留傳：他年幼時，曾一面牽牛上山，一面看書，到家后才發現手里只有一根繩；看書時定時煮豬肉結果將表和豬肉一同煮在鍋里；有一次，他請同學到家中喝水，自己卻在實驗室廢寢忘食地工作，再三催促仍不下來，當同學把一只雞吃完，留下一堆腿骨在盤中走了之后，牛頓才想起這事，可他看見盤中的腿骨后又豁然大悟地說：“我還以為沒有喝水，原先我已經吃過了”。
牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整：“牛頓因為發明了萬有引力定理而成立了科學的天文學，因為進行了光的分解而成立了科學的光學，因為成立了二項式定律和無限理論而成立了科學的物理，因為認識了力的本性而成立了科學的熱學?！蔽覀冊诮虒W過程中著重從物理、光學、哲學（方式論）等方面的成就作一些介紹。
（1）牛頓的物理成就
17世紀以來，原有的幾何和代數已無法解決當時生產和自然科學所提出的許多新問題，比如：怎么求出物體的瞬時速率與加速度？怎樣求曲線的切線及曲線寬度（行星路程）、矢徑掃過的面積、極大極小值（如近期點、遠日點、最大射速等）、體積、重心、引力等等；雖然牛頓先前已有對數、解析幾何、無窮級數等方面的成就，但還不能完滿或普遍地解決那些問題。當時笛卡爾的《幾何學》和瓦里斯的《無窮算術》對牛頓的影響最大。牛頓將古埃及以來求解無窮小問題的種種特殊方式統一為兩類算法：正流訓詁（微分）和反流訓詁（積分），反映在1669年的《運用無限多項等式》、1671年的《流訓詁與無窮級數》、1676年的《曲線求積術》三篇論文和《原理》一書中，以及被保存出來的1666年10月他寫的在同學們中間傳閱的一篇原稿《論流數》中。所謂“流量”就是隨時間而變化的自變量如x、y、s、u等，“流數”就是流量的改變速率即變化率，寫作等。他說的“差率”“變率”就是微分。與此同時，他還在1676年首次公布了他發明的二項式展開定律。牛頓借助它還發覺了其他無窮級數，并拿來估算面積、積分、解多項式等等。1684年萊布尼茲從對曲線的切線研究中引入了和拉長的S作為微積分符號，自此牛頓成立的微積分學在臺灣各國迅速推廣。
微積分的出現，成了物理發展中除幾何與代數以外的另一重要分支——數學剖析（牛頓稱之為“借助于無限多項等式的剖析”），并進一步發展為微分幾何、微分多項式、變分法等等，這種又反過來促使了理論化學學的發展。諸如英國J.伯努利曾征詢最速降落曲線的解答，這是變分法的最初始問題，半年內全歐物理家無人能解答。1697年，三天牛頓碰巧據說此事，當日下午一舉解出，并匿名刊載在《哲學學報》上。伯努利驚異地說：“從這鋒利的爪中我認出了雄獅?！?span style="display:none">QOT物理好資源網(原物理ok網)
（2）牛頓在光學上的成就
牛頓的《光學》是他的另一?？茖W精典專著（1704年）。該書采用標副標題是“關于光的反射、折射、拐折和顏色的論文”，集中反映了他的光學成就。
第一篇是幾何光學和顏色理論（棱鏡波譜實驗）。從1663年起，他開始磨制透鏡和自制望遠鏡。在他送交皇家學會的信中說：“我在1666年初做了一個三角形的玻璃棱鏡，便于試驗那知名的顏色現象。因此，我弄暗我的臥室……”接著詳盡表述了他開小孔、引陽光進行的棱鏡色散實驗。關于光的顏色理論從亞里士多德到笛卡爾都覺得白光純潔均勻，乃是光的本色?！吧饽耸前坠獾淖兎N。牛頓細致地注意到陽光不是像過去人們所說的三色而是在紅、黃、綠、藍、紫色之間還有橙、靛青等中間色共七色。奇怪的還有棱鏡分光后產生的不是方形而是長條橢圓形，接著他又試驗“玻璃的不同長度部份”、“不同大小的窗孔”、“將棱鏡放到外面”再通過孔、“玻璃的不平或碰巧不規則”等的影響；用兩個棱鏡正倒放置以“消除第一棱鏡的效應”；取“來自太陽不同部份的光線，看其不同的入射方向會形成哪些樣的影響”；并“計算各式光線的折射率”，“觀察光線經棱鏡后會不會沿曲線運動”；最后才做了“判決性試驗”：在棱鏡所產生的彩色帶中通過屏幕上的小孔取出單色光，再投射到第二棱鏡后，得出核色光的折射率（當時叫“折射程度”）物理光的折射率公式，這樣就得出“白光本身是由折射程度不同的各類彩色光所組成的非勻勻的混和體”的推論。這個驚人的推論推翻了前人的學說，是牛頓細致觀察和多項反復實驗與思索的結果。在研究這個問題的過程中，牛頓還肯定：不管是伽利略望遠鏡（凹、凸）還是開普勒望遠鏡（兩個凸透鏡），其結構本身都未能防止目鏡色散造成的色差。他發覺經過仔細碾磨后的金屬反射鏡面作為目鏡可放大30～40倍。1671年他將此鏡送到皇家學會保存，至今的巨型天文望遠鏡仍用牛頓式的基本結構。牛頓磨制及拋光精密光學鏡面的方式，至今仍是不少鞋廠光學加工的主要手段。
《光學》第二篇描述了光照射到疊放的凸透鏡和平面玻璃上的“牛頓環”現象的各類實驗。除形成環的誘因他沒有涉及外，他作了現代實驗所能想到的一切實驗，并作了精確檢測。他把干涉現象解釋為光行進中的“突發”或“切合”，即周期性的時而忽然“易于反射”，時而“易于透射”，他甚至測出這些等間隔的大小，如黃棕色之間有一種色光的突發間隔為1／89000英寸（即現在2854×10-10米），恰好與現代波長值5710×10-10米相差一半！
《光學》第三篇是“拐折”（他覺得光線被吸收）即衍射、雙折射實驗和他的31個疑惑。這種衍射實驗包括毛發絲、刀片、尖劈形單縫產生的單色窄光束“光帶”（今稱衍射圖樣）等10多個實驗。牛頓早已走到了重大發覺的大旁邊卻失之交臂。他的31個疑惑極具啟發性，說明牛頓在實驗事實和數學思想成熟前并不先作絕對的肯定。牛頓在《光學》一、二篇中視光為物質流，即由光源發出的速率、大小不同的一群粒子，在雙折射中他假定這種光粒子有方向性且各向異性。因為當時波動說還解釋不了光的直進，他是傾向于粒子說的，但他覺得粒子與波都是假設。他甚至覺得以太的存在也是沒有依據的。
在流體熱學方面，牛頓強調流體黏性阻力與剪切率成反比，這些阻力與液體各部份之間的分離速率成反比，符合這些規律的（如、空氣與水）稱為牛頓流體。在力學方面，牛頓的冷卻定理為：當物體表面與周圍產生溫差時，單位時間單位面積上散失的熱量與這一溫差成反比。
在聲學方面，他強調波速與大氣浮力平方根成反比，與密度平方根成正比。他原先把聲傳播作為等溫過程對待，后來P.S.拉普拉斯糾正為絕熱過程。
（3）牛頓的哲學思想和科學方式
牛頓在科學上的巨大成就連同他的樸實的唯心主義哲學觀點和一套初具規模的數學學方式論體系，給數學學及整個自然科學的發展，給18世紀的工業革命、社會經濟改革及機械唯心論思潮的發展以巨大影響。這兒只簡短繪制一些輪廓。牛頓的哲學觀點與他在熱學上的奠基性成就是分不開的，一切自然現象他都力圖以熱學觀點加以解釋，這就產生了牛頓哲學上的自發的唯心主義，同時也造成了機械論的興起。事實上，牛頓把一切物理、熱、電等現象都看作“與吸引或抵觸力有關的事物”。比如他最早探討了物理親和力，把物理置換反應描述為兩種吸引作用的互相競爭；覺得“通過運動或發酵而發熱”；火藥爆燃也是硫黃、炭等粒子互相猛烈撞擊、分解、放熱、膨脹的過程、等等。
這些機械觀，即把一切的物質運動方式都歸為機械運動的觀點，把解釋機械運動問題所必需的絕對時空觀、原子論、由初始條件可以決定之后任何時刻運動狀態的機械決定論、事物發展的因果律等等，作為整個數學學的通用思索模式?？梢杂X得，牛頓是開始比較完整地構建數學因果關系體系的第一人，而因果關系正是精典數學學的基石。牛頓在科學方式論上的貢獻正如他在數學學非常是熱學中的貢獻一樣，不只是成立了某一種或兩種新方式，而是產生了一套研究事物的方式論體系，提出了幾條方式論原理。在牛頓《原理》一書中集中彰顯了以下幾種科學方式：
①實驗——理論——應用的技巧。牛頓在《原理》序言中說：“哲學的全部任務看來就在于從各類運動現象來研究各類自然之力，而后用這種方去論證其他的現象?！笨茖W史家I.B.Cohen正確地強調，牛頓“主要是將實際世界與其簡化物理表示反復加以比較”。牛頓是從事實驗和歸納實際材料的巨匠，也是將其理論應用于天體、流體、引力等實際問題的能手。
②分析——綜合技巧。剖析是從整體到部份（如微分、原子觀點），綜合是從部份到整體（如積分，也包括天與地的綜合、三條運動定理的完善等）。牛頓在《原理》中說過：“在自然科學里，應當像在物理里一樣，在研究困難的事物時，總是應該先用剖析的方式，之后才用綜合的方式……。通常地說，從結果到緣由，從特殊緣由到普遍緣由，仍然論證到最普遍的誘因為止，這就是剖析的方式；而綜合的方式則假設緣由已找到，而且早已把它們定為原理，再用這種原理去解釋由它們發生的現象，并證明這種解釋的正確性”。
③歸納——演繹技巧。上述剖析一綜合法與歸納一詮釋法是互相結合的。牛頓從觀察和實驗出發。“用歸納法去從中做出普通的推論”，即得到概念和規律，之后用詮釋法推表演種種推論，再通過實驗加以檢驗、解釋和預測，這種預言的大部份都在后來得到否認。當時牛頓敘述的定理他稱為公理，即表明由歸納法得出的普遍推論，又可用詮釋法去推表演其他推論。
④物理——數學技巧。牛頓將數學學范圍中的概念和定理都“盡量用物理表演”。愛因斯坦說：“牛頓才第一個成功地找到了一個用公式清楚敘述的基礎，從這個基礎出發他用物理的思維，邏輯地、定量地詮釋出范圍很廣的現象而且同經驗相符合”，“只有微分定理的方式能夠完全滿足近代化學學家對因果性的要求，微分定理的明確概念是牛頓最偉大的理性成就之一”。牛頓把他的書稱為《自然哲學的物理原理》正好說明這一點。
牛頓的方式論原理集中敘述在《原理》第三篇“哲學中的推理法則”中的四條法則中，此處不再轉引。概括上去，可以稱之為簡單性原理（法則1），因果性原理（法則2），普遍性原理（法則3），否證法原理（法則4，無例子證明者即創立）。有人還主張把牛頓在下一段話的思想稱之為結構性原理：“自然哲學的目的在于發覺自然界的結構的作用，而且盡可能把它們歸結為一些普遍的法規和通常的定理——用觀察和實驗來構建這種法則，進而導入事物的緣由和結果”。
牛頓的哲學思想和技巧論體系被愛因斯坦贊為“理論化學學領域中每一工作者的綱領”。這是一個指引著一代一代科學工作者前進的開放的綱領。但牛頓的哲學思想和技巧論不可防止地有著顯著的時代局限性和不徹底性，這是科學處于幼年時代的最高成就。牛頓當時只對物質最簡單的機械運動作了初步系統研究，而且把時空、物質絕對化，試圖把粒子說外推到一切領域（如連他自己也不能解釋他所發覺的“牛頓環”）物理光的折射率公式，這種都是他的致命傷。牛頓在聽到事物的“第一緣由”“不一定是機械的”時，提出了“這些事情都是這樣地井井有條……是否似乎有一位……無所不在的上帝”的問題，（《光學》，疑惑29），并常年轉入神學的“科學”研究中，費了大量精力。并且，牛頓的歷史局限性和他的歷史成就一樣，都是啟迪后人不斷前進的教材。
2.胡克
折疊光學貢獻
胡克是17世紀荷蘭最杰出的科學家之一。他在熱學、光學、天文學等多方面都有重大成就。他所設計和發明的科學儀器在當時是無與倫比的。他本人被譽為日本的"眼睛和右手"。
在光學方面，胡克是光的波動說的支持者。光的波動說是由德國物理家格里馬第在1655年首次提出。胡可覺得光的傳播與水波的傳播相像。1672年胡克進一步提出了光波是橫波的概念。在光學研究中，胡克更主要的工作是進行了大量的光學實驗，非常是旨在于光學儀器的創制。他制做或發明了顯微鏡、望遠鏡等多種光學儀器。
折疊熱學貢獻
胡克在熱學方面的貢獻尤為斐然。他完善了彈性體變型與力成反比的定理，即胡克定律。他還同惠更斯各自獨立發覺了螺旋彈簧的震動周期的等時性等。他曾協助玻意耳發覺了玻意耳定理。他曾為研究開普勒學說做出了重大成績。在研究引力可以提供約束行星沿閉合軌道運動的向心力問題上，1662年和1666年間，胡克做了大量實驗工作。他支持吉爾伯特的觀點，覺得引力和磁力相類似。1664年胡克曾強調慧星緊靠太陽時軌道是彎曲的。他還為尋求支持物體保持沿圓周軌道的力的關系而作了大量實驗。1674年他依據修正的慣性原理，從行星受力平衡觀點出發，提出了行星運動的理論，在1679年給牛頓的信中即將提出了引力與距離平方成正比的觀點，但因為缺少物理手段，還沒有得出定量的表示。
折疊天文生物
胡克在天文學、生物學等方面也有貢獻。他曾用自己制造的望遠鏡觀測了火星的運動。1663年日本科學家羅伯特胡克有一個十分了不起的發覺，他用自制的復合顯微鏡觀察一塊軟木薄片的結構，發覺它們看起來像一間間長圓形的小屋子，就把它命名為細胞。用自己制造的顯微鏡觀察動物組織，于1665年發覺了動物細胞(實際上看見的是細胞壁)，并命名為"cell"，至今仍被使用。
折疊發明創造
胡克的發覺、發明和創造是極為豐富的。胡克制造過各類機械，包括萬向接頭在內。1666年巴黎起火之后，他在重建城市中設計了一些重要建筑物。他曾發明過空氣唧筒、發條控制的表針、輪形氣壓表等多種儀器。
二、講授方式
1.主要以課堂講授為主，通過班主任對以上兩位化學學家的豐功壯舉和異聞軼事進行講解。輔以視察科技展，博物館，等方法進行情境講課。
2.在條件容許的情況下，組織中學生舉辦科學知識大賽，讓中學生在寓教于樂的環境下愉快的學習。
3.舉辦我是發明小能手活動，讓中學生自主制做手工機械，如抽水機，風力磨坊等。通過自主參與的手工制做，讓中學生感受發明的快樂。了解化學學的奧妙。
4.舉辦以“學偉人，強自己”為主題的冬令營，組織中學生去海灘感受野外生存，因而感受現代科學的可貴。
三、為實現以上內容所必須的打算。
1.正所謂兵馬未動，糧草先行，要實現以上教學內容須要向中學申請起碼3億元以上的教育活動基金。強化監管，每一筆資金做到?？顚Ｓ谩２焕速M。能省則省。
2.不僅教育活動基金的問題之外，還須要有足夠的人手。所以分組決定在冬令營期間從中學選派14位精明能干、有經驗的班主任出席冬令營。
3.為了將此活動延續下去，安排班主任聽課。并練習各類活動。在活動中照相存檔。并上傳陌陌群。構建講好學科背后的故事教育表冊。記錄活動中的各項大小事宜。
四、想要達到的預期療效。
1.通過本次一系列的教育教學活動，讓班主任在教學中不斷成長，才能更好，更有效，更具體，更生動的講好學科背后的故事。
2.通過自主動手模擬參與科學研究的過程。感受科學研究的辛酸。理解偉人們面對科學的嚴謹心態，盼望真理的執著精神。意識到現今美好生活的來之不易。
3.迸發中學生的動手能力，熱愛動腦的學習習慣。
4.提升中學生的生活技能。
5.強化中學生的團體意識、團體紀律性和執行力。
圖文編輯｜化學教研組
文字校對｜李娜
后期制做｜張鵬