高中物理教学中的科学本质教育，本文主要内容关键词为：本质论文,高中物理论文,科学论文,教学中论文，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。
近几年以来，各国的科学教育界对科学教育中的科学本质教育日益重视起来。美国的科学教育改革2061计划将“培养具有科学素养的公民”视为当代科学教育努力的方向，而且，在科学素养中明确列出“增进学生对科学本质的了解”这一项。我国新一轮的课程改革，在新颁布的科学课程标准中也强调了学生对科学本质的领悟。科学本质的教育，是提高学生科学素养的核心内容。
科学本质的教育一直是科学教育中较难把握的问题，因为它不如实体的科学知识与技能那样直观、实在，也不如科学过程与方法那样便于体会。科学本质大多属于观念的东西，需要在日常教学中对学生进行潜移默化式的熏陶。物理学是一门以实验为基础的学科，并且与社会生活的各个方面有着千丝万缕的联系。作为科学课程的一分支，由于其独特的学科特点，在科学本质的教育上，也存在其特有的优势。利用其教学内容、教学方法以及物理思想方法等进行科学本质的教育，结合科学本质的内涵，主要从以下几方面入手。
一、科学需要且依赖于经验证据
科学的特质是需要将数据资料公布于众，接受他人的评判，用于检验其所有的最终结论。当然，科学中的有些思想是作为试探性的想法提出来的。比如，爱因斯坦关于大质量的物体对光的传播路径影响的预言，在有效证据出现之前，虽然没有被完全拒绝，但是也未被世人所接受。1919年，为了证实爱因斯坦的有关遥远星体发射出来的光线经过太阳附近时将会轻微弯曲的预言，进行了一次探索实验。当时，预言被证实，爱因斯坦新的世界观的一条基本的信条被确立。尽管爱因斯坦坚信他自己的预言，但是为了让其他科学团体也接受，实验数据资料是必不可少的。
从主观方面来讲，高中生的主观能动性已达到相当的程度。而物理学的客观事实在于对于同一问题，解决的方式方法总是多种多样。因此，教学过程中，应尽量让学生自己动脑提出问题，而后自行动手去解决。以使其自身的观点得以良好的实现，并得到他人的承认、信服，甚至赏识。尽管实验一直被称作是科学的“黄金标准”，但是除了实验的严格的测试和调控以外，科学也依赖于基础观察和基于史实的调查研究。有许多科学家使用基于历史的、观察的、实验的方法的综合，所有他们研究的主要相关点是以数据、测量、图片及其他相关观测形式存在的证据的结果分析。我们必须坚持的是科学最本质的东西是对经验的追求，因此，科学探究并不是毫无依据的随意和浪漫。
二、不存在适用所有科学研究的既定科学方法
虽然科学实验中存在诸如像逻辑推理、细致的数据收集等共同特点，并且这些共同特点是所有优秀科研的一部分。但是不存在像“提出问题”、“建立假设”、“得出结论”和“报告结果”这样一套通用的步骤设定。这样科学教材中普遍提供的阶段性的方法作为探究的工具或许是有效的，但是在课堂讨论中不可能说所有的科学家都机械采用单一的方法来进行科学研究。实际上，科学家的研究工作提示了许多特殊的从事科学研究的方式，甚至对所研究的问题而言，是首次使用。
物理学是以实验为基础的学科，因此探究实验是物理教学中必不可少的一部分。这一特点，在新课程中体现得尤为明显。教师在进行实验教学或探究教学时，在尊重事实、重视依据的前提下，不能仅按照某一特定的或者是常用的套路按部就班地进行。在此，探究仅仅是作为一种形式，一切仍是教师在做主，学生依然是按照教师的要求，实施着既定的实验步骤。而事实上，教师不仅自身要根据具体的教学内容选择适当的步骤和方法，并且还要鼓励学生大胆提出自己的意见和建议。即使是不成熟的意见和建议，也应当给予适当的引导，加以改进。不同物理学家即使对待同一物理问题，通常也会采用不同的研究方法。例如量子力学的创立过程就是这样，当时在同一微观领域中，出现了两种同样有效但形式上完全不同物理理论。一方面是海森伯的矩阵力学，它是一种代数的方法；另一方面是薛定谔的波动力学，它是一种分析的方法。尽管刚开始它们的创立者不可避免是无法容忍对方的，但最终薛定谔发现了矩阵力学与波动力学的等价性。
三、科学知识是暂时的但也是确定的
科学不可能使任何问题都得到证实，因为归纳的问题使得“证据”变得不可能，但是科学的结论依然是有价值的，并且由于知识最终被接受的方式而长期存在。
归纳是指知识总结的过程，通过这一过程，个体将与某一问题或现象相关的数据都集中起来，直到从这大量的数据中得出某一总的趋势、原理、规律为止。预言和演绎通常用于评价初始结论的有效性。归纳和演绎的这一循环是逻辑的主要特点，但远未达到完美的境地。绝对无法知道哪一项已经聚集了所有相关数据，也无法确定试探性的总结对所有时空都将保持其正确性。然而，逻辑知识的生成过程简略地描述了这是我们曾开发的，能提供既有用又有效的见解的最好方式。我们深信在这种形式下形成的科学结论将是经久不衰的，因为科学过程本身具有严谨的自动修正的本质，并且结论应被科学团体一致同意。
受后现代科学观的影响，我们有时会犯这样的错误。那就是以强调知识的不确定性、反对科学知识的绝对性为名，而反对科学知识的确定性。随着相对论，量子力学和分子生物学等现代科学理论的出现，统治欧洲近300年的以牛顿经验力学为标准的“机械论”遇到了挑战，出现了声势浩大的反决定论思潮。当代倡导相对主义、后现代主义等不确定性知识观、科学观、教育观的人也往往以量子力学中的“测不准原理”作为理论基石。但是，我们应该看到，科学知识是具有确定性、因果性和规律性的。量子力学并没有取消因果性，而只是取消了对因果性的传统解释。对于因果性原理而言，在空间和时间方面以及在观测的无限精确度方面的全部刻画都不是基本的，更为基本的是可观测的情况相互间存在的物理学依赖性。这种依赖性是精确的、单值的。随机性、多值性是因果性原则的不同形式。虽然在量子理论中不存在严格的决定论定律，但仍存在统计的定律。量子理论在每一场合只能确定事件过程的统计趋势，而不能确定其精确结果。在量子力学中，统计性规律和确定性规律一样，都具有客观性的必然联系。
四、规律和理论是相互联系的不同种类的科学知识
关于科学的一个最有争议的错误概念就是规律是成熟的理论，以及规律比理论更有价值或更可信。规律和理论是相关的，并且都是特别重要的科学知识，两者都应被视为科学活动充满价值的结果。规律在本质上说是总结或形式（比如查理定律）。然而，理论是对规律为什么这样的解释（比如像分子热运动理论，说明微观粒子像球体一样运动，随着温度的升高，运动越剧烈）。当教师不能对随时间而发生变化的现实和达尔文所倡导的对进化是如何发生的解释进行区分时，许多与进化教育相联系的问题便会出现。理解规律和理论之间区别的人是永远不会认为进化“仅仅是一个理论”的。
五、科学是高创造性行为
科学家通过他们对所研究问题及方法的选择，将毫无疑问地表明他们的工作是具有创造性的。甚至引导从事实到结论的思想灵感的火花都是极具创造性的行为，科学领域内的知识总结过程和艺术领域内一样具有创造性，这一点对研讨过程和内容的学生来说，显得更为明显。
不幸的是，一般的学生都更倾向于将科学描述成枯燥的事实和结论，而不是通向新知识的动态的和令人兴奋的过程。在我们对教给学生已被发现的东西的探求中，显然不能对真实的和创造性的科学本质的研究提供足够的洞察力。一些研究表明有特别聪明的学生反对将科学作为纯粹的职业选择，因为人们没有机会见到科学内在的创造性。
物理学是一门充满生机和活力的科学，它的创造性进展日新月异。物理教学旨在开阔而不是僵化学生的思维，创新人才的培养是物理学科教学的重要使命。物理学自建立以来所取得的种种辉煌成果无不显示出物理学家的创新思维能力。高中是学生身心发展的重要阶段，在此阶段所形成的一系列做人、做学问的行为习惯，可能对其终身都会产生重要影响。因此高中物理教学过程应当由封闭走向开放，不要总是借口物理学是严密的自然科学系统而向学生灌输过多的非此即彼的结论。而是应当更多地倾向物理过程的展现，更多地关注正在研究的前沿性或具有争议性的物理学问题。让学生认识到物理学是一门处于不断发展的学科，以激发学生学习物理的兴趣，挖掘其创新才能。重要的是不仅要使我们的中学生知道物理学的昨天和今天，更要让他们去探索物理学的明天。
六、科学含有主观的因素
科学鲜为人知的一方面是，由于科学作为人类的活动，其含有主观的成分。两个科学家看待同一个问题，由于他们先前存在的不同经验和期望，可能会对这同一个问题作出不同的反应。这一点不会使科学变得缺乏严密性或者有用性，因为最终科学结论还是会在较大的科学团体面前讨论。然而，最初的发现和分析是特别个性的和特别主观性的因素。
一些科学家在调查研究过程中表现出超常的洞察力，这就说明了为什么有些个人取得了大量突破而其他人却没有。科学家们意识到主观性的重要角色和挑战力，思想和结论必须通过会议和公共评论系统得到其他专家学者的审查。这些过程保证科学领域中的重要的主观因素得到有效检验和锤炼，因为科学家需要明辨是非，避免偏见。
七、科学受历史的、文化的和社会的影响
科学是庞大的人类社会系统中的一项巨大而有力的事业。什么研究是允许的和什么研究是不支持的甚至是被禁止的，都被如历史、宗教、文化和社会优先权等大量的社会力量很好地解释。如果将科学研究与花费联系起来，许多人将认为科学家应当仅考虑实用的课题。事实上，确定研究的主要方向是与社会压力联系在一起的。因此，有些研究受欢迎而有些研究受到限制，这并不奇怪。
关于干细胞研究和以医疗为目的的人类克隆的争论是科学和文化势力相互影响的一个最新近的例子。像这些研究方向是潜在有益的且有趣，但是由于各种各样远远超出科学本身的原因，最近，这些研究领域充满了争议。由此可见，可以说社会力量对科学事业既有促进作用也有阻碍作用。关于这一问题，物理学史上也是屡见不鲜。如哥白尼、布鲁诺因倡导日心说，触犯了宗教教义和统治者的利益而遭迫害，伽利略也因公开支持哥白尼的学说而被判终生监禁。另外，对能量转化与守恒定律的建立做出重大贡献的迈尔医生，第一个完整地提出了能量转化与守恒原理，但是由于他的思想不合当时流行的观念，受到人们的诽谤和讥笑，使他在精神上受到很大的刺激，曾一度关进精神病院，倍受折磨。当然也有科学家的思想观念由于受到社会的重视和支持而大有作为的，这些生动的实例，都有利于学生对科学本质该方面的深刻理解。
八、科学和技术相互影响，但是它们并不相同
许多人混淆科学和技术两术语，通常认为它们是同义词。大体上说来，现代科学研究两类问题，有些问题与特殊需求相关，比如生产低成本高效率的音乐储存盘，如何提高一块土地上的农产品产量，如何征服某一特殊疾病等，都值得研究。这些挑战本质上是技术的，并且代表通常被称作“应用”科学的东西。另一方面，“理论”科学目的在于对现实的最基本的本质的基础性理解，有时称作“为了知识目的的认识”。理论科学的一些发现，像激光，最初仅仅是奇特的事物，直到它们的实体最终出现为止。有些技术革新，诸如显微镜，使得科学家拥有了更深层地研究实体根本本质的能力。可以这么认为，技术是科学的物化，又可促进科学的发展；科学是对自然界已有的规律、现象的发现，而技术则是发明。
物理学的发展与技术也有着密切的关系，两者是相辅相成，相互促进的。拿现代物理学的发展来说，如果没有真空技术、低温技术和电子技术，就不会有现代物理学。反之，物理学对技术发展的作用也是巨大的，许多工程技术人员重视物理学的学习，甚至参与物理学的研究。因为要真正在先进技术中找到突破口，往往是依靠物理学的新成就，如激光技术、晶体管技术、超导技术、同位素技术、红外技术、生物工程技术等都是极好的例证。
摆在我们面前的挑战是确保这些科学本质的核心概念在科学课堂、科学教材、科学功能的描述中以及在实验室和其他手头工作中明显地占据重要地位并发挥重要作用。甚至教师组织的最终考试和新型的极其重要的测验都应当包含相关数量的科学本质的内容。一系列的事例告诉学生，教师将科学本质作为教学的一个焦点的重要性。最后，我们必须致力于关注这一重要课题的有吸引力的课程模型的发展，并且支持教科书作者通过专门的章节内容而不是如通常情况那样，仅仅作介绍的形式来编制科学本质课。科学本质应该作为一个中心教学目的而不是一个可有可无的前奏。