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

侯新杰+陳留定+趙紅枝+李小丹

摘 要：利用物理學(xué)史進(jìn)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(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)三個(gè)方面進(jìn)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(duì)自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史，是人類思想寶庫(kù)中一筆十分寶貴而豐富的精神財(cái)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(duì)科學(xué)內(nèi)涵的正確認(rèn)識(shí).美國(guó)科學(xué)教育學(xué)家萊德曼認(rèn)為科學(xué)是認(rèn)識(shí)世界的一種方法或是科學(xué)知識(shí)發(fā)展中固有的價(jià)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(shí)具有暫時(shí)性、科學(xué)知識(shí)是基于經(jīng)驗(yàn)的、科學(xué)具有主觀性、科學(xué)具有創(chuàng)造性、科學(xué)受社會(huì)與文化影響、科學(xué)基于觀察與推測(cè)和觀察是受理論限制的[1].

目前，國(guó)際科學(xué)哲學(xué)界對(duì)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)基本上達(dá)成了共識(shí)，科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵包括三個(gè)方面：（1） 科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)，包括科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)性、暫時(shí)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(shí)證性、非固定性、非權(quán)威性、非絕對(duì)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(huì)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(shí)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(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的了解，以間接的方式讓學(xué)生體會(huì)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(huì)學(xué)以及與科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的各個(gè)方面相一致的教學(xué)來促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí).通過課堂討論、反思有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的問題，以達(dá)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(duì)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(huì)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(duì)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(dòng)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(dòng)，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(jìn)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(duì)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(shí)、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè)的所有要素，是進(jìn)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(gè)維度分析物理學(xué)史對(duì)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的體現(xiàn).

（一）對(duì)科學(xué)知識(shí)本質(zhì)的體現(xiàn)

大量的物理學(xué)史表明：科學(xué)知識(shí)是對(duì)自然現(xiàn)象的描述與解釋，具有認(rèn)識(shí)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(shí)不是絕對(duì)的真理，具有暫時(shí)性和發(fā)展性；科學(xué)知識(shí)的形成是一個(gè)不斷積累的過程；不管一種科學(xué)理論對(duì)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(shí)可以被重復(fù)地驗(yàn)證.

如“人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)史”中所蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)本質(zhì)，主要包括：（1）人類最初對(duì)行星運(yùn)動(dòng)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(shí)的認(rèn)識(shí)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(shí)具有暫時(shí)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(shí)的形成需要多數(shù)人的努力和長(zhǎng)時(shí)間的積累，體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)的累積性.（4）開普勒發(fā)現(xiàn)并公開發(fā)表行星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律（即開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律），體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)的公開性.（5）牛頓運(yùn)動(dòng)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(shí)具有局限性.

（二）對(duì)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(jìn)行研究時(shí)，科學(xué)家可能會(huì)采用不同的研究方法來解決問題；科學(xué)家在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前常會(huì)預(yù)測(cè)結(jié)果；科學(xué)家的觀察會(huì)受他的生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)所影響；科學(xué)知識(shí)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(gè)原子時(shí)，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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.馬斯登和蓋革進(jìn)一步對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)（改變實(shí)驗(yàn)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(shí)證性和科學(xué)探究方法的多元性.

（三）對(duì)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(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)活動(dòng)，科學(xué)的研究方向受技術(shù)、社會(huì)價(jià)值等因素的影響.科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)與社會(huì)相互促進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、及時(shí)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(shí)驗(yàn)中活體實(shí)驗(yàn)物的使用和處理、科學(xué)研究是應(yīng)用于軍事還是其他對(duì)人類造成潛在危險(xiǎn)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(gè)人利益、團(tuán)體利益或社會(huì)利益受到威脅時(shí)，科學(xué)家們也會(huì)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的規(guī)律，人們對(duì)望遠(yuǎn)鏡不斷改進(jìn)，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(yuǎn)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(jī)分子）都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān).天文學(xué)的發(fā)展和望遠(yuǎn)鏡的不斷改進(jìn)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(duì)事物產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致新技術(shù)的產(chǎn)生.技術(shù)的進(jìn)步為科學(xué)發(fā)展提供更好的手段和條件，促進(jìn)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(duì)核武器帶來的危害深表憂慮，并呼吁世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人通過和平方式解決國(guó)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(jiǎng)獲得者.1958年1月13日，世界上43個(gè)國(guó)家的9000名科學(xué)家致信聯(lián)合國(guó)秘書長(zhǎng)，要求立即簽訂一項(xiàng)停止核試驗(yàn)的國(guó)際協(xié)議.核武器的使用是社會(huì)各界一直關(guān)注的敏感的道德問題.面對(duì)核武器給人類和社會(huì)帶來的各種危險(xiǎn)，科學(xué)家們團(tuán)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(guó)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(shí)，既是專家又是公民.

三、利用物理學(xué)史進(jìn)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(guó)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，除了科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)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(shí)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(jì).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(huì)、政治背景.亞里士多德是奴隸制的擁護(hù)者，在16世紀(jì)以前，他的運(yùn)動(dòng)理論處于統(tǒng)治地位.他對(duì)于力和運(yùn)動(dòng)的描述，是在他的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn).伽利略認(rèn)為若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，并設(shè)計(jì)斜面實(shí)驗(yàn)說明自己的思想.伽利略對(duì)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(duì)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí).從科學(xué)的發(fā)展史上來看，伽利略、笛卡爾都對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系提出了自己的觀點(diǎn)，他們精確描述了物體不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)，卻未能揭示力與運(yùn)動(dòng)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(huì)環(huán)境與文化背景會(huì)影響科學(xué)家的想法；（2）了解科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生依賴于觀察和實(shí)驗(yàn)，但也離不開人類的想象和創(chuàng)造；（3）了解科學(xué)知識(shí)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(jì)的問題，目的在于引導(dǎo)學(xué)生挖掘相關(guān)史料中所蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵.在交流討論的過程中，促進(jìn)學(xué)生對(duì)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(shí)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(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”的教學(xué)中，為了使學(xué)生理解社會(huì)環(huán)境、科學(xué)家的文化背景會(huì)影響科學(xué)家的想法和科學(xué)知識(shí)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(huì)對(duì)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(shí)候，你會(huì)怎么辦？當(dāng)別人對(duì)你的新發(fā)現(xiàn)不屑一顧，并批評(píng)你膽大妄為的時(shí)候，你該如何面對(duì)別人的批評(píng)？筆者在教學(xué)實(shí)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(huì)得出錯(cuò)誤的觀點(diǎn)”，學(xué)生難以從科學(xué)家的文化背景和政治環(huán)境方面進(jìn)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(shí)證性以及科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)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(chǎng)理論”預(yù)言了電磁波的存在？（2）赫茲如何驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(dòng)手能力和寫作創(chuàng)新能力等，還能促進(jìn)學(xué)生對(duì)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(gè)人及其對(duì)科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)；（2）關(guān)于某一課題的發(fā)展史，如研究人類測(cè)量太陽(yáng)和地球之間距離的發(fā)展史等；（3）對(duì)某一歷史事件發(fā)表評(píng)價(jià)，如研究惠更斯和牛頓對(duì)光的本性的爭(zhēng)論，比較誰(shuí)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(duì)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(shí)驗(yàn)的提出背景，并說明理想實(shí)驗(yàn)在解釋伽利略觀點(diǎn)中的作用；（2）研究牛頓對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，有人說他的三個(gè)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(diǎn)和伽利略的觀點(diǎn)，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(jìn)行寫作.

四、總結(jié)

利用物理學(xué)史進(jìn)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(shí)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(duì)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀進(jìn)行簡(jiǎn)單的了解.然后在對(duì)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(gè)循序漸進(jìn)長(zhǎng)期熏陶的過程.在平時(shí)的教學(xué)工作中，教師不僅要重視對(duì)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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