科學(xué)素養(yǎng)教育在理科中的實(shí)踐

郭惠+周詩文+庾名槐

摘 要：大學(xué)物理是所有理科的基礎(chǔ)學(xué)科的特點(diǎn)決定了它身肩科學(xué)素養(yǎng)教育的重任.本文借助翻轉(zhuǎn)課堂模式，提高課堂效率，從科學(xué)知識(shí)、科學(xué)的研究過程和方法以及科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響的角度，對(duì)靜磁場(chǎng)一章實(shí)施科學(xué)素養(yǎng)教育目標(biāo)的教學(xué).

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂 靜磁場(chǎng) 物理學(xué)史 科學(xué)素養(yǎng)

引言

如今，豐富的在線學(xué)習(xí)資源，比如，慕課資源，使得學(xué)習(xí)變得更加方便易學(xué)，充分利用課下資源進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂[1]，先課前導(dǎo)學(xué)，回到課堂后，開展理論知識(shí)與專業(yè)實(shí)踐相結(jié)合的案例教學(xué)，不是一味的搬運(yùn)知識(shí)，而是加強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)的培育，或能激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣.而使學(xué)生有效地掌握所學(xué)的知識(shí)，使得正確知識(shí)真正的內(nèi)化

科學(xué)素養(yǎng)是什么？我們教育的目標(biāo)是什么？這個(gè)問題很大很難在這篇小文章中全面回答，只希望通過本文案例實(shí)踐來達(dá)到拋磚引玉的目的.科學(xué)素養(yǎng) （scientific literacy），它指的是一種長時(shí)間積淀下來的修養(yǎng)、習(xí)性，是一種獲取以及處理實(shí)際問題的具體知識(shí)和辦法.[2]百度百科上給出的國際上評(píng)定國民科學(xué)素養(yǎng)的基本標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)的研究過程和方法以及科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響都能達(dá)到基本的了解程度.大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)對(duì)于提高科學(xué)素養(yǎng)水平具有突出重要的作用.如何實(shí)施教育目標(biāo)呢？以靜磁場(chǎng)一章為例按照科學(xué)素養(yǎng)的普遍定義來討論科學(xué)素養(yǎng)教育目標(biāo)實(shí)施方案.

一、靜磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)課堂中的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)

1. 物理學(xué)史話物理知識(shí)，在知識(shí)傳授中滲透批判質(zhì)疑的科學(xué)精神與人文教育

通常學(xué)生讀教材很容易走入一個(gè)誤區(qū)，教材里所說的都是正確的，很少有質(zhì)疑的學(xué)生，有的學(xué)生從沒有去想教材是否有誤，對(duì)于青年學(xué)生而言，如有敢于發(fā)出的質(zhì)疑聲音，應(yīng)該被保護(hù)和鼓勵(lì)起來的.在授課中，除了正確的知識(shí)，可以講歷史上的錯(cuò)誤的科學(xué)認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生去感受人類認(rèn)識(shí)的實(shí)質(zhì)是螺旋發(fā)展的過程。

在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)過程中，“場(chǎng)”概念的形成是困難的.一般教材里采用的講述方式和歷史上研究發(fā)現(xiàn)的順序不一樣，實(shí)際上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這些概念是后來人們逐步認(rèn)識(shí)的。[3]

比如我們首先講磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度.在奧斯特的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，磁針由于電流偏轉(zhuǎn)說明電流與磁石一樣它是磁源，它可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，或者我們可以說電流在其周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)，因?yàn)殡娏鲗?shí)際是定向運(yùn)動(dòng)的電荷，我們也可以推測(cè)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么磁場(chǎng)到底有什么性質(zhì)呢？

安培在研究電流之間相互作用以后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到磁場(chǎng)對(duì)電流有作用力之后，才又慢慢認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力，這就是洛侖茲力.用數(shù)學(xué)式子表示就是運(yùn)動(dòng)電荷受力等于電荷量乘以電荷運(yùn)動(dòng)速度叉乘上磁感應(yīng)強(qiáng)度.我們可以認(rèn)為這是磁場(chǎng)的定義式，但這里因?yàn)橛胁娉?，不如電?chǎng)定義那樣簡單，另一方面，磁場(chǎng)也不叫磁場(chǎng)強(qiáng)度，叫磁感應(yīng)強(qiáng)度，就是表達(dá)式中的B.這是因?yàn)闅v史上研究磁現(xiàn)象時(shí)，比較糊涂，已經(jīng)使用了磁場(chǎng)強(qiáng)度H這個(gè)量，而且還不是真正描述磁場(chǎng)，后來真正認(rèn)識(shí)了磁場(chǎng)以后，想定義一個(gè)量描述磁場(chǎng)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)名字已經(jīng)占用了，沒有辦法只好另起一個(gè)名字叫磁感應(yīng)強(qiáng)度B，實(shí)際就是描述磁場(chǎng)的量，有時(shí)候我們經(jīng)常簡略地用磁感應(yīng)強(qiáng)度代表磁場(chǎng)。[3]

那么這個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)是要講磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度，作為讀者學(xué)完上述內(nèi)容是作何感慨呢？即便是一個(gè)剛學(xué)物理的新人而言，這樣的物理故事學(xué)起來是很輕松的.而這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以在慕課模式下的微視頻中講授，讓學(xué)生先行學(xué)完，在翻轉(zhuǎn)課堂上，我們可以通過以下問題設(shè)問，如有幾個(gè)同學(xué)說說奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的故事？磁感應(yīng)強(qiáng)度為什么不能像電場(chǎng)強(qiáng)度一樣直接叫磁場(chǎng)強(qiáng)度呢？使得學(xué)生加深理解磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的內(nèi)含，也能正確理解磁場(chǎng)強(qiáng)度概念.人類的認(rèn)識(shí)物理世界是個(gè)摸索的過程，在逐漸發(fā)展建立的物理規(guī)律和本質(zhì)的歷程中，物理天才們也存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，也不是一步就走向真理的彼岸.那么，作為歷史長河中普通的我們，也不會(huì)有一躍而就的簡單，即使天才也會(huì)失誤，因此在學(xué)習(xí)途中，要敢于試錯(cuò)，不怕出錯(cuò).對(duì)于教師，在課堂的教學(xué)中，要能和學(xué)生去分享這個(gè)感受，從而達(dá)到科學(xué)素養(yǎng)教育目標(biāo).

2. 物理學(xué)家的科學(xué)思維幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的過程， 掌握科學(xué)方法

在教學(xué)中確定的重點(diǎn)、難點(diǎn)， 往往也是科學(xué)史上的重大關(guān)鍵性的突破和難以解決的難題；往往是物理學(xué)大師們才華橫溢之點(diǎn).它是人類認(rèn)識(shí)的突破與精彩的綻放，當(dāng)我們回味科學(xué)發(fā)展的認(rèn)識(shí)史時(shí)，應(yīng)該汲取它包含著的深刻的物理科學(xué)方法.

比如，講畢薩拉定律及其應(yīng)用.畢薩拉定律其實(shí)是畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律.畢奧-薩伐爾是做實(shí)驗(yàn)，他們做實(shí)驗(yàn)這思路其實(shí)是和庫侖的想法是一樣.因?yàn)閵W斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)，他們就想假如我要知道小的電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)的話，通過疊加原理我就可以知道整段的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這里邊我們說這個(gè)電流元，它其實(shí)是電流上取的一小段，這是一個(gè)有方向的一個(gè)小段線段，它的大小是這上面的電流乘上這個(gè)線段的小矢量，它在某一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)該是什么樣子呢？假設(shè)這個(gè)電流元到這個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的矢徑是r的話，他們做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是沿著這個(gè)矢徑的方向，而是垂直于電流元和矢徑構(gòu)成的這個(gè)平面，也就是說在這樣的情況下，這個(gè)電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)是垂直于板面向里的，畢奧-薩伐爾做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了里邊的規(guī)律.可是他們沒辦法用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來，因?yàn)檫@個(gè)規(guī)律比起庫侖定律來說，還是稍微復(fù)雜的，那么拉普拉斯數(shù)學(xué)非常好，他幫助他們寫出了數(shù)學(xué)表達(dá)式.[3]

畢薩拉定律是靜磁場(chǎng)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，通過該定律我們可以求解穩(wěn)恒電流激發(fā)的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，然而，學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)公式的掌握總是存在失誤.學(xué)習(xí)時(shí)不明白電流元是什么，把該內(nèi)容做成微視頻后，通過講述物理學(xué)家研究該定律的過程的科學(xué)思維，學(xué)生不僅掌握科學(xué)知識(shí)，而且還能感受到科學(xué)研究過程中重要的類比方法.

比如，講靜磁場(chǎng)的高斯定理.經(jīng)過邏輯推理后得到的磁場(chǎng)高斯定理揭示了磁場(chǎng)的基本性質(zhì)，告訴我們靜磁場(chǎng)是個(gè)無源場(chǎng).當(dāng)然這樣講完就完成了科學(xué)知識(shí)的講授，可是，課程乏味無趣.于是類比電荷提出磁荷即磁單極子的概念.這是誰提出來？假如有磁荷，磁場(chǎng)的高斯定理右邊也不應(yīng)該是零，應(yīng)該也有磁荷這一項(xiàng).磁荷這個(gè)概念首先于狄拉克1931年通過量子力學(xué)原理和電磁規(guī)范性質(zhì)給出.狄拉克還發(fā)現(xiàn)磁荷和電荷的乘積是普朗克常量的整數(shù)倍.[3]他就用這個(gè)式子來解釋，為什么電荷是量子化的，但是計(jì)算的磁荷質(zhì)量比較大，它一般不可能在加速器中產(chǎn)生，所以人們就期待在宇宙射線中興許可以發(fā)現(xiàn)磁單極子.他們用超導(dǎo)線圈放在某個(gè)地方守株待兔，等磁單極子等磁單極子穿過這個(gè)超導(dǎo)線圈，磁單極子穿過超導(dǎo)線圈的時(shí)候，預(yù)計(jì)有電流躍變的信號(hào)，這個(gè)是可以計(jì)算出來的，曾經(jīng)斯坦福的幾位物理學(xué)家激動(dòng)過一次，他們聲稱探測(cè)過電流躍變的信號(hào)，但后來再也沒有探測(cè)過，別人也沒有探測(cè)過，一般認(rèn)為，這次可能只是一次烏龍事件，所以到目前為止，實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)磁單極子。如果在視頻授課中如此講解，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程將會(huì)是趣味的過程。而教師可以在翻轉(zhuǎn)課堂中請(qǐng)同學(xué)去講解這個(gè)概念的來歷，一起品評(píng)科學(xué)思維的發(fā)展過程，從而讓學(xué)生體驗(yàn)到揭示自然規(guī)律的重要方法，提出理論，實(shí)驗(yàn)證實(shí). 告訴學(xué)生問題的猜想、探究意識(shí)和探究能力對(duì)于揭示科學(xué)本質(zhì)的重要作用.

3. 由物理技術(shù)的研討推動(dòng)學(xué)生的自我教育和科學(xué)素養(yǎng)自我提升

在基礎(chǔ)物理教學(xué)中將抽象難懂的物理知識(shí)與理論在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，呈現(xiàn)在學(xué)生面前，十分有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而可引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，從而使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)素養(yǎng)自我提高和教育過程.

比如，講到霍爾效應(yīng).在1879年物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，由此命名霍爾效應(yīng).這里要求學(xué)生在微視頻中學(xué)習(xí)原理，然后設(shè)計(jì)這些問題，在課堂上討論最終獲得知識(shí).如，霍爾效應(yīng)的研究進(jìn)展？實(shí)驗(yàn)條件？凝聚態(tài)物理研究什么？諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)如何評(píng)比等問題.討論霍爾效應(yīng)研究進(jìn)展的問題時(shí)需要同學(xué)們自己去拓展.可在翻轉(zhuǎn)課堂上由同學(xué)們?nèi)タ偨Y(jié)，比如，1979年，即百年之后，德國物理學(xué)家克利青等研究觀察到半導(dǎo)體在極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的量子霍爾效應(yīng)，而后，美籍華裔物理學(xué)家崔琦和美國物理學(xué)家勞克林、施特默在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。這些成果是凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展上重要進(jìn)展，由此，可以讓學(xué)生去拓展凝聚態(tài)物理研究的范疇等.還可以談克利青獲得1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和崔琦等在1998年獲得的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).討論諾獎(jiǎng)的評(píng)比條件，鼓勵(lì)學(xué)生要有遠(yuǎn)大目標(biāo).這樣的討論不僅更深全面了解了霍爾效應(yīng)，而且科學(xué)知識(shí)獲取途中對(duì)學(xué)習(xí)者提出更多的思考.緊接著追問霍爾效應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)有哪些？如測(cè)量半導(dǎo)體載流子種類；測(cè)量半導(dǎo)體載流子濃度；測(cè)磁場(chǎng)等.特別是隨著納米技術(shù)的發(fā)展，把霍爾元件做的越來越小，小到可以放在原子顯微鏡的針尖上，與AFM結(jié)合，就可以得到樣品表面局部磁場(chǎng)分布.要認(rèn)識(shí)這些先進(jìn)的技術(shù)，學(xué)生必須進(jìn)行自我教育，所謂"老師帶入門，修行在個(gè)人”，大學(xué)應(yīng)該是培育學(xué)生個(gè)人主動(dòng)性的場(chǎng)所，大學(xué)物理作為基礎(chǔ)課程應(yīng)該能夠走在理科基礎(chǔ)教育的前列.

結(jié)語

綜上所述，本文從科學(xué)認(rèn)識(shí)本身的特點(diǎn)出發(fā)，充分利用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的模式來滲透科學(xué)素養(yǎng)教育，建議不僅在大學(xué)物理教學(xué)中恰當(dāng)引入科學(xué)素養(yǎng)的教育目標(biāo)，其他的理工科類的教學(xué)中也應(yīng)該融入生動(dòng)的史例、問題的探究、應(yīng)用的拓展，這樣教學(xué)不僅完成科學(xué)知識(shí)的講解，也使得學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)一步提高.大學(xué)理科基礎(chǔ)教育不應(yīng)成為應(yīng)試的教育，應(yīng)該鼓勵(lì)理工科學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新思維，使他們?cè)谒刭|(zhì)、能力和知識(shí)三方面都得到發(fā)展.

參考文獻(xiàn)

[1] 曾明星，蔡國民，覃遵躍等.基于翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)模式及實(shí)施路徑[J]. 高等農(nóng)業(yè)教育.2015，1： 76

[2] 葉禹卿.科學(xué)新課程與科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)[M].中國紡織工業(yè)出版社，2002 -81

[3] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)（第三版）[ M] .北京：高等教育出版社， 2011.

作者簡介

郭惠（1980-）， 女， 福建福安人， 海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，講師.

通訊作者

庾名槐（1979-），男，江西贛州人，海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，講師.