陳新華 劉霽華

(1. 常州市第一中學(xué),江蘇 常州 213003 2. 常州市教育科學(xué)研究院,江蘇 常州 213000)

1 問題的提出

2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)在基本理念部分提出“注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)”,[1]明確了通過體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)來培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的方式．對于如何在教學(xué)過程中體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)及物理學(xué)的學(xué)科本質(zhì),教學(xué)中往往會存在這樣的誤區(qū):總認(rèn)為經(jīng)過科學(xué)探究的過程,學(xué)生就能潛移默化地理解科學(xué)本質(zhì)和物理學(xué)科本質(zhì)．實(shí)踐表明,對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識和內(nèi)化是一個非常困難的過程,僅靠潛移默化效果微乎其微．要能達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)對于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)要求,教師需要重新思考和審視已有的教學(xué),在教學(xué)過程中把對科學(xué)本質(zhì)的理解和思考顯性化．

2 對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識

科學(xué)本質(zhì),是指科學(xué)本身所固有的、決定科學(xué)性質(zhì)、面貌和發(fā)展的根本屬性,[2]主要包括科學(xué)知識的本質(zhì)、科學(xué)探究的本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)等3個維度的內(nèi)容．科學(xué)本質(zhì)回答了科學(xué)是什么的問題,主要說明了科學(xué)知識是如何產(chǎn)生、發(fā)展及在新的條件下失去合理性,說明科學(xué)不僅是靜態(tài)的知識和結(jié)論,也是動態(tài)的、具有自我更新功能的科學(xué)認(rèn)識活動,包含暫時性、創(chuàng)造性、觀察和推理、主觀性、理論和定律的作用及二者的關(guān)系、社會嵌入和文化嵌入性、基于實(shí)證等7個方面．[3]

科學(xué)是知識,更是一種方法,科學(xué)探究的過程比科學(xué)的結(jié)論更有用．因?yàn)榭茖W(xué)結(jié)論是暫時的、個體的,只有科學(xué)方法是可以遷移的,放之四海而皆有用的．所以,在教學(xué)中顯性化體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì),是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力、形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的基礎(chǔ)．目前來講,對科學(xué)本質(zhì)顯性化的教學(xué),主要有兩種途徑,一種以科學(xué)探究的教學(xué)來促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解,另一種以科學(xué)史、哲學(xué)史等內(nèi)容融入教學(xué)來增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解．[4]

本文以人教版高中物理選修3-3第8章第3節(jié)“理想氣體的狀態(tài)方程”一課為例,嘗試在探究教學(xué)過程中顯性化體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．

3 體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的物理教學(xué)案例

片段1:情境引發(fā)思考,提出科學(xué)的問題.

情境1:癟掉的乒乓球(圖1),如何很便捷地修復(fù)?(用熱水捂或電吹風(fēng)吹)

圖1

情境2:熱的空玻璃杯倒置插入冷水中(圖2),液面很快上升,似乎水杯能“吸水”．是玻璃杯很特別嗎?還是什么原因?

圖2

思考1:看似不同的情境,有時會蘊(yùn)藏著相同的規(guī)律．上面兩個情境中,引起乒乓球復(fù)原或液面上升的直接原因是什么?(密封氣體壓強(qiáng)的變化)

思考2:密封氣體的狀態(tài)參量都發(fā)生了怎樣的變化?初末態(tài)之間是否會存在某些定量關(guān)系?

思考3:這個過程是等溫、等壓、等容過程嗎?用氣體實(shí)驗(yàn)定律能直接解決嗎?(看似簡單的過程,因?yàn)?個量同時變化,已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)不能解決,形成思維沖突,引發(fā)學(xué)生的思考)

提出科學(xué)的問題:我們能研究什么問題?(密閉氣體3個狀態(tài)參量都發(fā)生變化時,是否存在一定的規(guī)律?如果有,遵循怎樣的定量規(guī)律?)

點(diǎn)評:科學(xué)的問題大多數(shù)都是源于生活情境,不同的情境表象,有時候可能會遵循同樣的規(guī)律．面對現(xiàn)象,我們可能提出很多的問題,常見的包括“是什么”、“為什么”、“怎么樣”,有些是現(xiàn)象的描述,有些是規(guī)律的描述,還有些是本質(zhì)的探索和模型建構(gòu)．什么是科學(xué)的問題呢?科學(xué)問題應(yīng)該是能聚焦于普遍的自然規(guī)律,用來理解和解釋自然世界,可以通過觀察、實(shí)驗(yàn)、推理等的方法多角度驗(yàn)證,從而得出結(jié)論．

小結(jié):提出問題有時候比解決問題更為重要,教學(xué)中創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)那榫?引發(fā)學(xué)生思維的沖突,引導(dǎo)學(xué)生去提出科學(xué)的問題.在此過程中既能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力,還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力．點(diǎn)評過程就是顯性化地讓學(xué)生理解怎樣的問題才算是“科學(xué)的問題”,引起學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的思考．

片段2:探究科學(xué)規(guī)律,體驗(yàn)科學(xué)知識的發(fā)展性.

圖3

探究1:如何在p-V圖上表示出3個狀態(tài)參量?(加等溫線)如何建立兩個狀態(tài)之間的聯(lián)系?(找路徑)可能有哪些路徑?(如圖3,①、②、③、④等)選取哪些路徑比較方便推理?(3個量都在變化,可以用控制變量法,只讓兩個量變化,就能納入原有知識體系,用原有知識解決新問題)

質(zhì)疑1:通過一條特殊路徑得到的兩個狀態(tài)之間的定量關(guān)系,是否就能說明這個結(jié)論符合所有情況?我們算是得到確切的結(jié)論了嗎?(不能,還需要再找些過程來驗(yàn)證)

圖4

質(zhì)疑2:6個過程都得到了相同的結(jié)論,就能說明任意路徑一定滿足這個規(guī)律了嗎?(不能,只能說明這些路徑滿足這一規(guī)律,但是這些路徑都是特殊路徑,一般路徑是否符合,還需要進(jìn)步證明．)那是否說明我們的推導(dǎo)沒有意義?(不是,能說明一些規(guī)律,只是有可能還不完善．)

點(diǎn)評:從有限路徑歸納得出結(jié)論叫不完全歸納法．不完全歸納的過程體現(xiàn)了人類對于客觀世界認(rèn)識從特殊到一般、逐步加深的過程．科學(xué)研究有一條原則,“非同尋常的主張需要非同尋常的舉證”．理論推導(dǎo)得到的結(jié)論,還需要經(jīng)受事實(shí)的不斷拷問和驗(yàn)證,有些被證實(shí)了,有些被證偽了．我們的這個結(jié)論能經(jīng)受得了拷問嗎?我們還能如何去驗(yàn)證它?(通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))

小結(jié):尋找路徑的過程,是通過構(gòu)造性的嘗試去摸索、尋找科學(xué)規(guī)律的過程,讓學(xué)生從中體驗(yàn)規(guī)律探究的創(chuàng)造性．不完全歸納的過程,既體現(xiàn)了人們對客觀世界認(rèn)識過程中的抽象概括性,也反映出了科學(xué)的主觀性和不完善性．通過特殊路徑兩次得到結(jié)論,教師兩次質(zhì)疑,引發(fā)了學(xué)生對結(jié)論適用條件的思考,也是在這樣的過程,讓學(xué)生體會到 “猜測和假說”的科學(xué)本質(zhì)．

片段3:設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn),體驗(yàn)科學(xué)的實(shí)證性.

制定實(shí)驗(yàn)方案:我們想通過實(shí)驗(yàn)解決什么問題?要測量哪些量?需要哪些器材?可能有哪些困難?(要找一個不是特殊路徑的一般變化的過程,3個狀態(tài)參量都發(fā)生變化,看看是不是滿足剛才的結(jié)論．需要測定3個狀態(tài)參量在不同狀態(tài)的值．可以用傳感器測定．可能的困難:漏氣,狀態(tài)不穩(wěn)定,讀數(shù)不準(zhǔn)確等,最好能實(shí)現(xiàn)多次測量)

圖5

研究實(shí)驗(yàn)裝置:如圖5,一定質(zhì)量的氣體密封在導(dǎo)熱性和氣密性都非常好的氣缸中．溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器內(nèi)置于氣缸,具體數(shù)值可通過軟件直接讀出．旋動活塞連桿,可上下移動活塞以改變體積,體積的具體數(shù)值可從體積標(biāo)度桿直接讀出．同時改變3個狀態(tài)參量,就可通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論推導(dǎo)的結(jié)論．

表1

點(diǎn)評:實(shí)驗(yàn)舉證的過程體現(xiàn)了科學(xué)實(shí)證性的本質(zhì)．理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是科學(xué)規(guī)律確認(rèn)過程中相互依存、缺一不可的兩個方面．判斷一個結(jié)論是否科學(xué)有兩個依據(jù): “簡潔性”和“可預(yù)測性”．我們得到的這個規(guī)律符合簡潔性嗎?能預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果嗎?說明了什么?(規(guī)律既簡潔,又能較好地預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了規(guī)律的可靠性．)

小結(jié):為了適應(yīng)高中生的認(rèn)知水平,本部分內(nèi)容不管是理論推導(dǎo)還是實(shí)驗(yàn)論證都是通過有限次過程得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,從本質(zhì)上來講都是不完全歸納．本節(jié)課讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后,借助于傳感器幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)了定量實(shí)驗(yàn),不僅讓學(xué)生真切地體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)對理論結(jié)論的驗(yàn)證,更是引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)理論推導(dǎo)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測作用．在此基礎(chǔ)上,顯性化介紹結(jié)論是否科學(xué)的判斷依據(jù)和方法,讓學(xué)生在科學(xué)探究的一般過程中,體驗(yàn)科學(xué)判斷的方法和科學(xué)實(shí)證性的本質(zhì)．

片段4:討論實(shí)驗(yàn)條件,體驗(yàn)科學(xué)的自完善性.

進(jìn)一步質(zhì)疑:特殊路徑和不完全歸納法得到的結(jié)論,被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了,是不是就能說明這個結(jié)論適用于所有情況了呢?(質(zhì)疑引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考)

數(shù)據(jù)分析:科技的發(fā)展使實(shí)驗(yàn)條件的范圍擴(kuò)大了很多,表2是科學(xué)家們研究一定質(zhì)量的He氣體,在溫度為0 ℃時,體積隨壓強(qiáng)變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

表2

思考:從表中數(shù)據(jù),你發(fā)現(xiàn)了什么問題?可能是什么原因?能得到什么結(jié)論?

點(diǎn)評:科學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性是受限于當(dāng)時的認(rèn)識水平的,一般都只是一段時間內(nèi)或一定范圍內(nèi)的準(zhǔn)確．但科學(xué)發(fā)展同時也具有自我糾正和更新完善的能力,實(shí)驗(yàn)條件的擴(kuò)大,促使人們對氣體實(shí)驗(yàn)定律適用范圍展開思考,也促使人們對理想氣體這個微觀模型所對應(yīng)的宏觀條件有了更完善的認(rèn)識:壓強(qiáng)不太大、溫度不太低．

小結(jié):這部分內(nèi)容在人教版教材中是放在本節(jié)內(nèi)容的開始,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明氣體實(shí)驗(yàn)定律的適用條件,并初步提出理想氣體模型．筆者把這個內(nèi)容調(diào)整了順序,體現(xiàn)出物理學(xué)發(fā)展過程中測量技術(shù)發(fā)展對實(shí)驗(yàn)的重大貢獻(xiàn),突出了人們對客觀世界的認(rèn)識是一個逐步深入和遞進(jìn)的過程,而科學(xué)本身也具有不斷地自我完善的機(jī)制．

4 體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的策略與展望

科學(xué)是一種觀念,體現(xiàn)了人們看待世界的眼光．科學(xué)不僅是系統(tǒng)化的知識體系,也是一種不斷發(fā)展和自我矯正的探究過程．[5]目前所公認(rèn)最“科學(xué)”的科學(xué)觀是:“科學(xué)是一種假說”,體會到這一點(diǎn),學(xué)生就能不迷信于權(quán)威,敢于嘗試和探索,敢于對已有的結(jié)論提出質(zhì)疑,敢于用創(chuàng)造性的方法去面對和解決問題．

教學(xué)過程中體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì),是涉及所有科學(xué)學(xué)科教學(xué)的系統(tǒng)性工程．從物理教學(xué)來講,要有整體意識,從學(xué)期計(jì)劃、到單元計(jì)劃、到章節(jié)計(jì)劃,有計(jì)劃、步驟、有重點(diǎn)地在教學(xué)過程中體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)．目前比較可行的一個策略是:研究物理學(xué)和物理學(xué)史,設(shè)計(jì)體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué);在探究過程中,任務(wù)驅(qū)動,讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)本質(zhì);教師點(diǎn)評與引導(dǎo),使學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解顯性化．科學(xué)探究主要包括提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行試驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估交流與合作等7個環(huán)節(jié),在解決問題的探究過程中,學(xué)生對科學(xué)研究的一般方法及科學(xué)的假設(shè)性、實(shí)證性、驗(yàn)證與預(yù)測性等本質(zhì)都會有深刻的體驗(yàn),教師如再能精心設(shè)計(jì)探究過程,進(jìn)行恰當(dāng)引導(dǎo)和點(diǎn)評,必能體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)．本文的教學(xué)設(shè)計(jì)案例就是體現(xiàn)了這一策略．

教學(xué)過程中顯性化體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),也不可能一蹴而就．一方面,依賴于教師本身的科學(xué)素養(yǎng)和對科學(xué)本質(zhì)的理解及實(shí)施水平,需要教師不斷地學(xué)習(xí)和自我學(xué)習(xí)．另一方面,體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的物理教學(xué),從長遠(yuǎn)來看,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、質(zhì)疑精神,促進(jìn)學(xué)生更好地理解科學(xué)本質(zhì);但從短期來看,不一定能立刻提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成績．需要我們用平和的心態(tài),堅(jiān)持不懈地努力,著眼于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升,靜待花開．

希望我們對科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的不斷嘗試和努力,可以讓我們的學(xué)生:用科學(xué)的眼光審視世界,用科學(xué)的精神面對問題,用科學(xué)的方法解決問題、改變世界．