讲好学科背后的故事拟订施行方案
-----数学教研组
20世纪90年代，武汉教育部门因取消重点中学和小学、取消小升初考试、提出“教师队伍建设是永恒不变的主题”，在全省教育界内外引发反响。
现在，大连又因率先提倡“讲好学科背后的故事”，建立局长发展共同体，开启班主任专业成长新模式等，走在了全省前列。
2017年王长文来到南京市教育局任校长后，率先提出了“讲好学科背后的故事”的理念。之前在哈工大工作时，他曾提倡要“讲好专业背后的故事”。而这样的理念始于他在西安工业学院当补习员两年期间给中学生上思想政治课的实践。在他看来，不讲故事，不把学科背后丰富的内容生动地介绍下来，就不能彰显“育人”，就是只“教书”不“育人”。
就数学学科而言，老师在讲授学科知识时，可以这样介绍知识背后的故事：这个数学公式是怎样推论下来的，化学学家在推论和阐述中经历了如何的科学思维过程，它对化学学科的发展有什么影响，对推动科学技术的进步又有如何的贡献感等，让中学生在了解学科背景的基础上把握知识、磨练意志、提高能力。
班主任在讲授学科知识时，不仅把知识点、知识逻辑讲清楚外，再把学科背后的故事讲清楚，可以让中学生对知识的学习愈发容易、掌握上去愈发熟练、解题思路愈发笼统，同时营造一个培养中学生坚定的意志品质的气氛，触碰中学生心灵，提高中学生的国家认同、社会认同感、自我认同感，让中学生有坚定的信念，有克服困难的勇气，并用把握的技术解决实际问题。
我们的教育是培养人的，要根据中学生身心发展规律，建立结构层次合理、协调发展的全学科中学生核心素质体系。要通过中学的教育，通过讲好学科背后的故事，使中学生对科学家和匠人精神因崇敬而遭到鼓舞惊艳，从而培养她们尊重生命、意志坚强、积极求学，负有家庭和社会责任感、具有合作沟通意识等品格与能力。
基于以上几方面考虑，数学组指定本学期“讲好学科背后的故事”工作计划如下：
一、本学期所要讲解的学科背后的故事
本学期以热学故事为主。在讲解热学的同时穿插一些化学学家发觉热学公式的方式和做数学研究过程中的逸闻轶事。主要包括以下两位化学学家。
1.牛顿
牛顿自小热爱自然，喜欢动脑动手。8岁时积攒零钱买了锤、锯来做手工，他非常喜欢刻制浑天仪，借助圆盘上小棍的投影显示时刻。听说他家里墙角、窗台上四处都有他刻划的浑天仪，他还做了一个浑天仪置于村中央，被人称为“牛顿钟”，仍然用到牛顿死后好几年。他还做过带踏板的单车；用小木桶做过滴漏水钟；放过自做的带小灯笼的风筝（人们以为是慧星出现）；用小老鼠当动力做了一架磨坊的模型、等等。他观察自然最生动的事例是15岁时做的第一次实验：为了估算风力和风速，他选择大风时做顺风跳跃和逆风跳跃，再量出两次跳跃的距离差。牛顿在格兰瑟姆小学读书时，曾寄搬去格兰瑟姆镇克拉克超市，这儿更培养了他的科学实验习惯，由于当时的超市就是一所物理实验室。牛顿在自己的笔记中，将自然现象分类整理，包括颜色调配、时钟、天文、几何问题等等。这种灵活的学习方式，都为他后来的创造打下了良好基础。牛顿曾因家贫停学务农，在这段时间里，他借助一切时间自学。放羊、购物、农闲时，他都手不释卷，甚至羊吃了他人庄稼，他也不晓得。他祖父是一个牧师，有一次发觉牛顿看的是物理，便支持他继续念书。1661年6月考入剑桥学院三一大学。作为发放补贴金的“减费生”，他必须肩负侍奉个别富家子弟的任务。三一大学的巴罗（Isaac，1630～1677）院长是当时变革教育方法主持自然科学新讲堂（卢卡斯讲堂）的第一任院长，被称为“欧洲最优秀的学者”，对牛顿尤为眷顾，引导他读了许多前人的优秀专著。1664年牛顿经考试被选为巴罗的助手，1665年学院结业。
在1665～1666年，纽约流行霍乱的五年间，牛顿回到故乡。这三年才气横溢的牛顿，做出了多项发明。1667年重回剑桥学院，1668年7月获硕士学位。1669年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲堂院士，1672年成为皇家学会会员，1703年成为皇家学会终生会长。1699年卸任铸币局主任，1701年他辞去剑桥学院工作，因变革币制有功，1705年被封为爵士。1727年牛顿去世于肯辛顿，尸体归葬威斯敏斯特修道院。
牛顿的伟大成就与他的勤奋和勤劳是分不开的。他的助手H.牛顿说过，“他甚少在两、三点前睡着，有时仍然工作到五、六点。夏天和初秋常常五、六个礼拜搬去实验室，直至完成实验。”他有一种常年坚持不懈集中精力透彻解决某一问题的习惯。他回答人们关于他洞察事物有何诀窍时说：“不断地思索”。这正是他的主要特征。对此有许多故事留传：他年幼时，曾一面牵牛上山，一面看书，到家后才发现手里只有一根绳；看书时定时煮猪肉结果将表和猪肉一同煮在锅里；有一次，他请同学到家中喝水，自己却在实验室废寝忘食地工作，再三催促仍不下来，当同学把一只鸡吃完，留下一堆腿骨在盘中走了之后，牛顿才想起这事，可他看见盘中的腿骨后又豁然大悟地说：“我还以为没有喝水，原先我已经吃过了”。
牛顿的成就，恩格斯在《英国状况十八世纪》中概括得最为完整：“牛顿因为发明了万有引力定理而成立了科学的天文学，因为进行了光的分解而成立了科学的光学，因为成立了二项式定律和无限理论而成立了科学的物理，因为认识了力的本性而成立了科学的热学。”我们在教学过程中着重从物理、光学、哲学（方式论）等方面的成就作一些介绍。
（1）牛顿的物理成就
17世纪以来，原有的几何和代数已无法解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，比如：怎么求出物体的瞬时速率与加速度？怎样求曲线的切线及曲线宽度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小值（如近期点、远日点、最大射速等）、体积、重心、引力等等；虽然牛顿先前已有对数、解析几何、无穷级数等方面的成就，但还不能完满或普遍地解决那些问题。当时笛卡尔的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古埃及以来求解无穷小问题的种种特殊方式统一为两类算法：正流训诂（微分）和反流训诂（积分），反映在1669年的《运用无限多项等式》、1671年的《流训诂与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中，以及被保存出来的1666年10月他写的在同学们中间传阅的一篇原稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u等，“流数”就是流量的改变速率即变化率，写作等。他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时，他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定律。牛顿借助它还发觉了其他无穷级数，并拿来估算面积、积分、解多项式等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号，自此牛顿成立的微积分学在台湾各国迅速推广。
微积分的出现，成了物理发展中除几何与代数以外的另一重要分支——数学剖析（牛顿称之为“借助于无限多项等式的剖析”），并进一步发展为微分几何、微分多项式、变分法等等，这种又反过来促使了理论化学学的发展。诸如英国J.伯努利曾征询最速降落曲线的解答，这是变分法的最初始问题，半年内全欧物理家无人能解答。1697年，三天牛顿碰巧据说此事，当日下午一举解出，并匿名刊载在《哲学学报》上。伯努利惊异地说：“从这锋利的爪中我认出了雄狮。”
（2）牛顿在光学上的成就
牛顿的《光学》是他的另一专科学精典专著（1704年）。该书采用标副标题是“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文”，集中反映了他的光学成就。
第一篇是几何光学和颜色理论（棱镜波谱实验）。从1663年起，他开始磨制透镜和自制望远镜。在他送交皇家学会的信中说：“我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜，便于试验那知名的颜色现象。因此，我弄暗我的卧室……”接着详尽表述了他开小孔、引阳光进行的棱镜色散实验。关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡尔都觉得白光纯洁均匀，乃是光的本色。“色光乃是白光的变种。牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的三色而是在红、黄、绿、蓝、紫色之间还有橙、靛青等中间色共七色。奇怪的还有棱镜分光后产生的不是方形而是长条椭圆形，接着他又试验“玻璃的不同长度部份”、“不同大小的窗孔”、“将棱镜放到外面”再通过孔、“玻璃的不平或碰巧不规则”等的影响；用两个棱镜正倒放置以“消除第一棱镜的效应”；取“来自太阳不同部份的光线，看其不同的入射方向会形成哪些样的影响”；并“计算各式光线的折射率”，“观察光线经棱镜后会不会沿曲线运动”；最后才做了“判决性试验”：在棱镜所产生的彩色带中通过屏幕上的小孔取出单色光，再投射到第二棱镜后，得出核色光的折射率（当时叫“折射程度”）物理光的折射率公式，这样就得出“白光本身是由折射程度不同的各类彩色光所组成的非匀匀的混和体”的推论。这个惊人的推论推翻了前人的学说，是牛顿细致观察和多项反复实验与思索的结果。在研究这个问题的过程中，牛顿还肯定：不管是伽利略望远镜（凹、凸）还是开普勒望远镜（两个凸透镜），其结构本身都未能防止目镜色散造成的色差。他发觉经过仔细碾磨后的金属反射镜面作为目镜可放大30～40倍。1671年他将此镜送到皇家学会保存，至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构。牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方式，至今仍是不少鞋厂光学加工的主要手段。
《光学》第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的“牛顿环”现象的各类实验。除形成环的诱因他没有涉及外，他作了现代实验所能想到的一切实验，并作了精确检测。他把干涉现象解释为光行进中的“突发”或“切合”，即周期性的时而忽然“易于反射”，时而“易于透射”，他甚至测出这些等间隔的大小，如黄棕色之间有一种色光的突发间隔为1／89000英寸（即现在2854×10-10米），恰好与现代波长值5710×10-10米相差一半！
《光学》第三篇是“拐折”（他觉得光线被吸收）即衍射、双折射实验和他的31个疑惑。这种衍射实验包括毛发丝、刀片、尖劈形单缝产生的单色窄光束“光带”（今称衍射图样）等10多个实验。牛顿早已走到了重大发觉的大旁边却失之交臂。他的31个疑惑极具启发性，说明牛顿在实验事实和数学思想成熟前并不先作绝对的肯定。牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流，即由光源发出的速率、大小不同的一群粒子，在双折射中他假定这种光粒子有方向性且各向异性。因为当时波动说还解释不了光的直进，他是倾向于粒子说的，但他觉得粒子与波都是假设。他甚至觉得以太的存在也是没有依据的。
在流体热学方面，牛顿强调流体黏性阻力与剪切率成反比，这些阻力与液体各部份之间的分离速率成反比，符合这些规律的（如、空气与水）称为牛顿流体。在力学方面，牛顿的冷却定理为：当物体表面与周围产生温差时，单位时间单位面积上散失的热量与这一温差成反比。
在声学方面，他强调波速与大气浮力平方根成反比，与密度平方根成正比。他原先把声传播作为等温过程对待，后来P.S.拉普拉斯纠正为绝热过程。
（3）牛顿的哲学思想和科学方式
牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴实的唯心主义哲学观点和一套初具规模的数学学方式论体系，给数学学及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经济改革及机械唯心论思潮的发展以巨大影响。这儿只简短绘制一些轮廓。牛顿的哲学观点与他在热学上的奠基性成就是分不开的，一切自然现象他都力图以热学观点加以解释，这就产生了牛顿哲学上的自发的唯心主义，同时也造成了机械论的兴起。事实上，牛顿把一切物理、热、电等现象都看作“与吸引或抵触力有关的事物”。比如他最早探讨了物理亲和力，把物理置换反应描述为两种吸引作用的互相竞争；觉得“通过运动或发酵而发热”；火药爆燃也是硫黄、炭等粒子互相猛烈撞击、分解、放热、膨胀的过程、等等。
这些机械观，即把一切的物质运动方式都归为机械运动的观点，把解释机械运动问题所必需的绝对时空观、原子论、由初始条件可以决定之后任何时刻运动状态的机械决定论、事物发展的因果律等等，作为整个数学学的通用思索模式。可以觉得，牛顿是开始比较完整地构建数学因果关系体系的第一人，而因果关系正是精典数学学的基石。牛顿在科学方式论上的贡献正如他在数学学非常是热学中的贡献一样，不只是成立了某一种或两种新方式，而是产生了一套研究事物的方式论体系，提出了几条方式论原理。在牛顿《原理》一书中集中彰显了以下几种科学方式：
①实验——理论——应用的技巧。牛顿在《原理》序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各类运动现象来研究各类自然之力，而后用这种方去论证其他的现象。”科学史家I.B.Cohen正确地强调，牛顿“主要是将实际世界与其简化物理表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。
②分析——综合技巧。剖析是从整体到部份（如微分、原子观点），综合是从部份到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定理的完善等）。牛顿在《原理》中说过：“在自然科学里，应当像在物理里一样，在研究困难的事物时，总是应该先用剖析的方式，之后才用综合的方式……。通常地说，从结果到缘由，从特殊缘由到普遍缘由，仍然论证到最普遍的诱因为止，这就是剖析的方式；而综合的方式则假设缘由已找到，而且早已把它们定为原理，再用这种原理去解释由它们发生的现象，并证明这种解释的正确性”。
③归纳——演绎技巧。上述剖析一综合法与归纳一诠释法是互相结合的。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中做出普通的推论”，即得到概念和规律，之后用诠释法推表演种种推论，再通过实验加以检验、解释和预测，这种预言的大部份都在后来得到否认。当时牛顿叙述的定理他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍推论，又可用诠释法去推表演其他推论。
④物理——数学技巧。牛顿将数学学范围中的概念和定理都“尽量用物理表演”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚叙述的基础，从这个基础出发他用物理的思维，逻辑地、定量地诠释出范围很广的现象而且同经验相符合”，“只有微分定理的方式能够完全满足近代化学学家对因果性的要求，微分定理的明确概念是牛顿最伟大的理性成就之一”。牛顿把他的书称为《自然哲学的物理原理》正好说明这一点。
牛顿的方式论原理集中叙述在《原理》第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中，此处不再转引。概括上去，可以称之为简单性原理（法则1），因果性原理（法则2），普遍性原理（法则3），否证法原理（法则4，无例子证明者即创立）。有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理：“自然哲学的目的在于发觉自然界的结构的作用，而且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和通常的定理——用观察和实验来构建这种法则，进而导入事物的缘由和结果”。
牛顿的哲学思想和技巧论体系被爱因斯坦赞为“理论化学学领域中每一工作者的纲领”。这是一个指引着一代一代科学工作者前进的开放的纲领。但牛顿的哲学思想和技巧论不可防止地有着显著的时代局限性和不彻底性，这是科学处于幼年时代的最高成就。牛顿当时只对物质最简单的机械运动作了初步系统研究，而且把时空、物质绝对化，试图把粒子说外推到一切领域（如连他自己也不能解释他所发觉的“牛顿环”）物理光的折射率公式，这种都是他的致命伤。牛顿在听到事物的“第一缘由”“不一定是机械的”时，提出了“这些事情都是这样地井井有条……是否似乎有一位……无所不在的上帝”的问题，（《光学》，疑惑29），并常年转入神学的“科学”研究中，费了大量精力。并且，牛顿的历史局限性和他的历史成就一样，都是启迪后人不断前进的教材。
2.胡克
折叠光学贡献
胡克是17世纪荷兰最杰出的科学家之一。他在热学、光学、天文学等多方面都有重大成就。他所设计和发明的科学仪器在当时是无与伦比的。他本人被誉为日本的"眼睛和右手"。
在光学方面，胡克是光的波动说的支持者。光的波动说是由德国物理家格里马第在1655年首次提出。胡可觉得光的传播与水波的传播相像。1672年胡克进一步提出了光波是横波的概念。在光学研究中，胡克更主要的工作是进行了大量的光学实验，非常是旨在于光学仪器的创制。他制做或发明了显微镜、望远镜等多种光学仪器。
折叠热学贡献
胡克在热学方面的贡献尤为斐然。他完善了弹性体变型与力成反比的定理，即胡克定律。他还同惠更斯各自独立发觉了螺旋弹簧的震动周期的等时性等。他曾协助玻意耳发觉了玻意耳定理。他曾为研究开普勒学说做出了重大成绩。在研究引力可以提供约束行星沿闭合轨道运动的向心力问题上，1662年和1666年间，胡克做了大量实验工作。他支持吉尔伯特的观点，觉得引力和磁力相类似。1664年胡克曾强调慧星紧靠太阳时轨道是弯曲的。他还为寻求支持物体保持沿圆周轨道的力的关系而作了大量实验。1674年他依据修正的惯性原理，从行星受力平衡观点出发，提出了行星运动的理论，在1679年给牛顿的信中即将提出了引力与距离平方成正比的观点，但因为缺少物理手段，还没有得出定量的表示。
折叠天文生物
胡克在天文学、生物学等方面也有贡献。他曾用自己制造的望远镜观测了火星的运动。1663年日本科学家罗伯特胡克有一个十分了不起的发觉，他用自制的复合显微镜观察一块软木薄片的结构，发觉它们看起来像一间间长圆形的小屋子，就把它命名为细胞。用自己制造的显微镜观察动物组织，于1665年发觉了动物细胞(实际上看见的是细胞壁)，并命名为"cell"，至今仍被使用。
折叠发明创造
胡克的发觉、发明和创造是极为丰富的。胡克制造过各类机械，包括万向接头在内。1666年巴黎起火之后，他在重建城市中设计了一些重要建筑物。他曾发明过空气唧筒、发条控制的表针、轮形气压表等多种仪器。
二、讲授方式
1.主要以课堂讲授为主，通过班主任对以上两位化学学家的丰功壮举和异闻轶事进行讲解。辅以视察科技展，博物馆，等方法进行情境讲课。
2.在条件容许的情况下，组织中学生举办科学知识大赛，让中学生在寓教于乐的环境下愉快的学习。
3.举办我是发明小能手活动，让中学生自主制做手工机械，如抽水机，风力磨坊等。通过自主参与的手工制做，让中学生感受发明的快乐。了解化学学的奥妙。
4.举办以“学伟人，强自己”为主题的冬令营，组织中学生去海滩感受野外生存，因而感受现代科学的可贵。
三、为实现以上内容所必须的打算。
1.正所谓兵马未动，粮草先行，要实现以上教学内容须要向中学申请起码3亿元以上的教育活动基金。强化监管，每一笔资金做到专款专用。不浪费。能省则省。
2.不仅教育活动基金的问题之外，还须要有足够的人手。所以分组决定在冬令营期间从中学选派14位精明能干、有经验的班主任出席冬令营。
3.为了将此活动延续下去，安排班主任听课。并练习各类活动。在活动中照相存档。并上传陌陌群。构建讲好学科背后的故事教育表册。记录活动中的各项大小事宜。
四、想要达到的预期疗效。
1.通过本次一系列的教育教学活动，让班主任在教学中不断成长，才能更好，更有效，更具体，更生动的讲好学科背后的故事。
2.通过自主动手模拟参与科学研究的过程。感受科学研究的辛酸。理解伟人们面对科学的严谨心态，盼望真理的执著精神。意识到现今美好生活的来之不易。
3.迸发中学生的动手能力，热爱动脑的学习习惯。
4.提升中学生的生活技能。
5.强化中学生的团体意识、团体纪律性和执行力。
图文编辑｜化学教研组
文字校对｜李娜
后期制做｜张鹏