科学精神：物理课程教育的核心

张碧霞

摘 要：发展学生的科学精神素养是物理课程教育的核心。本文阐述物理课程中蕴含的科学精神品质及其培养。

关键词：科学精神；批判质疑；理性思维；勇于探究

《中国学生发展核心素养》是教育部委托北京师范大学联合国内高校近百位专家且历经三年共同研究的课题，现已敲定“人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新”为学生发展的六大素养，这是新一轮课程改革的风向标 [1 ]。诚然，发展学生这六大素养是各级各类学校教育的共同目标，然而由于各学科内容特点不同，不同的学科应具有不同的侧重点。物理是科学家前赴后继且经历艰难曲折的科学探索过程而建立的科学课程，其中蕴含着科学发展史方面的人文底蕴、科学探究中的科学精神、科学活动层面的实践创新这三大核心素养的教育资源。然而究其实质，其中科学精神是其精髓。科学精神，主要包含批判质疑、理性思维、勇于探究这三种精神品质。实践创新源于批判质疑且勇于探究的行为，科学发展离不开崇尚真理和理性思维。可见，发展学生的科学精神素养是物理课程教育的核心。本文就物理课程中蕴含的科学精神品质及其培养，谈谈个人的粗浅认识。

1 批判质疑：物理科学发展的起步

批判质疑，指具有问题意识，能独立思考与判断，能多角度、辩证地分析问题 [1 ]。它表现为对真理的质疑，意味着对权威的挑战。物理科学的诞生与发展正是源于物理学家批判质疑的科学精神。

如对“光的本性”认识，人们经历了漫长的“否定再否定”的批判与质疑过程。最初是牛顿的“微粒说”：光是以微粒的形式从光源飞出，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动。它能成功地解释光的反射和折射，然而却无法解释“牛顿环”这种衍射现象。荷兰物理学家惠更斯反对“微粒说”并提出“波动说”：光是在“以太”这种特殊物质中传播的波。他不仅能解释光的反射和折射，而且还能成功地解释光的干涉、衍射、偏振等现象，然而又无法解释“光电效应”现象。由于无法验证“以太”物质的存在，同时依据法拉第观察到“光的振动面在磁场中发生旋转”、麦克斯韦关于光速等于电磁波速的论证以及赫兹实验的问世，物理学家又提出了“光波是一种电磁波”的“电磁说”。依据“光电效应”现象，普朗克提出了“量子说”：各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，计算光子能量的公式为E=hν。如何把光这种“微粒性”与“波动性”统一起来，法国物理学家德布罗意提出了“物质波”，并给出既能体现“微粒性”又能体现“波动性”的公式λ=h/p。即频率大的光子更具有“微粒性”，波长大的光子更体现为“波动性”。从光现象的发生过程而言，少数光子多体现为“微粒性”，大量光子则体现为“波动性”。至此，关于“光的本性”争论才得以告终 [2 ]。

物理课教学中培养学生的批判质疑品质，主要是培养学生的质疑意识。质疑，这里指学生在课程学习中能主动地发现问题并提出问题。首先是注意引导学生从教材中质疑。由于知识的局限性，学生对教材中的某些内容往往存在一定的困惑，或知其然不知其所以然。如 “质点”概念，教材给出了一副地球绕太阳公转的示意图，其中地球为什么能绕太阳运动、为什么是椭圆运动、为什么太阳不在椭圆中心…等等，这些问题都是刚学习高中物理学生的疑问。然而在实际的阅读学习中，由于受“质点” 这个主题概念的暗示，学生们往往不去思考示意图中隐含的问题，这也正是学生能否发现问题的洞察力欠缺之处。从科学探究的角度来说，这就是科学洞察力的问题。可见教学中必须加强质疑训练。其次是注重引导学生从生活实践中质疑。人类生活的确是一种“万花筒”，其中蕴含着丰富的知识与方法奥秘。如“测量婴儿体温的红外线体温计或智能体温计其测温原理是什么”、“铁路弯道为什么是外轨要设计高些”、“为什么‘香蕉球能绕过‘人墙作弧线运动”…等等，这些生活实践的问题，都是值得学生质疑的问题。

学习中提不出问题，意味着学习者没有进入角色，科学上提不出问题，意味着科学的止步。教学中引导学生质疑，正是为学生未来从事科学探究活动树立批判质疑意识。

2 理性思维：物理科学发展的基石

理性思维，指注重理解和掌握基本的科学原理和方法的意识；尊重事实与严谨的求知態度；能运用科学的思维方式认识事物和分析与解决问题的行动等 [1 ]。物理是以事实为基础、以实验为基本形式、以科学思维为主要方法、以数学为主要工具的理性思维课程。可见，理性思维是物理科学发展的基石。

理性思维，首先是体现人们对事物认识的本质性，既透过表面现象来究其本质性原因。如关于“力和运动”的关系，古希腊学者亚里士多德认为：“有力作用，物体才运动，停止用力，运动的物体将会变为静止。”物理科学之父伽利略对亚里士多德的这种观点，指出运动的物体会变为静止的原因是受到阻力作用，并且通过“斜面实验”来说明“运动的物体若不受力作用会永远地运动下去”的力学现象，同时以“力是改变物体运动状态原因”的论断来揭示“力和运动”的本质关系。其次，理性思维是体现人们对事物认识的深刻性。对于伽利略的观点，法国学者笛卡尔通过对“斜面实验”的深入分析而发现：运动的物体若不受力作用会沿直线永远运动下去，其中“直线”二字就是认识的深刻性。然而物理学家牛顿对伽利略的“斜面实验”和笛卡尔的观点进行更深入的考察与分析，从而提出了著名的“牛顿第一定律”，同时从物体“惯性”的这种本质属性来揭示“力和运动”关系的本质内涵，这种思维何等的深刻。应该说，教材中所有物理概念的形成或物理规律的建立，无一不体现着物理科学的理性思维。

理性思维必须以充分或全面感知为前提，而且是通过分析与归纳、抽象与概括的思维形式来认识事物的本质特征。在物理教学中以发展学生的理性思维，具体做法是促进学生的表象感知、比较分析与和归纳类化。

“加速度”是高中物理课程中一个很重要的概念，也是一个认知难点，而且经历较长阶段的逐步深化过程。引导学生准确且较深刻地理解其表达式a=，则是发展学生理性思维的有效教学。表象感知，就是指教学中提供形式多样且内容丰富的加速运动案例，如飞机起飞、火车进站、子弹从枪膛射出等无往返特点的直线运动；又如竖直上抛、弹簧振子等具有往返特点的直线运动；让学生初步感知加速运动的各种运动形式。比较分析，就是引导学生对上述各类运动，比较分析其速度的变化：如果是无往返特点的直线运动，怎样计算（vt-v0）；如果是具有往返特点的直线运动，又怎样计算（vt-v0）；如果速度是均匀变化，（vt-v0）/t的值具有怎样的特征；如果速度是非均匀变化，（vt-v0）/t的值又具有怎样的特征。归纳类化，就是引导学生在比较分析的基础上构建平均加速度与瞬时加速度的概念，同时分类归纳计算各类加速度的矢量运算方法。这样的教学，既可以促进学生分析与解决问题思维的全面性与深刻性，又可以促进学生对“加速度”概念有着本质性的认识，这就是发展学生理性思维的有效教学。

3 勇于探究：物理科学发展的活力

勇于探究，指具有强烈的好奇心和进取心，并具有不畏困难且坚持不懈的意志力，能大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法等心理与行为品质 [1 ]。

勇于探究是科学精神的核心内涵，更是物理科学发展的活力。英国法拉第是世界著名自学成才的科学家，他在物理与化学科学方面的重大贡献完全源于他勇于探究的科学精神。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，引发了原本研究化学的法拉第的极大热情，并开始转向电磁学的研究。他企图从静止的磁力对导线或线圈的作用而产生电流，做了大量的实验，但都是失败。法拉第毫不气馁，经过近10年的不断实验，终于发现了“电磁感应定律”，接着又发明了圆盘发电机，在电的发明及应用方面，他对人类做出了巨大的贡献。自十六世纪至十九世纪的近三百年来，正是由于伽利略、牛顿、帕斯卡、法拉第、歐姆等诸多物理学家的勇于探究，不仅给物理科学的发展注入了极大的活力，而且推动了社会生产力的彻底变革并促进了人类文明的极大进步。

物理教学培养学生勇于探究的科学精神，重点是引导学生开展探究性学习。具体的探究性学习引导主要体现为以下三方面。

（1）促进概念认知的探究性学习。如“弹力”概念教学，教师先提供诸如“橡皮筋下挂重物”、“气球上放木块”、“手压竹片一端弯曲”等生活现象并演示“手压桌面而产生微小形变”实验，然后让学生分析“弹力产生的条件”、“弹力的方向”、“决定弹力大小的因素”等问题，最后引导学生用自己的话来表述“弹力”概念。这样的学习，既可以促进学生对概念认知的深刻化，又可以发展学生分析与归纳、抽象与概括的理性思维。

（2）引导科学探究的探究性学习。新教材的突出特点就是把隶属于定理或定律的课程知识都设计为“科学探究”课题，为引导学生开展探究性学习提供了良好的平台。为发展学生勇于探究的意识与行为，教学中除了放手让学生开展自主式或合作式探究活动外，教师还应对探究内容进行适当地调整。如《科学探究：一种匀变速直线运动》，教材给出的问题是“仅在重力作用下的运动”，如果改为“探索滑块沿斜面下滑的运动”，那么不仅能很好地诱发学生的活力思维，而且有益于促进学生勇于探究的行为。

（3）延伸拓展问题的探究性学习。挖掘课题潜在性内涵的扩展性学习是高中物理学习的重要方面，如依据匀变速运动的两个基本公式来导出Δs=a·Δt2，从而认识到“匀变速运动的特征是在相等的时间里位移的变化相等”，这既是扩展性学习，也是课题内容延伸拓展问题的探究性学习。在高中物理学习中，这样的延伸拓展问题比比皆是，它既是引导学生开展课外探究性学习的良好资源，又是提升课程学习效益的重要方面。

科学精神是学生未来从事科学探究活动的核心素养。其中的批判质疑品质表现为人们对科学探究的自觉意识，勇于探究表现为人们对科学探究的努力追求，而理性思维则表现为人们对科学探究而持有的态度与方法。

应该说，爱因斯坦的“成功=少说废话+艰苦劳动+正确方法”公式就是对科学精神的通俗诠释。

参考文献：

[1]京城教育圈. 中国学生发展六大核心素养敲定[EB/OL]. http：//edu.sina.com.cn/zl/edu/2016-09-18/11143922.shtml.

[2]沙振舜，钟伟.简明物理学史[M].南京：南京大学出版社，2015：284-286.