渗透科学本质观的高中物理教学初探——以“能量守恒定律与能源”为例

陈 彬 管小庆

(江苏省锡山高级中学,江苏 无锡 214174)

1 问题的提出

科学本质观是人们对科学本质问题的认识．而科学教育的重要目标之一就是要培养学生对科学本质问题的认识,让学生拥有自己的科学本质观．科学本质包括3个主要部分:第一是科学世界观,世界是可以理解的,科学知识是有用的,但科学不能为所有问题提供圆满的答案;第二是科学探究,科学要求证据,科学是逻辑和想象力的结合,科学拒绝权威,同时科学家试图避免偏见;第三是科学事业,科学是一种复杂的社会活动,科学家在科学研究过程中遵循普遍的准则,然而科学家在参与公共事务时既是专家也是公民．2017年提出的高中物理核心素养中,明确物理核心素养分为“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”这4个方面．其中“科学态度与责任”中明确提出:“在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感．“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素．”可见科学本质观对于学生的重要性也日益显著．虽然培养学生科学本质观的观念已经逐步渗透在教师心中,但是迫于升学的压力,现阶段的物理教学依然很难有较大的改观．许多公式、定理的教学依然是“去背景化”的,而许多结论的介绍依然是开门见山,省去中间许多的假设、归纳、实验,从而让学生有一种物理乃至科学是确定的、绝对的错觉,不利于学生培养全面的科学本质观．

2 科学本质观的发展及渗透科学本质观的物理教学

关于科学本质观的演变,一般可以分为两种:传统的科学本质观和现代的科学本质观．传统的科学哲学认为:科学是用仔细的观察、实验收集的事实和运用某种逻辑程序从这些事实中推导出的定律和理论．它强调,知识是经过实证检验过的,具有永恒性.自近代以来,传统的科学本质观,在相当长的一个历史时期内,成为一个普遍流行的观点．而我们中学所教授的物理知识和定律,大多产生于这一时期,这也无疑给现代的学生以传统科学本质观的熏陶和教育,学生也在潜移默化中接受了这种我们所学的知识是绝对的,永恒的观点．而现代的科学本质观则强调通过归纳和证实等方式获得的科学知识并不是绝对正确的,是可错的,科学知识只能被证伪．当今的科学本质观主流是建构主义的科学本质观．该观点认为,科学知识的获得是科学家根据原来的知识、现有的理论来建构科学知识,它强调的是知识的暂时性、主观性、建构性,科学知识会被不断地推翻和修正．现代的科学本质观对于中学生来说可以说是颠覆性的,因为它否定了科学知识的客观性,强调知识是依靠原有知识的建构,是可以不断被否定和修正的．而对于长期处于逻辑实证主义观点教育下的学生来说,这使得他们很难理解此等本质观．而处于物理学科前沿的理论、乃至高校物理的教学和科研,建构主义本质观更加合适,因为现代物理更强调的是提出尝试性的、探索性的理论假设.这些假设是描述世界可能是什么样的,而不是描述世界是什么样的．科学家只能够提出假设,来尽可能地去接近这个世界,而不可能完全符合．笔者认为,这两种派系的科学本质观各代表着一类时期的人对科学的根本认知．17世纪至19世纪是经典物理学的盛世,那时的物理体系还是牛顿力学体系以及麦克斯韦的电磁学理论体系．那时的科学还是依靠经验、观察、实验,最后理论被证实,这些知识就成为了永恒的绝对的“真理”．而现代的物理学则强调对基础物理的高度概括性描述以及尖端物理技术的运用．

而对于处于中学阶段的学生来说,他们在初中阶段学习的依然是经典物理学,已经是固定的、经历了时间和现实的考验的,也就是传统的科学本质观所认为的绝对的,永恒的．所以对于中学生来说,他们长时间接触的经典物理体系使得他们对科学本质观会有着片面的了解,不利于学生正确的科学本质观的形成,对科学假设和理论表现出盲从而轻信的态度．同时固定的知识体系也会压抑学生的好奇心与求知欲,更不利于培养学生探究和创新能力．

因此,为了培养学生建构主义科学本质观,使得学生能够对科学有着更为全面的了解,弥补传统物理教学过于强调传统科学本质观的弊端,在平时教学中渗透科学本质观的教育势在必行．通过生动有趣的课堂,不仅可以使学生从学习物理学伊始就对物理学本质有着一定的认识,更能激发学生对物理的兴趣,更好地帮助学生衔接经典物理与现代物理,接触物理前沿,跟上科技前进的步伐,能够应对这个日益科技化的世界,正确理解新科学知识和产品，合理看待科学家以及科学事业,为高校的物理教育做铺垫,从而为高校输更多的物理人才．

3 渗透科学本质观的物理教学初探

3.1 渗透科学本质观的物理教学策略

提升学生科学本质的教学策略一般可归纳为内隐和外显两大途径.[1]前者主要是在不明确科学本质的前提下,在课堂教学中通过一些物理学史、人物轶事、实验探究等方式,让学生置身其中,对科学本质有一定的了解和体会;后者需指出科学本质的成分,从而使学生有目的地对科学本质观有一定的了解．在具体的物理教学时,两种教学策略一般穿插使用．例如:在进行校本课程教学时,可以多运用外显的教学策略;在进行课堂教学时,可运用内隐策略;又例如:讲解概念、规律、实验教学时,为了突出教学重点,可运用内隐策略;进行物理学史、知识介绍等文科性质的教学时,可以多运用外显策略．本文所展示的教学案例采用的是内隐策略．

3.2 渗透科学本质观的教学案例——以“能量守恒定律和能源”为例

课堂实录:

(1) 展示图片模型,激发学生兴趣.

图1 “悬空茶壶”喷泉

师:同学们,这是我在网上找到的一张图片(图1),请大家联系自己的生活经验思考,这张图片是真的吗?请说明自己的理由．

生:这不可能．没有水进入,就有水流出,水凭空产生了,这违反了守恒定律.

师:那大家再看我手里的这个饮水鸟(图2),观察一下,请问这个小鸟的工作原理是什么呢?

生:这里面应该装有电池吧!电池输出能量,才能让小鸟动起来.

(2) 引入能量概念,探究能量的转化.

图2 “饮水鸟”装置

师:你刚刚提到了能量,其实我们生活当中能量无处不在,你能用自己的语言谈一谈什么叫能量吗?

生1:就是能源!

生2:就是动力

……

师:大家的定义不是很准确,我们了解能量,但很难给能量下一个定义．能量表示物理系统做功的本领,是物质运动转换的量度．能量的种类有很多种,常见的有机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能等等．那这些能量之间有联系吗?请大家分组讨论以下情况,并指出里面涉及到哪几种能量的转化．

图3

师:图3中是大家平时最常见的水果,那么植物的生长需要光合作用,请问在光合作用时,能量是如何转换的?

生:光合作用是由太阳能转化为化学能.

图4

师:图4是水力发电站,水力发电利用河流、湖泊等位于高处具有能量的水流至低处,利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动,转动的水轮机推动发电机,从而产生电能．

生:重力势能转化为动能,再转化为机械能,最后转化为电能．

师:这两个例子说明不同能量之间有什么联系?

生:不同能量在一定条件下可以相互转化．

(3) 引入物理史实,渗透科学本质.

师:那既然能量之间可以相互转化,我们是否可以做出一种源源不断对外做功而不消耗外界能量的机器呢?这种想法最早起源于印度, 后来通过伊斯兰教传到了西方．从13世纪开始,就不停地有学者提出永动机的模型(图5),其中不乏像达芬奇一类的大家,但是,无一例外,他们设计的永动机,无论在方案上多么完美无缺,一到实际应用,就立马问题百出．最后,科学家们发现,永动机是不可能存在的．接下来给大家看一个模型(图6),请问这样可以实现永动吗?如果不可以,为什么呢?

图5

图6

生:不可以永动．因为从整体的受力情况来看整体受力平衡,没有外力驱动他们前行.

师:非常好．17世纪和18世纪时期,人们热衷于制作永动机,宫廷里聚集了形形色色的企图以这种虚幻的发明来挣钱的方案设计师．有学识的和无学识的人都相信永动机是可能的．而现在的科学早已证明永动机是不可能存在的．

师:从这个故事我们可以发现,科学的规律并不是一成不变的,再多人相信的“事实”,也会随着时代的进步而改变．即使是被实验证实的结论,也可能因为科学的进步被证明只能在某一领域成立．科学是变化的,是不断修正过的产物,所以我们既不能迷信权威,也不能对事实存有偏见．

(4) 揭示能量守恒定律,引发学生思考科学与社会的联系.

师:既然能量可以在一定条件下相互转化,那么转化的过程中它们的总和是否会发生变化呢?请学生们大胆猜想一下!

生:不变!

师:很好!能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其他物体,而能量的总量保持不变．能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一．早在19世纪中期,德国医生、物理学家J·迈尔在一次观察病人血液的偶然机会中,想到了能量守恒,并从理论的层面,配合一定的实验,于1842年表述了能量守恒定律,成为了能量守恒定律提出的第一人!在此之后,英国物理学家J·焦耳做了大量实验,用各种不同方法求热功当量,所得的结果都是一致的．1847年德意志科学家H·亥姆霍兹对能量守恒定律进行了严格的数学描述……

师:我们发现,一个科学定律的得出并不是完全靠某位科学家一时心血来潮而得到的,它的背后更多的是严格的推导,精确的实验,数据和假设的契合…科学是建立在严密的逻辑体系和实验的基础之上的,我们往往会过于在乎发现的偶然性,而忽略了科学的本质与它建立的过程．

师:请同学们再次阅读教科书第81页右上角的介绍(表1),不知道同学们发现了没有,科学家大范围地关注到能量的相互转化是从19世纪开始的;发现能量守恒集中在19世纪40年代,请问这是巧合还是必然呢?

表1 科学家关注的自然界现象之间的联系

生1:我猜是巧合.

生2:我猜是必然．

师:我想提醒一下大家,19世纪往前推半世纪,在全球范围内发生了一件怎样的大事?

生1:第一次工业革命!

师:第一次工业革命的标志是什么?

生2:蒸汽机作为动力机被广泛使用!

师:很好,那请问你们能知道二者之间的联系了吗?

生:因为第一次工业革命,社会的发展导致蒸汽机的使用,从而促进了科学家对能量转化的认识,所以能量守恒定律集中在这一个阶段被发现了!

师:对!由这一段史实我们可以看到,自然科学的发展并不是孤立的,科学家也不是孤立存在的个体,他们会受到社会环境的影响,他们的认识会受制于社会的发展水平;同样,科学的发展也会受制于社会的物质发展水平,只有社会发展到一定的水准,实验设备才能同等级地提升,物理规律才能被进一步揭示．我们常说,科技的进步能够促进社会发展,有些同学以为,科技能够决定社会,能够决定生产力,其实不然:社会生产力的进步决定了科技的发展,科技的发展反过来再促进社会的进步,这就是我们哲学中所说的:“经济基础决定上层建筑”“社会存在决定社会意识,社会意识反作用于社会存在”

(5) 介绍能源的变迁与发展,培养节约能源的意识

师:能源在我们生活当中不可或缺．我们身边的能源的形式形形色色．距今五六十万年前,火的使用是人类利用能源的一个里程碑,这让人类告别了茹毛饮血的时代；第一次工业革命时期,煤的广泛使用,让人类的生产力有了巨大的变化;19世纪80年代,石油的广泛利用,内燃机的出现,推动了机械化和电气化的进程……然而,能源的不断利用,对周围的环境也产生了巨大的影响:温室效应、气候变暖、大气污染、酸雨等等.这无不昭示着人类在发展过程中的不完善．现在,我们更加追求能源的可持续性和清洁性,我们更多地在利用太阳能、核能、风能等清洁能源,现在的人类正在追求人与自然的和谐共处．

3 总结

在物理教学中渗透科学本质观的教育,可以根据课堂教学的具体内容,具体问题具体分析,并不需要每节课都涉及,但一定要在潜移默化中培养学生对于科学本质的认识,更重要的是对科学研究的本质和科学事业本质的认识．帮助学生更好地衔接中学物理与大学物理乃至更高层次的领域,修正学生对于科学知识本质的认识,更好地激发学生的对物理等科学课程的热情与兴趣．