侯新杰+陳留定+趙紅枝+李小丹

摘 要：利用物理學(xué)史進行科學(xué)本質(zhì)顯性化教學(xué)的策略可以從設(shè)置顯性的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)、設(shè)置引導(dǎo)性的科學(xué)本質(zhì)問題和利用科學(xué)寫作促進學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)三個方面進行.

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；科學(xué)本質(zhì)教學(xué)；策略

物理學(xué)史是人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識史，是人類思想寶庫中一筆十分寶貴而豐富的精神財富，也是科學(xué)本質(zhì)教育的重要資源.重視物理學(xué)史教育，把物理學(xué)的思想觀念、典型事例、發(fā)展過程融入物理教學(xué)之中，是科學(xué)本質(zhì)顯性化教學(xué)的重要途徑.

一、科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

（一） 科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)本質(zhì)闡明了科學(xué)所具有的基本特征，是人們對科學(xué)內(nèi)涵的正確認(rèn)識.美國科學(xué)教育學(xué)家萊德曼認(rèn)為科學(xué)是認(rèn)識世界的一種方法或是科學(xué)知識發(fā)展中固有的價值觀和觀念.他認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵主要包括：科學(xué)知識具有暫時性、科學(xué)知識是基于經(jīng)驗的、科學(xué)具有主觀性、科學(xué)具有創(chuàng)造性、科學(xué)受社會與文化影響、科學(xué)基于觀察與推測和觀察是受理論限制的[1].

目前，國際科學(xué)哲學(xué)界對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的認(rèn)識基本上達成了共識，科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵包括三個方面：（1） 科學(xué)知識的本質(zhì)，包括科學(xué)知識的認(rèn)識性、暫時性、重復(fù)性、累積性、局限性和公開性；（2）科學(xué)探究的本質(zhì)，包括科學(xué)探究的實證性、非固定性、非權(quán)威性、非絕對客觀性、創(chuàng)造性和預(yù)見性；（3）科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)，包括科學(xué)與技術(shù)社會的關(guān)系、科學(xué)道德和科學(xué)家的身份[2].

（二）科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

分析已有研究成果，科學(xué)本質(zhì)教學(xué)實踐主要有兩種方式：一是隱性途徑，是指以科學(xué)過程技能的教學(xué)、科學(xué)探究的教學(xué)等來促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的了解，以間接的方式讓學(xué)生體會科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵；二是顯性途徑，以科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)以及與科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的各個方面相一致的教學(xué)來促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識.通過課堂討論、反思有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的問題，以達到科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)目標(biāo).采用的教學(xué)策略屬于隱性途徑還是顯性途徑，與所教的內(nèi)容并沒有一一對應(yīng)的關(guān)系.融入了科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)的教學(xué)，如果沒有明確指出科學(xué)本質(zhì)的問題，仍然屬于隱性途徑.

Abd-El-Khalick和Lederman認(rèn)為對科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)應(yīng)該是顯性的、善于反思的，而不是隱性的做中學(xué).學(xué)生很難在探究活動中理解科學(xué)本質(zhì)，教師必須采用特殊的方法幫助學(xué)生反思他們的活動，這是學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的最好方法[3]. 研究表明利用科學(xué)史來進行科學(xué)本質(zhì)顯性化教學(xué)是行之有效的[4].

二、物理學(xué)史對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的體現(xiàn)

物理學(xué)史包含了科學(xué)知識、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè)的所有要素，是進行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的絕佳素材.下面從科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的三個維度分析物理學(xué)史對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的體現(xiàn).

（一）對科學(xué)知識本質(zhì)的體現(xiàn)

大量的物理學(xué)史表明：科學(xué)知識是對自然現(xiàn)象的描述與解釋，具有認(rèn)識性；任何科學(xué)理論的形成，都需要其他科學(xué)家的認(rèn)同；科學(xué)知識不是絕對的真理，具有暫時性和發(fā)展性；科學(xué)知識的形成是一個不斷積累的過程；不管一種科學(xué)理論對一系列現(xiàn)象解釋得多么完美，總可能有其他理論比它解釋得更好，甚至比它的使用范圍更廣；科學(xué)知識可以被重復(fù)地驗證.

如“人類對行星運動規(guī)律的認(rèn)識史”中所蘊含的科學(xué)知識本質(zhì)，主要包括：（1）人類最初對行星運動的研究是為了解釋日月星辰等天文現(xiàn)象，體現(xiàn)了科學(xué)知識的認(rèn)識性.（2）托勒密的地心說最終被日心說所取代，體現(xiàn)了科學(xué)知識具有暫時性.（3）經(jīng)過第谷、開普勒、伽利略等人的不懈努力，日心說最終被接受，說明科學(xué)知識的形成需要多數(shù)人的努力和長時間的積累，體現(xiàn)了科學(xué)知識的累積性.（4）開普勒發(fā)現(xiàn)并公開發(fā)表行星運動的三個定律（即開普勒行星運動定律），體現(xiàn)了科學(xué)知識的公開性.（5）牛頓運動定律和萬有引力定律只在宏觀、低速、弱引力的條件下適用，科學(xué)知識具有局限性.

（二）對科學(xué)探究本質(zhì)的體現(xiàn)

物理學(xué)史研究的是物理學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的規(guī)律、物理學(xué)概念和思想的發(fā)展與變革.科學(xué)家的研究過程或某一課題的發(fā)展史表明：科學(xué)家用同樣的方法各自觀察同一自然現(xiàn)象，也可能得出不同的結(jié)論；進行研究時，科學(xué)家可能會采用不同的研究方法來解決問題；科學(xué)家在進行實驗前常會預(yù)測結(jié)果；科學(xué)家的觀察會受他的生活經(jīng)驗和知識所影響；科學(xué)知識的產(chǎn)生和發(fā)展離不開人類的想象和創(chuàng)造.

由“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”提出的歷史可知：盧瑟福經(jīng)過數(shù)學(xué)推算，證明了只有假設(shè)正電球的直徑小于原子作用球的直徑、α粒子穿越單個原子時，才有可能產(chǎn)生大角度散射.他從理論上探討產(chǎn)生α粒子大角度偏折的簡單原子模型，然后將理論推出的結(jié)果與馬斯登和蓋革的實驗數(shù)據(jù)進行比較.馬斯登和蓋革進一步對α粒子散射實驗進行改進（改變實驗材料、靶箔厚度等），得到的數(shù)據(jù)與盧瑟福的理論分析相一致，肯定了盧瑟福的理論[5].原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出體現(xiàn)了科學(xué)探究的實證性和科學(xué)探究方法的多元性.

（三）對科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的體現(xiàn)

物理學(xué)的發(fā)展史還告訴我們：科學(xué)是一項復(fù)雜的社會活動，科學(xué)的研究方向受技術(shù)、社會價值等因素的影響.科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)與社會相互促進又相互制約；科學(xué)研究中也有普遍接受的道德規(guī)范.準(zhǔn)確記錄實驗數(shù)據(jù)、及時公開新的發(fā)現(xiàn)等是大多數(shù)科學(xué)家所應(yīng)遵守的職業(yè)道德.另外，科學(xué)實驗中活體實驗物的使用和處理、科學(xué)研究是應(yīng)用于軍事還是其他對人類造成潛在危險的目的等都是敏感的道德問題；科學(xué)家既是專家也是公民，他們能幫助人們理解一些事情發(fā)生的可能性或原因.當(dāng)個人利益、團體利益或社會利益受到威脅時，科學(xué)家們也會產(chǎn)生偏見.

如天文學(xué)上的一切發(fā)現(xiàn)和研究成果，離不開望遠鏡及其后端接收設(shè)備.1609年伽利略制成了第一架天文望遠鏡，并用它發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，證明地球不是所有天體運動的中心，為哥白尼的日心說提供了有力的證據(jù).為了深入了解星體運動的規(guī)律，人們對望遠鏡不斷改進，獲得了許多重要的天文發(fā)現(xiàn).20世紀(jì)40年代，射電望遠鏡成功沖破了銀河系內(nèi)星云塵埃等屏障，把天文學(xué)家的目光帶向了河外星系.20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)（類星體、脈沖星、宇宙微波背景輻射、星際有機分子）都與射電望遠鏡有關(guān).天文學(xué)的發(fā)展和望遠鏡的不斷改進很好地體現(xiàn)了科學(xué)與技術(shù)的相互關(guān)系.科學(xué)可以啟發(fā)我們提出新的想法，對事物產(chǎn)生新的認(rèn)識，進而導(dǎo)致新技術(shù)的產(chǎn)生.技術(shù)的進步為科學(xué)發(fā)展提供更好的手段和條件，促進科學(xué)的發(fā)展.科學(xué)和技術(shù)相互依存、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化.

廣島原子彈事件以后，羅素和愛因斯坦發(fā)表了《羅素—愛因斯坦宣言》，宣言對核武器帶來的危害深表憂慮，并呼吁世界各國領(lǐng)導(dǎo)人通過和平方式解決國際沖突.這份宣言獲得約里奧·居里、馬克思·玻恩等11位著名科學(xué)家的簽名，其中有10位是諾貝爾獎獲得者.1958年1月13日，世界上43個國家的9000名科學(xué)家致信聯(lián)合國秘書長，要求立即簽訂一項停止核試驗的國際協(xié)議.核武器的使用是社會各界一直關(guān)注的敏感的道德問題.面對核武器給人類和社會帶來的各種危險，科學(xué)家們團結(jié)起來，通過科學(xué)分析和理性探討，積極影響大眾媒體、國際科學(xué)共同體和政府決策者，體現(xiàn)了科學(xué)家在參與公共事務(wù)時，既是專家又是公民.

三、利用物理學(xué)史進行科學(xué)本質(zhì)顯性化教學(xué)的策略

（一）設(shè)置顯性的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)

設(shè)置顯性的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)，即在教學(xué)目標(biāo)中明確表示出要求學(xué)生掌握的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵.我國高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，除了科學(xué)、技術(shù)與社會這一科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵外，其他科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵均未顯性呈現(xiàn).在目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)及實施建議中，也未顯性表述科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo).因此，設(shè)置顯性的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)是開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的前提.

以人教版高中物理教材必修一第四章第一節(jié)“牛頓第一定律”為例說明科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計.本節(jié)課主要涉及的物理學(xué)史包括：（1）亞里士多德、伽利略所處的社會、政治背景.亞里士多德是奴隸制的擁護者，在16世紀(jì)以前，他的運動理論處于統(tǒng)治地位.他對于力和運動的描述，是在他的運動理論下，通過直覺思考和形式邏輯得到的.伽利略處于文藝復(fù)興之后思想大解放時期，文藝復(fù)興打破了束縛人們思想的桎梏，激發(fā)了人們的探索欲望.（2）伽利略的理想實驗.伽利略認(rèn)為若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h運動下去，并設(shè)計斜面實驗說明自己的思想.伽利略對慣性定律的描述是建立在觀察和想象的基礎(chǔ)上的.（3）伽利略、笛卡爾、牛頓對力和運動關(guān)系的認(rèn)識.從科學(xué)的發(fā)展史上來看，伽利略、笛卡爾都對力和運動的關(guān)系提出了自己的觀點，他們精確描述了物體不受力時的運動，卻未能揭示力與運動的關(guān)系.牛頓在伽利略和笛卡爾工作的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確揭示了這一關(guān)系.

根據(jù)以上分析，本節(jié)課的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)可以設(shè)置為：（1）了解科學(xué)家所處的社會環(huán)境與文化背景會影響科學(xué)家的想法；（2）了解科學(xué)知識的產(chǎn)生依賴于觀察和實驗，但也離不開人類的想象和創(chuàng)造；（3）了解科學(xué)知識的累積性.

（二）設(shè)置引導(dǎo)性的科學(xué)本質(zhì)問題

科學(xué)本質(zhì)問題是指教師結(jié)合呈現(xiàn)給學(xué)生的物理學(xué)史，并根據(jù)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)所設(shè)計的問題，目的在于引導(dǎo)學(xué)生挖掘相關(guān)史料中所蘊含的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵.在交流討論的過程中，促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的理解.有效的科學(xué)本質(zhì)問題，是實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的關(guān)鍵.

如人教版高中物理教材必修一第二章第六節(jié)“伽利略對自由落體運動的研究”的教學(xué)中，為了使學(xué)生理解社會環(huán)境、科學(xué)家的文化背景會影響科學(xué)家的想法和科學(xué)知識的公開性，可以設(shè)置以下問題：（1）為什么亞里士多德和伽利略會對相同的生活現(xiàn)象，提出完全不同的解釋，得到完全不同的結(jié)論？（2）如果你是伽利略，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)了新的結(jié)論的時候，你會怎么辦？當(dāng)別人對你的新發(fā)現(xiàn)不屑一顧，并批評你膽大妄為的時候，你該如何面對別人的批評？筆者在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)：如果直接向?qū)W生提問“亞里士多德為什么會得出錯誤的觀點”，學(xué)生難以從科學(xué)家的文化背景和政治環(huán)境方面進行思考.

又如人教版高中物理教材選修3-4第十四章第一節(jié)“電磁波的發(fā)現(xiàn)”的教學(xué)中，為了使學(xué)生理解科學(xué)探究的預(yù)見性和實證性以及科學(xué)、技術(shù)與社會的關(guān)系，科學(xué)本質(zhì)問題設(shè)置如下：（1）麥克斯韋如何建立“電磁場理論”預(yù)言了電磁波的存在？（2）赫茲如何驗證電磁波的存在？（3）你知道電磁波的發(fā)現(xiàn)給人類生活帶來了哪些變化？生活中該如何預(yù)防“電磁輻射的危害”？

（三）利用科學(xué)寫作促進學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)

日本人宮川松男在《技術(shù)人員的文章作法》一書中寫道：寫作可以提高專業(yè)知識水平、培養(yǎng)創(chuàng)造能力、使自己的想法系統(tǒng)化、獲得整理能力等.科學(xué)寫作在科學(xué)教學(xué)中具有內(nèi)省與交流的作用，不僅能幫助學(xué)生梳理科學(xué)的研究過程，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力、合作能力、探究能力、動手能力和寫作創(chuàng)新能力等，還能促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，培養(yǎng)學(xué)生反省思考的習(xí)慣.科學(xué)寫作主要可以分為以下三類：（1）研究并闡述科學(xué)家個人及其對科學(xué)發(fā)展的貢獻；（2）關(guān)于某一課題的發(fā)展史，如研究人類測量太陽和地球之間距離的發(fā)展史等；（3）對某一歷史事件發(fā)表評價，如研究惠更斯和牛頓對光的本性的爭論，比較誰的模型能更好地解釋光的反射和折射現(xiàn)象等.

如人教版高中物理教材必修一第四章第一節(jié)“牛頓第一定律”的教學(xué)過程中，主要涉及牛頓第一定律概念的發(fā)展過程、伽利略的研究過程和方法、牛頓等人的研究及對后續(xù)的影響和發(fā)展.因此，本節(jié)課的科學(xué)寫作可以設(shè)置為：（1）研究伽利略理想實驗的提出背景，并說明理想實驗在解釋伽利略觀點中的作用；（2）研究牛頓對物理學(xué)的貢獻，有人說他的三個定律是他一生中最偉大的成就，你怎么看；（3）研究亞里士多德的觀點和伽利略的觀點，分析產(chǎn)生差異的原因.教師可以根據(jù)課堂教學(xué)情況，選擇其一，讓學(xué)生進行寫作.

四、總結(jié)

利用物理學(xué)史進行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)，要求教師具有較高的科學(xué)素養(yǎng)，并適時關(guān)注學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀的變化情況.教師可以利用課堂觀察法、訪談法、文本分析法（分析學(xué)生的科學(xué)寫作）等對學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀進行簡單的了解.然后在對學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀了解的基礎(chǔ)上，選擇物理學(xué)史，設(shè)置科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo).科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)不是一蹴而就的，是一個循序漸進長期熏陶的過程.在平時的教學(xué)工作中，教師不僅要重視對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，還要注重自身科學(xué)素養(yǎng)的提高，以身作則影響學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀，使學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀得到全面發(fā)展.

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