陳 彬 管小慶

(江蘇省錫山高級(jí)中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214174)

1 問(wèn)題的提出

科學(xué)本質(zhì)觀是人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)．而科學(xué)教育的重要目標(biāo)之一就是要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí),讓學(xué)生擁有自己的科學(xué)本質(zhì)觀．科學(xué)本質(zhì)包括3個(gè)主要部分:第一是科學(xué)世界觀,世界是可以理解的,科學(xué)知識(shí)是有用的,但科學(xué)不能為所有問(wèn)題提供圓滿的答案;第二是科學(xué)探究,科學(xué)要求證據(jù),科學(xué)是邏輯和想象力的結(jié)合,科學(xué)拒絕權(quán)威,同時(shí)科學(xué)家試圖避免偏見(jiàn);第三是科學(xué)事業(yè),科學(xué)是一種復(fù)雜的社會(huì)活動(dòng),科學(xué)家在科學(xué)研究過(guò)程中遵循普遍的準(zhǔn)則,然而科學(xué)家在參與公共事務(wù)時(shí)既是專家也是公民．2017年提出的高中物理核心素養(yǎng)中,明確物理核心素養(yǎng)分為“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這4個(gè)方面．其中“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”中明確提出:“在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感．“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素．”可見(jiàn)科學(xué)本質(zhì)觀對(duì)于學(xué)生的重要性也日益顯著．雖然培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的觀念已經(jīng)逐步滲透在教師心中,但是迫于升學(xué)的壓力,現(xiàn)階段的物理教學(xué)依然很難有較大的改觀．許多公式、定理的教學(xué)依然是“去背景化”的,而許多結(jié)論的介紹依然是開(kāi)門(mén)見(jiàn)山,省去中間許多的假設(shè)、歸納、實(shí)驗(yàn),從而讓學(xué)生有一種物理乃至科學(xué)是確定的、絕對(duì)的錯(cuò)覺(jué),不利于學(xué)生培養(yǎng)全面的科學(xué)本質(zhì)觀．

2 科學(xué)本質(zhì)觀的發(fā)展及滲透科學(xué)本質(zhì)觀的物理教學(xué)

關(guān)于科學(xué)本質(zhì)觀的演變,一般可以分為兩種:傳統(tǒng)的科學(xué)本質(zhì)觀和現(xiàn)代的科學(xué)本質(zhì)觀．傳統(tǒng)的科學(xué)哲學(xué)認(rèn)為:科學(xué)是用仔細(xì)的觀察、實(shí)驗(yàn)收集的事實(shí)和運(yùn)用某種邏輯程序從這些事實(shí)中推導(dǎo)出的定律和理論．它強(qiáng)調(diào),知識(shí)是經(jīng)過(guò)實(shí)證檢驗(yàn)過(guò)的,具有永恒性.自近代以來(lái),傳統(tǒng)的科學(xué)本質(zhì)觀,在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi),成為一個(gè)普遍流行的觀點(diǎn)．而我們中學(xué)所教授的物理知識(shí)和定律,大多產(chǎn)生于這一時(shí)期,這也無(wú)疑給現(xiàn)代的學(xué)生以傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀的熏陶和教育,學(xué)生也在潛移默化中接受了這種我們所學(xué)的知識(shí)是絕對(duì)的,永恒的觀點(diǎn)．而現(xiàn)代的科學(xué)本質(zhì)觀則強(qiáng)調(diào)通過(guò)歸納和證實(shí)等方式獲得的科學(xué)知識(shí)并不是絕對(duì)正確的,是可錯(cuò)的,科學(xué)知識(shí)只能被證偽．當(dāng)今的科學(xué)本質(zhì)觀主流是建構(gòu)主義的科學(xué)本質(zhì)觀．該觀點(diǎn)認(rèn)為,科學(xué)知識(shí)的獲得是科學(xué)家根據(jù)原來(lái)的知識(shí)、現(xiàn)有的理論來(lái)建構(gòu)科學(xué)知識(shí),它強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)的暫時(shí)性、主觀性、建構(gòu)性,科學(xué)知識(shí)會(huì)被不斷地推翻和修正．現(xiàn)代的科學(xué)本質(zhì)觀對(duì)于中學(xué)生來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是顛覆性的,因?yàn)樗穸丝茖W(xué)知識(shí)的客觀性,強(qiáng)調(diào)知識(shí)是依靠原有知識(shí)的建構(gòu),是可以不斷被否定和修正的．而對(duì)于長(zhǎng)期處于邏輯實(shí)證主義觀點(diǎn)教育下的學(xué)生來(lái)說(shuō),這使得他們很難理解此等本質(zhì)觀．而處于物理學(xué)科前沿的理論、乃至高校物理的教學(xué)和科研,建構(gòu)主義本質(zhì)觀更加合適,因?yàn)楝F(xiàn)代物理更強(qiáng)調(diào)的是提出嘗試性的、探索性的理論假設(shè).這些假設(shè)是描述世界可能是什么樣的,而不是描述世界是什么樣的．科學(xué)家只能夠提出假設(shè),來(lái)盡可能地去接近這個(gè)世界,而不可能完全符合．筆者認(rèn)為,這兩種派系的科學(xué)本質(zhì)觀各代表著一類時(shí)期的人對(duì)科學(xué)的根本認(rèn)知．17世紀(jì)至19世紀(jì)是經(jīng)典物理學(xué)的盛世,那時(shí)的物理體系還是牛頓力學(xué)體系以及麥克斯韋的電磁學(xué)理論體系．那時(shí)的科學(xué)還是依靠經(jīng)驗(yàn)、觀察、實(shí)驗(yàn),最后理論被證實(shí),這些知識(shí)就成為了永恒的絕對(duì)的“真理”．而現(xiàn)代的物理學(xué)則強(qiáng)調(diào)對(duì)基礎(chǔ)物理的高度概括性描述以及尖端物理技術(shù)的運(yùn)用．

而對(duì)于處于中學(xué)階段的學(xué)生來(lái)說(shuō),他們?cè)诔踔须A段學(xué)習(xí)的依然是經(jīng)典物理學(xué),已經(jīng)是固定的、經(jīng)歷了時(shí)間和現(xiàn)實(shí)的考驗(yàn)的,也就是傳統(tǒng)的科學(xué)本質(zhì)觀所認(rèn)為的絕對(duì)的,永恒的．所以對(duì)于中學(xué)生來(lái)說(shuō),他們長(zhǎng)時(shí)間接觸的經(jīng)典物理體系使得他們對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀會(huì)有著片面的了解,不利于學(xué)生正確的科學(xué)本質(zhì)觀的形成,對(duì)科學(xué)假設(shè)和理論表現(xiàn)出盲從而輕信的態(tài)度．同時(shí)固定的知識(shí)體系也會(huì)壓抑學(xué)生的好奇心與求知欲,更不利于培養(yǎng)學(xué)生探究和創(chuàng)新能力．

因此,為了培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)主義科學(xué)本質(zhì)觀,使得學(xué)生能夠?qū)茖W(xué)有著更為全面的了解,彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理教學(xué)過(guò)于強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀的弊端,在平時(shí)教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)觀的教育勢(shì)在必行．通過(guò)生動(dòng)有趣的課堂,不僅可以使學(xué)生從學(xué)習(xí)物理學(xué)伊始就對(duì)物理學(xué)本質(zhì)有著一定的認(rèn)識(shí),更能激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的興趣,更好地幫助學(xué)生銜接經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理,接觸物理前沿,跟上科技前進(jìn)的步伐,能夠應(yīng)對(duì)這個(gè)日益科技化的世界,正確理解新科學(xué)知識(shí)和產(chǎn)品，合理看待科學(xué)家以及科學(xué)事業(yè),為高校的物理教育做鋪墊,從而為高校輸更多的物理人才．

3 滲透科學(xué)本質(zhì)觀的物理教學(xué)初探

3.1 滲透科學(xué)本質(zhì)觀的物理教學(xué)策略

提升學(xué)生科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略一般可歸納為內(nèi)隱和外顯兩大途徑.[1]前者主要是在不明確科學(xué)本質(zhì)的前提下,在課堂教學(xué)中通過(guò)一些物理學(xué)史、人物軼事、實(shí)驗(yàn)探究等方式,讓學(xué)生置身其中,對(duì)科學(xué)本質(zhì)有一定的了解和體會(huì);后者需指出科學(xué)本質(zhì)的成分,從而使學(xué)生有目的地對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀有一定的了解．在具體的物理教學(xué)時(shí),兩種教學(xué)策略一般穿插使用．例如:在進(jìn)行校本課程教學(xué)時(shí),可以多運(yùn)用外顯的教學(xué)策略;在進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí),可運(yùn)用內(nèi)隱策略;又例如:講解概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),為了突出教學(xué)重點(diǎn),可運(yùn)用內(nèi)隱策略;進(jìn)行物理學(xué)史、知識(shí)介紹等文科性質(zhì)的教學(xué)時(shí),可以多運(yùn)用外顯策略．本文所展示的教學(xué)案例采用的是內(nèi)隱策略．

3.2 滲透科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)案例——以“能量守恒定律和能源”為例

課堂實(shí)錄:

(1) 展示圖片模型,激發(fā)學(xué)生興趣.

圖1 “懸空茶壺”噴泉

師:同學(xué)們,這是我在網(wǎng)上找到的一張圖片(圖1),請(qǐng)大家聯(lián)系自己的生活經(jīng)驗(yàn)思考,這張圖片是真的嗎?請(qǐng)說(shuō)明自己的理由．

生:這不可能．沒(méi)有水進(jìn)入,就有水流出,水憑空產(chǎn)生了,這違反了守恒定律.

師:那大家再看我手里的這個(gè)飲水鳥(niǎo)(圖2),觀察一下,請(qǐng)問(wèn)這個(gè)小鳥(niǎo)的工作原理是什么呢?

生:這里面應(yīng)該裝有電池吧!電池輸出能量,才能讓小鳥(niǎo)動(dòng)起來(lái).

(2) 引入能量概念,探究能量的轉(zhuǎn)化.

圖2 “飲水鳥(niǎo)”裝置

師:你剛剛提到了能量,其實(shí)我們生活當(dāng)中能量無(wú)處不在,你能用自己的語(yǔ)言談一談什么叫能量嗎?

生1:就是能源!

生2:就是動(dòng)力

……

師:大家的定義不是很準(zhǔn)確,我們了解能量,但很難給能量下一個(gè)定義．能量表示物理系統(tǒng)做功的本領(lǐng),是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的量度．能量的種類有很多種,常見(jiàn)的有機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、輻射能、核能、光能等等．那這些能量之間有聯(lián)系嗎?請(qǐng)大家分組討論以下情況,并指出里面涉及到哪幾種能量的轉(zhuǎn)化．

圖3

師:圖3中是大家平時(shí)最常見(jiàn)的水果,那么植物的生長(zhǎng)需要光合作用,請(qǐng)問(wèn)在光合作用時(shí),能量是如何轉(zhuǎn)換的?

生:光合作用是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能.

圖4

師:圖4是水力發(fā)電站,水力發(fā)電利用河流、湖泊等位于高處具有能量的水流至低處,利用水力(具有水頭)推動(dòng)水力機(jī)械(水輪機(jī))轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)的水輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī),從而產(chǎn)生電能．

生:重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,最后轉(zhuǎn)化為電能．

師:這兩個(gè)例子說(shuō)明不同能量之間有什么聯(lián)系?

生:不同能量在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化．

(3) 引入物理史實(shí),滲透科學(xué)本質(zhì).

師:那既然能量之間可以相互轉(zhuǎn)化,我們是否可以做出一種源源不斷對(duì)外做功而不消耗外界能量的機(jī)器呢?這種想法最早起源于印度, 后來(lái)通過(guò)伊斯蘭教傳到了西方．從13世紀(jì)開(kāi)始,就不停地有學(xué)者提出永動(dòng)機(jī)的模型(圖5),其中不乏像達(dá)芬奇一類的大家,但是,無(wú)一例外,他們?cè)O(shè)計(jì)的永動(dòng)機(jī),無(wú)論在方案上多么完美無(wú)缺,一到實(shí)際應(yīng)用,就立馬問(wèn)題百出．最后,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),永動(dòng)機(jī)是不可能存在的．接下來(lái)給大家看一個(gè)模型(圖6),請(qǐng)問(wèn)這樣可以實(shí)現(xiàn)永動(dòng)嗎?如果不可以,為什么呢?

圖5

圖6

生:不可以永動(dòng)．因?yàn)閺恼w的受力情況來(lái)看整體受力平衡,沒(méi)有外力驅(qū)動(dòng)他們前行.

師:非常好．17世紀(jì)和18世紀(jì)時(shí)期,人們熱衷于制作永動(dòng)機(jī),宮廷里聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發(fā)明來(lái)掙錢(qián)的方案設(shè)計(jì)師．有學(xué)識(shí)的和無(wú)學(xué)識(shí)的人都相信永動(dòng)機(jī)是可能的．而現(xiàn)在的科學(xué)早已證明永動(dòng)機(jī)是不可能存在的．

師:從這個(gè)故事我們可以發(fā)現(xiàn),科學(xué)的規(guī)律并不是一成不變的,再多人相信的“事實(shí)”,也會(huì)隨著時(shí)代的進(jìn)步而改變．即使是被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的結(jié)論,也可能因?yàn)榭茖W(xué)的進(jìn)步被證明只能在某一領(lǐng)域成立．科學(xué)是變化的,是不斷修正過(guò)的產(chǎn)物,所以我們既不能迷信權(quán)威,也不能對(duì)事實(shí)存有偏見(jiàn)．

(4) 揭示能量守恒定律,引發(fā)學(xué)生思考科學(xué)與社會(huì)的聯(lián)系.

師:既然能量可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化,那么轉(zhuǎn)化的過(guò)程中它們的總和是否會(huì)發(fā)生變化呢?請(qǐng)學(xué)生們大膽猜想一下!

生:不變!

師:很好!能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體,而能量的總量保持不變．能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一．早在19世紀(jì)中期,德國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家J·邁爾在一次觀察病人血液的偶然機(jī)會(huì)中,想到了能量守恒,并從理論的層面,配合一定的實(shí)驗(yàn),于1842年表述了能量守恒定律,成為了能量守恒定律提出的第一人!在此之后,英國(guó)物理學(xué)家J·焦耳做了大量實(shí)驗(yàn),用各種不同方法求熱功當(dāng)量,所得的結(jié)果都是一致的．1847年德意志科學(xué)家H·亥姆霍茲對(duì)能量守恒定律進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述……

師:我們發(fā)現(xiàn),一個(gè)科學(xué)定律的得出并不是完全靠某位科學(xué)家一時(shí)心血來(lái)潮而得到的,它的背后更多的是嚴(yán)格的推導(dǎo),精確的實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)和假設(shè)的契合…科學(xué)是建立在嚴(yán)密的邏輯體系和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的,我們往往會(huì)過(guò)于在乎發(fā)現(xiàn)的偶然性,而忽略了科學(xué)的本質(zhì)與它建立的過(guò)程．

師:請(qǐng)同學(xué)們?cè)俅伍喿x教科書(shū)第81頁(yè)右上角的介紹(表1),不知道同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了沒(méi)有,科學(xué)家大范圍地關(guān)注到能量的相互轉(zhuǎn)化是從19世紀(jì)開(kāi)始的;發(fā)現(xiàn)能量守恒集中在19世紀(jì)40年代,請(qǐng)問(wèn)這是巧合還是必然呢?

表1 科學(xué)家關(guān)注的自然界現(xiàn)象之間的聯(lián)系

生1:我猜是巧合.

生2:我猜是必然．

師:我想提醒一下大家,19世紀(jì)往前推半世紀(jì),在全球范圍內(nèi)發(fā)生了一件怎樣的大事?

生1:第一次工業(yè)革命!

師:第一次工業(yè)革命的標(biāo)志是什么?

生2:蒸汽機(jī)作為動(dòng)力機(jī)被廣泛使用!

師:很好,那請(qǐng)問(wèn)你們能知道二者之間的聯(lián)系了嗎?

生:因?yàn)榈谝淮喂I(yè)革命,社會(huì)的發(fā)展導(dǎo)致蒸汽機(jī)的使用,從而促進(jìn)了科學(xué)家對(duì)能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí),所以能量守恒定律集中在這一個(gè)階段被發(fā)現(xiàn)了!

師:對(duì)!由這一段史實(shí)我們可以看到,自然科學(xué)的發(fā)展并不是孤立的,科學(xué)家也不是孤立存在的個(gè)體,他們會(huì)受到社會(huì)環(huán)境的影響,他們的認(rèn)識(shí)會(huì)受制于社會(huì)的發(fā)展水平;同樣,科學(xué)的發(fā)展也會(huì)受制于社會(huì)的物質(zhì)發(fā)展水平,只有社會(huì)發(fā)展到一定的水準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備才能同等級(jí)地提升,物理規(guī)律才能被進(jìn)一步揭示．我們常說(shuō),科技的進(jìn)步能夠促進(jìn)社會(huì)發(fā)展,有些同學(xué)以為,科技能夠決定社會(huì),能夠決定生產(chǎn)力,其實(shí)不然:社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步?jīng)Q定了科技的發(fā)展,科技的發(fā)展反過(guò)來(lái)再促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步,這就是我們哲學(xué)中所說(shuō)的:“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑”“社會(huì)存在決定社會(huì)意識(shí),社會(huì)意識(shí)反作用于社會(huì)存在”

(5) 介紹能源的變遷與發(fā)展,培養(yǎng)節(jié)約能源的意識(shí)

師:能源在我們生活當(dāng)中不可或缺．我們身邊的能源的形式形形色色．距今五六十萬(wàn)年前,火的使用是人類利用能源的一個(gè)里程碑,這讓人類告別了茹毛飲血的時(shí)代；第一次工業(yè)革命時(shí)期,煤的廣泛使用,讓人類的生產(chǎn)力有了巨大的變化;19世紀(jì)80年代,石油的廣泛利用,內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn),推動(dòng)了機(jī)械化和電氣化的進(jìn)程……然而,能源的不斷利用,對(duì)周圍的環(huán)境也產(chǎn)生了巨大的影響:溫室效應(yīng)、氣候變暖、大氣污染、酸雨等等.這無(wú)不昭示著人類在發(fā)展過(guò)程中的不完善．現(xiàn)在,我們更加追求能源的可持續(xù)性和清潔性,我們更多地在利用太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能等清潔能源,現(xiàn)在的人類正在追求人與自然的和諧共處．

3 總結(jié)

在物理教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)觀的教育,可以根據(jù)課堂教學(xué)的具體內(nèi)容,具體問(wèn)題具體分析,并不需要每節(jié)課都涉及,但一定要在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí),更重要的是對(duì)科學(xué)研究的本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)．幫助學(xué)生更好地銜接中學(xué)物理與大學(xué)物理乃至更高層次的領(lǐng)域,修正學(xué)生對(duì)于科學(xué)知識(shí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí),更好地激發(fā)學(xué)生的對(duì)物理等科學(xué)課程的熱情與興趣．