在物理学科中培养学生科学态度与责任的教学策略及案例

2021-06-07王玉春

物理教师 2021年5期

关键词：科学态度伽利略本质

王玉春张晓

（北京市第二十中学，北京 100085）

1 “科学态度与责任”及其重要性

1.1 对“科学态度与责任”的理解

中学物理课程标准中指出：“科学态度与责任”是指在认识科学本质，认识科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感.

在人对自然的认识与实践活动中，科学态度与责任具有决定性的导向作用，是人的科学素养的核心要素，应该是贯穿于整个中学物理教学过程中，在学生形成物理观念、提升科学思维能力和培养科学探究能力过程中逐步渗透的.如何通过日常教学使学生对“科学本质”的认识能力逐步提高，培养学生严谨的科学态度，进而提升学生的科学素养，直至最终形成学生的科学精神，是所有中学物理教师需要思考的问题.传统物理教学的内容体系与教学模式更多是注重于知识点的讲解与应用，缺乏对物理学史的挖掘及认识过程中的科学方法的教育，对学生的自主探索、勇于实践等方面的能力锻炼较少，因此对学生科学精神的培养也较少.随着课程改革的不断深入，在物理教学的实施过程中，日益重视对科学本质的认识和对科学精神的培养，其内涵、教学策略与途径需有进一步的认识和发展.

1.2 应重视对“科学态度与责任”的研究及在物理课堂教学中的落实

（1）经过全面、科学的统计，在物理学科核心素养的研究中，学者们大多数集中在物理观念、科学思维、科学探究方面，科学态度与责任方面的深入研究并不多见，这与国家提出的核心素养的初衷还有一定差距，我们还是要注重培养学生的科学态度与科学责任，并在教学中不断研究、形成切实可行的教学策略.

（2）在教学设计中，科学态度与责任这方面的体现也不是很充分.多数是从爱国主义教育和保护环境这些方面去设计，尤其是对学生“科学本质”的培养不够.在多数专家的新课标学习辅导讲座中也是一带而过，挖掘不够.要想培养出真正的能够对人类科学发展做出突出贡献的科学家，这方面素养的提升是非常重要的，甚至比科学知识本身更重要.

在培养学生的科学态度与责任的教学过程中，应对教学资源和内容进行整合，并且在教学设计中有明确的体现，形成较为完善的教学策略.笔者思考如下，供读者参考.

2 培养学生科学态度与责任的教学策略

2.1 关于“科学本质”的教学策略

在物理课堂教学中要充分利用好物理学史这一教学资源.通过学习物理学史，一方面能够了解科学家是如何研究某一问题的，另一方面能够从中学到科学家们的一些重要的科学研究方法及其演化过程，在形成学生的科学思维能力的过程中逐步提升对科学本质的认识能力.

在教学中要让学生充分认识到物理学的研究是建立在科学观察和实验的基础上进行的具有创造性的工作.所以，在教学中要注意每一个概念和物理规律的得出过程，能做实验的就一定要做实验，即便有些实验还不太完美，还比较费时间，教师只有长期这样做了，才能使学生逐步认识到科学本质.

同时，也要让学生认识到科学研究就是在观察和实验的基础上的一种科学的抽象活动.比如，在“弹力”概念的教学中，让学生能够从生产、生活中的现象抽象出形变、弹力的概念，并体会物理学建立概念的一般性的科学方法：从简单到复杂，从个别到一般的归纳方法.并让学生体会建立物理概念的重大意义.学生的科学抽象能力只有经过学生不断地体会，才能逐步形成.

通过物理课的学习，要让学生充分认识到科学是不断向前发展的，很多科学原理具有持久性和普适性，同时也有局限性.比如：讲万有引力定律时，引导学生充分认识到其在解决天体问题时具有的重大意义、普适性；同时，结合相对论初步的讲解，认识到其局限性.讲近代物理时，在进行教学设计时要给予充分的考虑，通过引导学生在认识原子和原子核的组成时，要以问题引领学生的思维.这样，学生就会逐步认识到科学本质.

2.2 关于“科学态度”的教学策略

逐步形成学生正确的科学态度的第一步：我们的教学设计和学生的学习过程，要考虑到激发和保护学生的好奇心，因为好奇心是创造力最活跃的因素.教师的问题设置就显得比较重要了，通过问题引领学生探索自然规律.

自始至终要培养学生实事求是的科学态度，无论是建立一个科学概念还是处理一个实验数据.教师要在这方面起到榜样的力量；并且，不要回避教学过程中每一个难解决的问题，这对学生形成科学精神至关重要.在课堂教学中对于学生学习过程中生成的问题，要和学生一起认真对待、解决，实事求是.即便当时解决不了，也不能随意对付过去.其实，课堂教学最好是能激发学生更深层次的思考.

与人合作的习惯和意识，需要培养.在物理教学中有以下几个地方教师们要特别关注：（1）实验课，尤其是学生分组实验，要在课堂上引导学生分工合作，共同完成实验、分析实验数据和误差.（2）课堂上要设计一些需小组讨论的问题，要有小组交流展示环节.（3）作业讲评前让学生讨论，每次在作业讲评前先让学生讨论5 min左右的时间.这样一些个性化的问题就能很好解决，教师再讲时，解决的就是整体出现的共性的问题.长时间坚持这样做，好处有：（1）课堂的效率提高了，使课堂真正成为了高效课堂.（2）学生间互相讲题，提升了用自己的语言表述一个物理问题的能力，达到了真正理解物理概念、规律的目的.（3）在学生间的辩论中，对很多问题加深了理解.尤其是自认为理解的知识，在给别的学生讲解过程中才发现掌握的不到位.这样，丰富的物理教学活动，才能使学生不断养成合作交流意识和提升这方面的能力.教师要引导学生养成既能坚持自己的观点，又能修正错误的科学态度.鼓励学生主动与他人合作.使学生认识到，在科学研究的历程中，有很多科学家成绩的取得都有赖于与他人的合作，因为，每个人的研究方向不同，思考的问题不同，擅长的领域和研究方法不同.相互的融合、借鉴、启发，才使我们取得当今社会的科学成就.即便在我们完成学业和获取知识过程中，与人交流和合作是应有的素质，是一种科学态度.在中学物理课堂教学中应该创设机会，让学生养成这种习惯.在一些课题研究中，让学生在交流合作中获得取得成绩的喜悦，真正懂得交流和合作是科学研究过程中必备品格.这对培养学生的科学素养非常有好处.

在课堂教学中培养学生实事求是的科学态度.在一些实验结果的处理中，应本着实事求是的科学态度来正确看待实验数据和处理实验数据，认真分析实验误差，绝不弄虚作假，养成良好的科学道德规范.在学习科学家的研究的过程中，也要正确看待科学家在特定历史时期出现的认识上的不足，尊重别人的研究成果，并学会修正错误应有的方法和态度.

2.3 关于“社会责任”的教学策略

在教学中要强化物理学的发展在不断促进技术的进步的同时，还应注意与社会的发展、保护环境的关系，让学生有一种社会可持续发展的意识.能依据普遍接受的道德与规范认识和评价物理研究与应用.这就需要我们教师在进行教学设计时考虑这方面的因素，不能靠灌输，而在于渗透.比如：在讲航天航空事业的发展时，让学生知道要和平利用太空，合理、可持续的利用太空资源.在讲到核能的利用时，一方面要让学生明白理论的突破可推动技术的进步，另一方面也必须明确，在利用科技上的进步来改变我们的生活的同时，要关注核能的利用对环境的影响，与人类发展的深刻关系.教学中要让学生充分表达自己的观点，并且在网上查阅资料，能够认识到科学进步对社会发展的影响.也让学生能够认识到，人类的发展应该注意可持续性，使得人与自然的和谐发展.这有利于提升学生整体的素质和培养合格的接班人.

2.4 利用好教学资源培养学生的科学态度和社会责任

培养学生的科学态度和社会责任需要我们教师不断捕捉可利用的教学资源，不断渗透，不能刻意为之，是一种思考问题的习惯，是一种科学素养.以下略举几例.

在讨论“速度与现代社会”的过程中就学生学过的速度概念来联系社会的发展，使学生认识到科技进步对社会发展的影响，并提出了：交通工具是不是速度越快越好的问题，这对学生树立可持续发展的观念和养成质疑的习惯非常有好处.

在探寻法拉第建立场的概念的过程，通过学习法拉第及麦克斯韦等科学家对电磁本质的深思以及他们的科学研究方法和思维方法，使学生们树立和丰富正确的物理观念起到了很好的作用，也使学生的心中埋下了一颗想要探究科学本质的种子，也会从他们的研究过程中学到一种求真务实的科学态度.这对培养学生对学习和研究物理的内在动力产生很重要的作用.同时，通过人们对场这种物质的认识历程也使学生形成更加规范、严谨的科学态度.

在必修3“法拉第与电气化时代”一文中，使学生体会到，科学家的重大发现和取得研究成果，其实源于对以往知识的熟悉和新鲜事物的敏感.另外，科学研究的真正动力是科学家们具有的社会责任感，并非功利利益.充分认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性的工作，理解科学本质.

通过学生对美、加、英发生大面积停电引发的思考，认识到科学技术与社会的关系，从而引发更多的思考：人类有必要在这样大的程度上依赖技术吗？这对学生能依据普遍接受的道德与规范认识和评价物理研究与应用，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感有重要的意义.在选修2《输电技术的发展》一文中，使学生充分认识到物理学是人类认识自然的方式之一，是不断发展的；并让学生体会到研究物理在技术和社会发展中的重要作用，激发学生学习物理的内在动机，实事求是，既能利用已有的科学成就又能根据社会的发展，不断发展科学理论及技术；对学生养成保护环境、节约资源、促进可持续发展的良好习惯也是一个很好地教学素材.

3 教学案例

3.1 教学案例1：万有引力与宇宙航行

（1）在人类探索行星的运动的规律过程中，包含有非常丰富的科学研究问题的方法和思维方法，以此为依托，可以很好的提升学生对“科学本质”的认识能力.

古代天文学家托勒密虽然提出了地心说，但托勒密也是长期观察天体的运行规律后，才得出的结论.要让学生体会到物理学的研究是建立在观察的基础上的一种创造性工作，提出的理论需要接受实践的的检验，要和自然规律相吻合.所以，为了解释行星的逆行，古希腊人提出一个理论，提出了“轮上轮”的物理模型.开普勒以全部的精力研究了第谷的观察数据，并用哥白尼的学说，按照圆周运动的观点思考问题，以此得到的计算结果和第谷的观察数据有些偏差.开普勒的伟大之处在于他的工作的创新性，这体现了伟大科学家的科学素养，他相信和尊重第谷的观察数据，对完美的圆周运动提出了质疑.推动物理学的发展过程中，最活跃的因素就是大胆的猜想，当然也需要小心求证，开普勒就用了9年的时间去不断探索和进行了大量复杂的计算.在其中，很好地体现了物理学的发展是一门具有创造性的工作，并且不断向前发展着.在开普勒行星运动定律学习过程中，可以使学生认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性的工作.

在教学中，我们不要急于批判托勒密及其他几位科学家的理论的不成功，而要引导学生沿着科学家的足迹，体会人类认识自然的科学本质的过程中体现出来的思维过程和探究方法.对这种思考问题的方式的深入体会，才能使学生不断提升科学素养.

（2）万有引力定律的提出和发展过程是人类对自然现象的又一次解释与深入思考过程，是对科学本质的逐渐认识过程.

什么是科学，就是在大量的自然现象背后遵循的本质规律.万有引力定律的发现过程的教学片段，是提升学生科学素养难得的好的素材和载体，要利用好.通过历史上科学家们对这些问题的思考，让学生体会到：在寻找运动现象背后的规律时，认识是逐步深入的，但一直是在科学本质的探寻道路上不断前进着.在这一过程中，也必然会用到科学探究的方法和推理、论证的科学思维方法.

万有引力定律的得出过程，很好的体现“科学本质”的几个核心要素：科学抽象、创造性，规律的相对持久性、普适性和局限性.

随着引力常量的得出，又测量了多种物体间的引力，所得结果与利用引力常量G按万有引力定律计算所得的结果相同.引力常量的普适性成了万有引力定律正确性的有力证据.万有引力定律对人类认识宇宙和进行宇宙航行起到巨大的指导作用，让学生体会到物理学的基本规律得出的重要性.相对论时空观与牛顿力学的局限性一节课的教学不是可有可无，使学生对“科学本质”的整个认识体系的形成起到很重要的作用，使学生能够客观看待物理规律，这对学生形成正确的科学态度和科学世界观至关重要.

在以往的教学中，教师们更加关注的是在推导过程中的科学思维能力和科学探究能力的培养和提升，这是应该的.但作为教师，如何把学生培养成具有理性思维之人，不能缺乏对“科学本质”认识、方法层面上的引领和教学设计中的相关体现.

（3）以本单元丰富的物理学史为载体，帮助学生逐步形成正确的科学态度与促进社会责任感.主要是以下几个方面进行.

① 对物理学有较强的学习和研究兴趣.

历史上，人类对行星的运动及其运动原因，到后来的万有引力定律的发现过程，凝聚着众多科学家的智慧和心血.从古代天文学家托勒密，到哥白尼、第谷、开普勒、伽利略、笛卡尔、胡克以及牛顿等科学家，他们对科学的发展都做出了突出的贡献.在教学中，可以采取查阅资料等丰富的教学形式让学生体会到他们在科学研究的道路上所表现出来的共同特征：他们对探索自然规律的热爱、有科学的研究问题的方法以及较强的学习新知识的能力和意识.比如：天才的观测家第谷，用了毕生的精力观测行星的运动.是什么力量能够支撑着他去完成这项艰巨的工作？是兴趣，是对神奇宇宙的好奇.怎么能让我们培养的学生在以后也能冲顶诺贝尔奖，我们中学物理教师有责任做好潜移默化的影响和方法教育，要不断激发学生对科学研究的兴趣和培养科学精神.这需要我们教师不断设置教学情境和有价值的问题，引发他们的思考，还要注重保护学生的对自然探索的好奇心.这些是很难靠刷题来实现的.再比如：开普勒之所以伟大，在于能够在第谷大量的观测数据的基础上，进行不断地探索、复杂的计算、归纳总结和科学抽象，发现了现象背后的本质规律：行星的运行规律.牛顿将运动与力建立联系，将行星的运动（向心加速度）与需要的力（太阳对行星的引力）联系起来了，并且进行了更加深入的思考：将天上的力和地上的力统一起来，最终发现了万有引力定律.要引导学生学习牛顿对自然现象的解释与深入思考，对科学本质的逐渐认识的习惯与探索的精神.

②实事求是的科学态度.

开普勒对火星轨道的研究发现其计算结果和第谷的观测数据有较大的偏差时，对第谷的观测数据深信不疑，开始对完美的圆周运动进行了质疑，经过艰辛研究，终于发表了开普勒三定律.很好地体现了科学家实事求是的科学精神，这正是要让我们学生应该具备的品格.

哥白尼、布鲁诺的学说，体现了理论上突破，改变了人们的思维观念，从而推动了人类的进步.应该引导学生深层体会到他们在追求科学真理的道路上为人类做出的巨大贡献和表现出来的科学态度和科学精神.

③能够深刻认识到科学·技术·社会·环境存在相互联系.

很多著名的科学家就是在强烈的探索自然规律的好奇心的指引下，进行了理论的突破.我们要引导学生体会科学理论上的突破对技术的巨大作用以及其中丰富的科学思维方法.正是万有引力定律的发现，才使人类实现了飞天的梦想，极大地改善和丰富了人类的生活.同时，要引导学生认识到技术的发展对社会和环境的影响.比如：北斗导航系统对于我国的重大战略地位和对我国人民生活改善的巨大作用.这样，结合具体的科学技术发展事例来不断激发学生对科学的真正热爱.

3.2 教学案例2：伽利略关于落体运动的研究

本节课的主要教学过程如下.

（1）思考与讨论（一）.

① 亚里士多德关于落体运动的观点和伽利略的观点有何不同？是对什么因素的考虑不同才使他们有不同的观点？

教学意图分析：这个问题的提出，是后续的一系列讨论的基础.亚里士多德认为物体下落的快慢是由它们的重量决定的，伽利略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落得同样快.是由于对空气阻力考虑的不同才使他们有着不同的观点.这个问题的设置是为了让学生认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作，他们的分析都是基于观察、推理后得出的不同观点.对这一问题的科学本质的认识过程中，课堂上不急于批判亚里士多德的错误，要引导学生认识到他们对空气阻力考虑的不同着眼点，体会到伽利略在科学抽象过程中对空气阻力的创造性思考，让学生逐步养成实事求是的科学态度和尊重他人研究成果的习惯，要理性思维.

② 两位科学家的研究方法有何不同？

教学意图分析：亚里士多德经历了观察、归纳和得出结论的过程，伽利略经历了观察、猜想、推理和论证（逻辑推理、实验验证、数学演绎）和得出结论的过程.这使学生认识到物理学是人类认识自然的方式之一，是不断发展的，并且认识到物理学的科学研究方法对科学本质的认识的重要性.通过对两位科学家的研究方法的比较，充分认识到他们之所以能够得出不同的结论的原因.对这一问题的思考过程，实际上就是学生科学素养的提升过程.并且要让学生学习他们的对自然的好奇心和实事求是的科学态度.

③ 亚里士多德难道想不到“重物下落、轻物下落、及其捆绑下落……”这样的逻辑推理吗？

教学意图分析：这一教学安排主要是想培养学生实事求是的科学态度，当然也是一个开放的问题，是没有固定答案的.亚里士多德是一位伟大的哲学家，他应该能够想到这种逻辑推理，那为什么他还坚持认为物体下落的快慢是由它们的重量决定的呢？不能说是亚里士多德没有考虑空气阻力，这正是他考虑了空气阻力才得到这样的结论；他是在观察的基础上归纳得出的结论，是有着实事求是的科学态度的.现在我们知道，若一个物体的速度比较大时，阻力差不多跟速度的平方成正比，再结合当物体下落的速度达到一定值时，重力和阻力就会相等，会得到一个收尾速度.推导的结果就是对于在空中下落的物体的收尾速度和质量有关，差不多是“越重的物体下落的越快”.学生在讨论中得出不同的观点都是可以的，只要有依据.伽利略对落体运动的理论是如何发展的？我们要向他学习什么？伽利略的伟大之处在于在观察身边事物的基础上，进行一系列科学思维和探究活动，能够抽象出自由落体运动的物理模型，让学生充分认识到科学思维方法在物理研究中的重要性，并认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性的工作.

（2）思考与讨论（二）.

①伽利略的实验研究首先遇到的困难是什么？

教学意图分析：伽利略首先面临的困难是概念上的，因为那时人们连速度的明确定义都没有.因此，对伽利略来说，必须首先建立描述运动所需的概念.让学生体会到科学概念对物理学的发展的重要意义.我们要学习伽利略那种研究物理的强烈内在动机.

②伽利略猜想落体运动是一种最简单的变速运动，伽利略的猜想是基于对自然界怎样的信念？

教学意图分析：学习科学家在研究问题时对科学本质的思考过程中体现出来的丰富的物理思想.

③伽利略当时是怎样理解速度均匀变化？相对于速度，长度的测量比较容易；时间该如何测量？

教学意图分析：让学生体会到物理学是人们认识自然的主要方式，通过课堂上的几位学生同时用手机测小球下落时间的体验，体会到这种在观察和实验基础上的具有创造性的科学思维活动，并且是逐步发展的.

（3）思考与讨论（三）.

① 面对物体下落太快，时间测量的困难，伽利略采用什么办法来克服困难？

②小球沿斜面向下的运动并不是自由落体运动.伽利略的实验怎么就说明自由落体运动是一种匀加速运动呢？

教学意图分析：在推理、探究过程中让学生们体会到当科学研究遇到困难后，应该有实事求是的科学态度和运用物理学规律不断发现问题、寻找规律的习惯和意识；并体会科学研究方法对于物理学的重要性.

（4）实验结果.