利用物理学史进行科学本质显性化教学的策略

侯新杰+陈留定+赵红枝+李小丹

摘 要：利用物理学史进行科学本质显性化教学的策略可以从设置显性的科学本质教学目标、设置引导性的科学本质问题和利用科学写作促进学生理解科学本质三个方面进行.

关键词：物理学史；科学本质教学；策略

物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史，是人类思想宝库中一笔十分宝贵而丰富的精神财富，也是科学本质教育的重要资源.重视物理学史教育，把物理学的思想观念、典型事例、发展过程融入物理教学之中，是科学本质显性化教学的重要途径.

一、科学本质与科学本质教学

（一） 科学本质

科学本质阐明了科学所具有的基本特征，是人们对科学内涵的正确认识.美国科学教育学家莱德曼认为科学是认识世界的一种方法或是科学知识发展中固有的价值观和观念.他认为科学本质的内涵主要包括：科学知识具有暂时性、科学知识是基于经验的、科学具有主观性、科学具有创造性、科学受社会与文化影响、科学基于观察与推测和观察是受理论限制的[1].

目前，国际科学哲学界对科学本质内涵的认识基本上达成了共识，科学本质内涵包括三个方面：（1） 科学知识的本质，包括科学知识的认识性、暂时性、重复性、累积性、局限性和公开性；（2）科学探究的本质，包括科学探究的实证性、非固定性、非权威性、非绝对客观性、创造性和预见性；（3）科学事业的本质，包括科学与技术社会的关系、科学道德和科学家的身份[2].

（二）科学本质教学

分析已有研究成果，科学本质教学实践主要有两种方式：一是隐性途径，是指以科学过程技能的教学、科学探究的教学等来促进学生对科学本质的了解，以间接的方式让学生体会科学本质的内涵；二是显性途径，以科学史、科学哲学、科学社会学以及与科学本质内涵的各个方面相一致的教学来促进学生对科学本质的认识.通过课堂讨论、反思有关科学本质的问题，以达到科学本质的教学目标.采用的教学策略属于隐性途径还是显性途径，与所教的内容并没有一一对应的关系.融入了科学史、科学哲学与科学社会学的教学，如果没有明确指出科学本质的问题，仍然属于隐性途径.

Abd-El-Khalick和Lederman认为对科学本质的学习应该是显性的、善于反思的，而不是隐性的做中学.学生很难在探究活动中理解科学本质，教师必须采用特殊的方法帮助学生反思他们的活动，这是学生理解科学本质的最好方法[3]. 研究表明利用科学史来进行科学本质显性化教学是行之有效的[4].

二、物理学史对科学本质内涵的体现

物理学史包含了科学知识、科学探究和科学事业的所有要素，是进行科学本质教学的绝佳素材.下面从科学本质内涵的三个维度分析物理学史对科学本质内涵的体现.

（一）对科学知识本质的体现

大量的物理学史表明：科学知识是对自然现象的描述与解释，具有认识性；任何科学理论的形成，都需要其他科学家的认同；科学知识不是绝对的真理，具有暂时性和发展性；科学知识的形成是一个不断积累的过程；不管一种科学理论对一系列现象解释得多么完美，总可能有其他理论比它解释得更好，甚至比它的使用范围更广；科学知识可以被重复地验证.

如“人类对行星运动规律的认识史”中所蕴含的科学知识本质，主要包括：（1）人类最初对行星运动的研究是为了解释日月星辰等天文现象，体现了科学知识的认识性.（2）托勒密的地心说最终被日心说所取代，体现了科学知识具有暂时性.（3）经过第谷、开普勒、伽利略等人的不懈努力，日心说最终被接受，说明科学知识的形成需要多数人的努力和长时间的积累，体现了科学知识的累积性.（4）开普勒发现并公开发表行星运动的三个定律（即开普勒行星运动定律），体现了科学知识的公开性.（5）牛顿运动定律和万有引力定律只在宏观、低速、弱引力的条件下适用，科学知识具有局限性.

（二）对科学探究本质的体现

物理学史研究的是物理学产生和发展的规律、物理学概念和思想的发展与变革.科学家的研究过程或某一课题的发展史表明：科学家用同样的方法各自观察同一自然现象，也可能得出不同的结论；进行研究时，科学家可能会采用不同的研究方法来解决问题；科学家在进行实验前常会预测结果；科学家的观察会受他的生活经验和知识所影响；科学知识的产生和发展离不开人类的想象和创造.

由“原子的核式结构模型”提出的历史可知：卢瑟福经过数学推算，证明了只有假设正电球的直径小于原子作用球的直径、α粒子穿越单个原子时，才有可能产生大角度散射.他从理论上探讨产生α粒子大角度偏折的简单原子模型，然后将理论推出的结果与马斯登和盖革的实验数据进行比较.马斯登和盖革进一步对α粒子散射实验进行改进（改变实验材料、靶箔厚度等），得到的数据与卢瑟福的理论分析相一致，肯定了卢瑟福的理论[5].原子核式结构模型的提出体现了科学探究的实证性和科学探究方法的多元性.

（三）对科学事业本质的体现

物理学的发展史还告诉我们：科学是一项复杂的社会活动，科学的研究方向受技术、社会价值等因素的影响.科学与技术、科学与社会相互促进又相互制约；科学研究中也有普遍接受的道德规范.准确记录实验数据、及时公开新的发现等是大多数科学家所应遵守的职业道德.另外，科学实验中活体实验物的使用和处理、科学研究是应用于军事还是其他对人类造成潜在危险的目的等都是敏感的道德问题；科学家既是专家也是公民，他们能帮助人们理解一些事情发生的可能性或原因.当个人利益、团体利益或社会利益受到威胁时，科学家们也会产生偏见.

如天文学上的一切发现和研究成果，离不开望远镜及其后端接收设备.1609年伽利略制成了第一架天文望远镜，并用它发现了木星的四颗卫星，证明地球不是所有天体运动的中心，为哥白尼的日心说提供了有力的证据.为了深入了解星体运动的规律，人们对望远镜不断改进，获得了许多重要的天文发现.20世纪40年代，射电望远镜成功冲破了银河系内星云尘埃等屏障，把天文学家的目光带向了河外星系.20世纪60年代天文学的四大发现（类星体、脉冲星、宇宙微波背景辐射、星际有机分子）都与射电望远镜有关.天文学的发展和望远镜的不断改进很好地体现了科学与技术的相互关系.科学可以启发我们提出新的想法，对事物产生新的认识，进而导致新技术的产生.技术的进步为科学发展提供更好的手段和条件，促进科学的发展.科学和技术相互依存、相互渗透、相互转化.

广岛原子弹事件以后，罗素和爱因斯坦发表了《罗素—爱因斯坦宣言》，宣言对核武器带来的危害深表忧虑，并呼吁世界各国领导人通过和平方式解决国际冲突.这份宣言获得约里奥·居里、马克思·玻恩等11位著名科学家的签名，其中有10位是诺贝尔奖获得者.1958年1月13日，世界上43个国家的9000名科学家致信联合国秘书长，要求立即签订一项停止核试验的国际协议.核武器的使用是社会各界一直关注的敏感的道德问题.面对核武器给人类和社会带来的各种危险，科学家们团结起来，通过科学分析和理性探讨，积极影响大众媒体、国际科学共同体和政府决策者，体现了科学家在参与公共事务时，既是专家又是公民.

三、利用物理学史进行科学本质显性化教学的策略

（一）设置显性的科学本质教学目标

设置显性的科学本质教学目标，即在教学目标中明确表示出要求学生掌握的科学本质内涵.我国高中物理课程标准中，除了科学、技术与社会这一科学本质内涵外，其他科学本质内涵均未显性呈现.在目标标准、内容标准及实施建议中，也未显性表述科学本质教学目标.因此，设置显性的科学本质教学目标是开展科学本质教学的前提.

以人教版高中物理教材必修一第四章第一节“牛顿第一定律”为例说明科学本质教学目标的设计.本节课主要涉及的物理学史包括：（1）亚里士多德、伽利略所处的社会、政治背景.亚里士多德是奴隶制的拥护者，在16世纪以前，他的运动理论处于统治地位.他对于力和运动的描述，是在他的运动理论下，通过直觉思考和形式逻辑得到的.伽利略处于文艺复兴之后思想大解放时期，文艺复兴打破了束缚人们思想的桎梏，激发了人们的探索欲望.（2）伽利略的理想实验.伽利略认为若没有摩擦阻力，球将永远运动下去，并设计斜面实验说明自己的思想.伽利略对惯性定律的描述是建立在观察和想象的基础上的.（3）伽利略、笛卡尔、牛顿对力和运动关系的认识.从科学的发展史上来看，伽利略、笛卡尔都对力和运动的关系提出了自己的观点，他们精确描述了物体不受力时的运动，却未能揭示力与运动的关系.牛顿在伽利略和笛卡尔工作的基础上，准确揭示了这一关系.

根据以上分析，本节课的科学本质教学目标可以设置为：（1）了解科学家所处的社会环境与文化背景会影响科学家的想法；（2）了解科学知识的产生依赖于观察和实验，但也离不开人类的想象和创造；（3）了解科学知识的累积性.

（二）设置引导性的科学本质问题

科学本质问题是指教师结合呈现给学生的物理学史，并根据科学本质教学目标所设计的问题，目的在于引导学生挖掘相关史料中所蕴含的科学本质内涵.在交流讨论的过程中，促进学生对科学本质内涵的理解.有效的科学本质问题，是实现科学本质教学的关键.

如人教版高中物理教材必修一第二章第六节“伽利略对自由落体运动的研究”的教学中，为了使学生理解社会环境、科学家的文化背景会影响科学家的想法和科学知识的公开性，可以设置以下问题：（1）为什么亚里士多德和伽利略会对相同的生活现象，提出完全不同的解释，得到完全不同的结论？（2）如果你是伽利略，当你发现了新的结论的时候，你会怎么办？当别人对你的新发现不屑一顾，并批评你胆大妄为的时候，你该如何面对别人的批评？笔者在教学实践中发现：如果直接向学生提问“亚里士多德为什么会得出错误的观点”，学生难以从科学家的文化背景和政治环境方面进行思考.

又如人教版高中物理教材选修3-4第十四章第一节“电磁波的发现”的教学中，为了使学生理解科学探究的预见性和实证性以及科学、技术与社会的关系，科学本质问题设置如下：（1）麦克斯韦如何建立“电磁场理论”预言了电磁波的存在？（2）赫兹如何验证电磁波的存在？（3）你知道电磁波的发现给人类生活带来了哪些变化？生活中该如何预防“电磁辐射的危害”？

（三）利用科学写作促进学生理解科学本质

日本人宫川松男在《技术人员的文章作法》一书中写道：写作可以提高专业知识水平、培养创造能力、使自己的想法系统化、获得整理能力等.科学写作在科学教学中具有内省与交流的作用，不仅能帮助学生梳理科学的研究过程，培养学生逻辑推理能力、合作能力、探究能力、动手能力和写作创新能力等，还能促进学生对科学本质的理解，培养学生反省思考的习惯.科学写作主要可以分为以下三类：（1）研究并阐述科学家个人及其对科学发展的贡献；（2）关于某一课题的发展史，如研究人类测量太阳和地球之间距离的发展史等；（3）对某一历史事件发表评价，如研究惠更斯和牛顿对光的本性的争论，比较谁的模型能更好地解释光的反射和折射现象等.

如人教版高中物理教材必修一第四章第一节“牛顿第一定律”的教学过程中，主要涉及牛顿第一定律概念的发展过程、伽利略的研究过程和方法、牛顿等人的研究及对后续的影响和发展.因此，本节课的科学写作可以设置为：（1）研究伽利略理想实验的提出背景，并说明理想实验在解释伽利略观点中的作用；（2）研究牛顿对物理学的贡献，有人说他的三个定律是他一生中最伟大的成就，你怎么看；（3）研究亚里士多德的观点和伽利略的观点，分析产生差异的原因.教师可以根据课堂教学情况，选择其一，让学生进行写作.

四、总结

利用物理学史进行科学本质教学，要求教师具有较高的科学素养，并适时关注学生的科学本质观的变化情况.教师可以利用课堂观察法、访谈法、文本分析法（分析学生的科学写作）等对学生的科学本质观进行简单的了解.然后在对学生科学本质观了解的基础上，选择物理学史，设置科学本质教学目标.科学素养的培养不是一蹴而就的，是一个循序渐进长期熏陶的过程.在平时的教学工作中，教师不仅要重视对学生科学素养的培养，还要注重自身科学素养的提高，以身作则影响学生的科学本质观，使学生的科学本质观得到全面发展.

参考文献：

[1]LEDERMAN N G. Students and teachers conceptions of the nature of science： a review of the research[J]. Journal of Research in Science Teaching ， 1992， 29（4）： 331-342.

[2] 刘健智.中学生科学本质观的测量指标研究[J].教育测量与评价，2009（7）：32-33.

[3] Abd-El-Khalick F， LEDERMAN N G. Improving science teachers conceptions of nature of science： a critical review of the literature [J]. International Journal of Science Education， 2000（22）： 665-667.

[4] 林兆圣. 以原子发现科学史融入教学对学生科学本质观影响之研究[D].高雄：国立高雄师范大学， 2003.

[5] 郭奕玲.物理学史[M].北京：清华大学出版社， 1993：261-267.