利用原始问题培养学生的科学素养，本文主要内容关键词为：培养学生论文,原始论文,科学素养论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、科学素养的含义
目前，各种文献中对科学素养的表述并不统一。不同的研究群体站在不同的层面关注科学素养，不同的时代站在不同的高度看待科学素养，不同的个人处于不同的文化、社会、政治环境中理解科学素养，导致“科学素养”成为一个存在争议而无定论的概念。[1]
《面向全体美国人的科学》是美国科学促进协会为美国“2061计划”出版的核心著作之一。在这本书的导言中写到：“科学素养包括数学、技术、自然科学和社会科学等许多方面，这些方面包括：熟悉自然界、尊重自然界的统一性；懂得科学、数学和技术相互依赖的一些重要方法；了解科学的一些重大概念和原理；有科学思维能力；认识到科学、数学和技术是人类共同的事业，认识它们的长处和局限性，同时，还应该能够运用科学知识和思维方法处理个人和社会问题。”[2]这是对科学素养的较为泛化的定义，其最大的特点是把社会科学也融入了科学素养之中。
国际经济合作与发展组织（简称OECD）认为：“科学素养是运用科学知识，确定问题和做出具体证据的结论，以便对自然界和通过人类活动对自然世界的改变进行理解和做出决定的能力。科学素养还包括能够确认科学问题、使用证据、做出科学结论并就结论与他人进行交流的能力。”[3]从中我们可以看出OECD把科学素养定义为某种能力。
美国著名学者米勒对上个世纪后半叶以来的科学素养定义进行分析，从当今科技社会背景下提出了科学素养的三个维度：①对科学规范和科学方法的理解（例如，何谓科学的本质）；②对主要科学概念和科学术语的理解（例如科学知识）；③认识并了解科技对生活的影响。由于米勒的界定简单而更具概括性，所以被广泛地应用到各国公民科学素养的调查上，我国也采用这种标准。[1]
分析以上对科学素养的界定，尽管表述不同，但都强调了对重要科学概念、原理的理解以及利用科学知识与方法处理自然、社会和个人问题的能力。
二、在物理学科教学中利用原始问题培养学生的科学素养
1.物理学科教育的目标
物理学是科学的重要组成部分，因此，物理学科教育的目标与科学教育的目标是相一致的。我国普通高中物理课程标准的前言中，课程的性质部分写到：“高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，与九年义务教育物理或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养。”[4]可见，提高全体学生的科学素养是高中物理教学的一个重要任务。
在高中物理教学实践中，我们可以通过各种手段和途径培养学生的科学素养，利用原始问题培养学生的科学素养是其中一种行之有效的方法。
2.何谓原始问题
所谓原始问题是指自然界及社会生活、生产中客观存在的能够反映科学概念、规律本质且未被加工的典型科学现象和事实。它与物理习题有着本质的区别，一般的物理习题通常是把物理现象和事实经过一定程度的抽象后加工出来的练习作业。二者的关系如图1所示：[5]
图1
原始问题与物理习题相比具有以下几个特点：客观性、复杂性、已知条件的隐蔽性、思考问题的多端性和解决问题的最佳性。例如：
问题1 估算24cm的三星牌压力锅加盖限压阀后沸腾时，锅内的压强和温度。
问题2 重18000N的卡车，车轮与地面的接触面积为
，则车轮对地面产生的压强是多大？
其中问题1为原始问题，问题2为物理习题。解决原始问题需要学生应具有知识的应用意识，有随时把学过的物理知识用于客观实际和解决实际问题的习惯；要善于从整体出发，通过数量级估计、定性或半定量地思考，抓住主要矛盾，从复杂的问题中建立简化的物理模型；要学会挖掘隐含条件和选择有用数据，并具有查阅资料或通过简单估测获得数据的能力；要善于运用发散、收敛、逆向、类比、直觉等创造性思维和方法，并通过信息反馈，确保解决问题的思路、物理模型的建立以及所得结果的正确性与最佳性。
从问题解决的过程来看，对原始问题的解决，首先需要学生去认识原始问题，即对原始问题所描述的实际情景进行分析、判断，弄清楚原始问题是什么，然后对原始问题进行简化、抽象，将原始问题转化为一个物理问题，最后根据一定的物理规律应用数学工具使问题最终得到解决。而一般的物理习题常常只涉及图1中的虚线框部分，缺少第一和第二个思维过程，对科学现象和科学事实把握不够，遇到实际问题常常束手无策。
赵凯华先生早就觉察到了这个问题，他指出：“在我们的教学中，同一问题既可以把原始的提交给学生，也可以由教师把问题分解或抽象成一定的数学模型再提交给学生，习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类问题时往往会不知所措。”[5]显而易见，要培养学生解决实际问题的能力，必须借助于原始的实际问题，而不是经过简化、抽象后的习题。
3.利用原始问题培养学生科学素养的教学实例
例1 我们在电影或电视中经常可以看到这样的惊险场面：一辆高速行驶的汽车从山顶落入山谷，为了拍摄重为15000N的汽车从山崖上坠落的情景，电影导演通常用一辆模型汽车代替实际汽车，设模型汽车与实际汽车的大小比例为
，那么山崖也必须用的比例来代替真实的山崖。设电影每分钟放映的胶片张数是一定的，为了能把模型汽车坠落的情景放映得恰似拍摄实景一样，以达到以假乱真的效果，问：
(1)实际拍摄过程中，电影摄影机每秒钟拍摄的胶片数是实景拍摄的胶片数的几倍？
(2)模型汽车在山崖上坠落前的行驶速度应是真实汽车实际行驶速度的几倍？
解析 这是一个典型的原始问题，通过对实际情景的分析判断，多数情况下我们可以将实际汽车从山崖上坠落的运动简化、近似、抽象为质点的平抛运动，故模型汽车也应该从山崖上做平抛运动。
依据运动的分解可知，平抛运动在竖直方向上做自由落体运动，因此模型汽车和实际汽车在竖直方向的运动都遵守如下关系，即
比较例1和例2，它们虽然都考查了学生是否理解和掌握平抛运动的知识，但所产生的效果却大为不同。例2的解决仅仅是一个推导演算的过程，很难刺激学生的积极思维。例1则是一个信息庞杂、客观真实的原始问题，对例1的解决除了推导演算等过程外，还包括建立模型的分解、简化、抽象等思维过程，真实的情景刺激学生积极思维，检索所学知识以解决实际问题，在积极主动的问题解决过程中科学素养得到提高。
例3 自动称米机已在许多粮店被广泛应用，买者认为：因为米流到容器时有向下的冲力而不划算；卖者认为：当称米机的读数等于预定米的质量时，自动装置即刻切断米流，此刻尚有一些米仍在空中，这些米是多给买者的，两者的说法听起来都有道理，那么你认为呢？从理论上论证你的观点。
解析 这是一个原始问题，首先我们要了解自动称米机的一般称量原理，即秤的读数取决于秤盘内米的重力和正落入秤盘中的米对秤盘的冲击力 F。在本题中，若切断米流时，米对秤盘的总作用力等于最终秤盘内所有米的重力，则自动称米机就是公平的，否则买方和卖方总有一方吃了亏，另一方占了便宜。
故自动称米机的读数等于已经落入秤盘的米的质量
、空中米的质量
与正落入秤盘的米的质量之和。由此可见，自动称米机是公平的，买方和卖方的说法都是错误的。
作为一个有科学素养的人，应该有能力以科学的态度以及科学的方法来看待、评价、判断身边的现象是科学的还是非科学的，是正确的还是错误的。本题以自动称米机为载体，要求学生采用所学的动量、冲量、动量定理及牛顿第三定律讨论自动称米机的称量问题，学生必须正确分析现象，形成正确的物理情景图，建立恰当的物理模型，进行认真细致地推导才能解决本题。因此，通过解决这一原始问题，锻炼了学生的思维能力，提高了学生应用物理知识解决实际问题的能力，自然学生的科学素养也得到提升。
对比例3和例4，从练习的知识点上看，例4除了练习了动量定理之外，还考查了学生掌握自由落体和竖直上抛的知识，但我们一眼就能看出例4是为了达到巩固知识的目的而编制的习题，远离生活，对这样的习题学生做的再多，也只能是提高了学生熟练应用物理公式进行推导演算的技能，却很难深刻理解物理规律本身，遇到实际问题，难以将所学知识进行顺利迁移，以达到解决实际问题的目的。
学习理论告诉我们：任务间的迁移有赖于迁移和学习经验之间的相似性。[6]既然我们培养学生的目的是要学生最终能适应自然、社会和生活，那么，我们就要以来源于自然、社会和生活实践中的原始问题为载体来促进学生的学习。原始问题贴近现实生活，是自然界、生产、现代科技和科学研究中的某个片段，客观而真实地反映了我们的生活世界，融入了大量的感性材料，因此能够激起学生强烈的好奇心和求知欲望，使学生在问题解决的过程中，切身感受、深刻理解物理学的重要原理，从而提高应用物理知识、方法处理有关自然、社会实践活动中问题的能力，成为一个有科学素养的人。