高中物理教学中的科学素质

高中物理教学中的科学素质
高中物理教学应重视对学生科学素质的培养。所谓科学素质，是指人类在科学实践中逐渐形成的具有内在性、主体性、基本性和相对稳定性的结构、能力和品质，而体现在物理教学中，则是指科学素质中与物理学科密切相关的一些因素，其中主要有科学方法、科学观念与科学精神。对知识的教与学，教师与学生一贯是十分重视的，但对科学方法、科学观念与科学精神的培养，却未能尽如人意。物理知识是重要的，但当我们在教学中不加限止地深挖“知识（包括解题能力）”时，必然会把科学素质培养这一重要的教学目标挤出教学过程，从而造成教学中的极大损失。本文将就高中物理教学中实施科学素质培养的必要性和可能性进行论述。
　　一、科学方法的教育
　　按教育学的思想，学校开设的每一门学科首先是要让学生学习、了解、掌握该学科的基本结构。“所谓基本结构，就是指这门学科的基础知识、基本原理和基本规律，以及研究这门学科的基本方法”。而且关于方法的教学目标丝毫也不比知识目标来得次要。在物理学科中，最具价值，也是最活跃的部分正是科学研究方法。每一个物理问题的解决、每一个物理定律的得出，总是伴随着科学方法的应用与产生；同样，新的科学方法的产生与应用又总可转化为更多物理概念的形成与物理问题的解决。伽利略对物理学的最大贡献正在于把实验方法引入物理学研究，从而彻底地改造了物理学，使它从经院式的思辨学变为建筑在实验基础上的科学；法拉弟引入了“力线”的研究方法，使物理学研究抽象问题的过程更直观、形象；麦克斯韦正是应用了数学方法，把电磁学的四条实验定律改造成堪称物理学中最具科学美的公式典范。
　　方法，是人们在认识世界和改造世界的一切活动中所运用的各种途径、方式、和手段的总称，科学方法就是指在研究与解决科学问题过程中所运用的策略、程序、办法。在高中物理教材中，渗透了很多科学方法，既有一般的逻辑范畴的归纳方法、推理方法、类比方法、分析方法和综合方法，又有较为特殊的科学范畴的观察方法、实验方法、理想化方法、等效方法、模型方法、科学假设方法、对称（守恒）方法等。物理知识（概念、规律与原理）只是这些方法运用于物理研究后的“形式化”产物，方法活跃在知识获得的过程中，科学方法的教育对改进人的能力结构有着十分重要的作用。伦琴对X射线研究的周密安排，使得这一发现在一周内即被世界所公认，这正是由于他对实验方法的深刻理解与正确应用的结果。
　　正因为方法是在知识获得过程中起作用，所以为了在教学中不让方法的教育价值流失，就应该特别注意物理概念的归纳过程以及物理规律的研究过程的教学，要充分展开这些过程，以及在这些过程中的思想与方法，让学生能够体验科学方法在研究中的重要作用与价值，从而实现科学方法的独立教学目标。下面就几个重要的方法举例说明。
　　 1）实验方法，这是“人们通过科学仪器和设备在有目的地干预、控制或模拟客观对象的条件下获取科学事实的一种研究方法”。实验方法是提出研究课题、构思科学假说、建立科学理论的重要途径和基本手段。例如，光电效应正是在实现电磁振荡的实验中发现的新课题；玻尔的量子轨道理论正是在氢光谱的实验基础上提出的假说；迈克尔逊的精妙的“以太风”的零结果实验，成为了爱恩斯坦狭义相对论的重要实验依据。
　　
　　图1
　　
　　在教学过程中如何展示实验方法在物理研究中的重要地位，是实验方法教育的重点。为此，对实验的目的和作用应该有足够的重视，要使学生知道，每一个演示实验和分组实验究竟要解决什么问题？这些问题的解决能否通过其它办法完成？特别是有些按高中学生的理论知识进行分析判断较难得出正确结论的问题，要注意用实验方法来解决，而不要单纯进行理论分析，因为这正是体验实验重要性的好事例。如在高一《光学》中，光从折射过渡到全反射的现象，这是学生凭直观想象所不能得到的结果，所以在教学过程中不妨先对此进行理论的讨论，揭示矛盾，然后再进行实验，使学生在观察到全反射现象时，能较好地体会到实验的作用。
　　实验方法，并不仅仅在演示实验或学生分组实验中才用到，应该在物理教学中充分运用实验方法来解决问题。如分析一个力学问题：（如图1所示）一个轮轴放在水平地面上，在它的轴上绕着线，当向右拉线时，轮将向哪个方向运动？
　　学生按直接经验，往往会得出轮向左滚动的结论。如果只是对学生进行理论分析，这个题的意义就不大，但如果我们用实验演示一下，当实验显示的结果与学生的判断相反时，这将会给学生留下深刻的印象，使学生体验到实验对解决物理问题的重要作用。
　　由于高考的影响，在物理实验教学中，教师较为注重的是对实验原理的理解、实验仪器的使用、实验误差的分析等内容，在事实上将冲淡对实验方法在物理研究中的地位和作用的体验，从而使实验方法的重要价值流失。掌握高中物理的具体实验原理、仪器使用方法及实验误差分析等当然有它们的积极意义，但这些主要还只是知识方面的意义，而让学生通过物理实验懂得要获得物理知识，离不开实验，才是实验教学中更具深远意义的目标。可以说，培养学生的动手欲望，比培养学生的动手能力更为迫切和重要。笔者参观过英国一所中学的学生物理实验，课题是研究散热的特点与规律。教师只提出课题，实验中也只有温度计可供使用。学生就用一只塑料杯，装满热水，然后在水中插入温度计，每隔30秒记录一个温度值，据此，画出了水的温度随时间变化的曲线；然后用保温物包住塑料杯后再测一次。比较二次曲线，由此得出物体散热的特点及可能与哪些因素有关的结论。这个实验从原理到技巧并不复杂，通过实验也并没有得出定量的“冷却定律”，但它对让学生了解实验的意义、作用却远比我们的实验有效得多。我们的实验教学过分地突出知识性的内容，从而严重地冲淡了实验教学的方法意义，这是一种“系统性”的低效率，至少对科学素质的培养来说是这样。因此，我们的实验教学的目标应有新的定位，不要把有限的教学时间都放在很快就会被遗忘的具体知识内容上，而应该更多地考虑那些有长远意义的教育内容。
　　 2）科学假说方法，是“根据巳有的科学理论和新的科学事实对所研究的问题做出猜测性陈述并加以验证的一种科学研究方法”。作为一种科学假说，它必须能说明和解释对象巳知的事实；能解释原有理论无法解释的事实，并把原理论作为一个特例包含在自身之中；要使新假说比原理论更具逻辑简单性；并且新假说往往还能演绎出新的结论并能通过（判决性）实验加以检验。假说的提出，既要有一定的经验基础，包括关于研究对象的某些经验事实或其它方面的信息，又要有直觉、灵感等非理性因素的作用。假说是使物理学从经验上升为理论层次的中介和桥梁，是物理学发展的重要形式。惠更斯的光的波动学说、安培的分子电流假说等都是科学假说的典型。又如普朗克在研究“黑体”辐射时提出了“量子”假设，但他的假说只限于光与其它物质发生作用时的特性；而后，爱恩斯坦在解释光电效应时，进一步提出了“光量子”假说，把“量子”假说向前推进到了光的传播过程中；玻尔更把这种假说引入原子领域，建立了旧量子力学，从而使物理学跨入了一个全新的时期。这个事例生动地注释了“科学假说是科学发展的主要形式”这一论断。
　　在进行科学假说方法教育时，要特别注重揭示新的事实与旧的理论之间的矛盾。如卢瑟福核式模型的教学过程中，要充分展示α粒子散射实验的结果，要分析实验结果与汤姆逊的“枣糕”模型的不相容的特点，这才能使学生体会到卢瑟福的核式模型的并非是一般猜想，而是建筑在实验事实基础上的一种科学假说。在高中物理教学过程中，要注意给学生创造根据实验结果来推测理论的机会，这既可以活跃课堂气氛，又可以使学生体会怎样根据事实来进行理论构思。
　　 3）理想化方法，这是“运用理想模型在思维中排除次要因素的干扰，从而在理想状态下进行计算和推论的方法”。理想化是个总概念，其中有理想化模型、理想化过程、理想化实验。理想化方法，是物理研究能够得以进行的一种重要方法，因为任何一个事物或现象都不是孤立的、单一的，它们总是多样性的统一，并总是与其它事物有着错综复杂的联系，如果我们在研究某些特定的问题时，要顾及所有的因素，那么就只能一事无成。可以说，没有理想化方法，就不会有今天这样完美的物理学。在高中物理教材中，理想化模型、理想化过程、理想化实验是经常出现的一种方法，如伽利略的斜面实验就是用理想化方法研究自由落体运动的经典，理想气体状态方程的建立又是对气体运用理想化方法（模型）的结果，其它绪如质点、匀变速运动、单摆、点光源、薄透镜、点电荷、理想变压器等等，无一不是理想化方法在物理研究中的运用。在教学中，关键在于要让学生了解，为什么要作理想化处理，由此带来的结果是什么，以使学生能体会到理想化方法的作用。
　　 4）等效方法，是“在保证某些特定方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、简单的事物代替实际的、陌生的、复杂的的事物进行研究的方法”。等效方法，是一种在科学研究中的实际“操作“方法，这种操作贯穿在所有的研究过程中，它的核心是“保持某些特定方面效果相同”。等效方法的最杰出运用之一就是爱恩斯坦建立在“重力与加速度等效”思想上的广义相对论的创立。在中学物理中，每一个概念的归纳，每一条规律的得出，无不涉及到等效方法。如物体重心概念的提出，就是一种等效，“合力”、“分力”也是一种等效，气体的状态变化过程可以进行等效变换，用特殊变化过程替代任意变化过程，电学中的等效电路，电磁感应中的等效切割长度均出于等效思想。
　　在进行等效方法教学的过程中，要注意等效的仅是某些属性或某些方面，而并非是事物之间的等效。如“等效电路”，它是指在整个电路中的电流、电压分配的效果与原电路相同；
　　 R1aR2
　　　　 R5
　　 R3R4
　　　　 b
　　　 εK
　　图2
　　
　　例如一个等效电源问题：（如图2所示）R1=3Ω，R2=6Ω，R3=9Ω，R4=9Ω，R5=2.5Ω，电源电动势ε=6V，不计内阻。求开关K闭合后，通过电阻R5的电流。
　　如用一般方法求解，这是一个非平衡电桥电路的问题，显然不适合高中学生进行练习，但作为一个等效方法的练习，却是十分有意义。
　　对R5来说，可以把a、b两端之外的电路等效于一个电源，只需求出此等效电源的电动势与内电阻，问题即可大大简化。
　　（1）求ab开路时的ab两端电压即为等效电源的电动势。此时电路的接入电阻为R==6Ω，干路电流I==3A，则R1两端电压U1=6V，R2两端电压U2=9V，得ε‘=Uab=3V。
　　（2）再求ab短路时的电流。此时电路的接入电阻为
　　 R‘=+=6．75Ω，干路电流I==2．67A，则R1中的电流I1=2．0A，R2中的电流I2=1．6A，则通过ab的电流为Iab=0．4A。
　　（3）可求出等效电源的内电阻：r==7．5Ω。
　　 R5
　　 ε‘r
　　图3
　　（4）经过以上的等效处理后，原电路就被等效简化成如图3所示电路。则通过R5的电流为I5==0．3A。
　　
　　二、科学观念的培养
　　科学观念是由于科学知识的长期结累及科学方法的多次卓有成效的运用后，使人们深信某些知识与方法具有更为深刻与普遍的意义，从而在信念、世界观、价值论等方面引起较为深刻的变化，并形成稳定的取向，它使一些基本科学规律、科学原理被提升到判断事非标准的地位，形成为一种科学的理性。科学观念有较强的迁移性，它会自觉或不自觉地体现在人们对世界、事物的判断中。所以在物理教学中要十分重视培养学生的科学观念，在课堂教学目标中要顾及到观念的培养目标。
　　在高中物理教学中，有不少这样的范例。如能量守恒定律，本来只是一个物理规律，但它巳被科学上升到重大的判断标准，只要是违背这一规律的，或者尚未能在这个层次上说清楚的发现，就不可能被科学界所承认，科学界还据此彻底排除了第一类永动机的可能性；又如热力学第二定律，也成为判断宇宙事件发展方向的基本观念，从而使科学界确信：只要系统发生了无序度减少的变化，则该系统就必定与外界有负熵交换，否则这种变化就不可能发生，并根据这一信念，排除了第二类永动机的可能性；再如场的概念、波的概念、粒子的概念等，都使人类对自然界的认识发生了深刻的变化。
　　在物理知识中，哪些知识所起作用最大，不同的学者有不同的说法，有的认为主要有以下七种：哥白尼学说、牛顿物理学、能量概念、熵与概率、相对论、量子理论与对因果的限制、守恒定律与对称性；有的认为物理学中有四个最伟大的思想：能量守恒、热力学第二定律、时间的相对性、波粒二象性；有的归纳出八个重要的物理概念：力、场、能、熵、物质结构性、时间相对性、波粒二象性、对称与破缺。所有的这些研究，都表明在物理学知识（概念、规律、原理）中，有些知识具有超过其自身学科意义的重要价值，即具有观念性的价值。这些具有观念性价值的知识，除热力学第二定律、熵以及相对论的知识之外，其它的知识在高中物理教材中均有涉及。笔者认为，根据高中学生的知识、能力结构的特点以及高中物理教材的内容，应着重培养学生的唯物的观念、结构的观念、因果的观念与守恒的观念。
　　 1）唯物观念的培养。一切理性的认识都源于客观事实，一切理论都必须受客观事实的检验，这是唯物观念的最重要的内涵。唯物观念表现在物理学中，可称之为事实观念。物理学是一门建立在实验基础上的学科，它以物理事实为研究的出发点与归宿，一切物理理论都要有事实基础，一切物理理论都必须经受物理事实的检验。在物理学史上，物理学家为了使理论符合事实，不惜放弃多年的研究结果的感人事例是很多的。爱恩斯坦说过，要进入科学殿堂，必须有勇气放弃自己为此而潜心研究了十几年乃至几十年的结果；开普勒行星椭圆轨道定律的发现，正是源于这种科学理论必须与观察到的事实结果相一致的观念，那怕原来的理论与观察结果只有极小的一点误差（无法解释的误差）。
　　在物理教学过程中，让学生运用所学的知识去分析、研究生活与自然中的一些现象，撰写物理小论文，是一种十分有益于培养学生事实观念的办法。学生在高中物理学习中，所接触与所解决的都只是纸上的物理问题，这很不利于培养注重事实、尊重事实的习惯。而小论文的撰写，学生必须逐步地学会观察客观现象与事实，逐步地学会从实际问题中抽象出物理模型，逐步地学会对客观事实进行分析，把物理知识应用到具体问题中，这对于养成他们的事实观念是十分有益的。撰写小论文，必须首先搞清楚究竟是怎样一幅物理图象（物理事实），这与解题过程中的“分析题意”（也是为了搞清物理事实）的效果是完全不一样的。笔者的学生在学完“振动和波”一章后，撰写了《钱江涌潮》、《鱼冼现象分析》、《雪崩的原因》、《听觉分析》等小论文，也许小论文的分析不一定全部正确，但这些时间化得是值得的，因为使学生培养起重视事实、尊重事实的观念，比能用物理知识正确解题更为重要。
　　
　　 2）结构观念的培养。世界是物质的，物质是有结构的。正是源于这种观念，才使人类有信心不断地探究世界的奥秘。因为世界是物质的，所以世界是可以被认识的；因为物质是有结构的，所以物质的运动是有规律的，而并不是“上帝扔骰子”。
　　反映世界结构性的实例在高中物理中随手可得，有太阳系的行星结构，有晶体的晶格结构，有原子的核式结构，有电路的结构，有光谱的谱线结构。只要我们在教学中留意，就不难使学生逐步形成结构性的观念。正因为物质世界有结构性，所以研究客观世界的物理学知识也有自身的结构，从结构图入手，掌握物理知识就会事半功倍。
　　 3）因果观念的培养。任何变化都有一定的原因，一定的原因必定对应着一定的结果。各种物理现象相互制约、相互联系的表现形式就是因果关系。物理学中要解决的一系列“为什么”的问题，就是要探究这种因果关系。分析现象，追寻原因；演绎条件，预言结果，是物理学的一个重要课题。有了因果观念，就不会把物理现象当作孤立的事件来对待，而能自觉地在一系列的因果链中确定某个物理现象的作用，从而能更好地把握住这些现象。
　　在教学过程中，要十分重视对各种现象原因的分析：力学现象首先是起因于物体的受力，因此对物体受力情况的分析，是解决力学问题的关键；气体性质中的现象则是起源于气体状态的变化，因此对气体状态的分析是解决气体问题的关键；电路问题主要就是电压、电流的分配问题，因此对电路进行结构分析是解题的根本；光学现象起因于各种光具对光的传播所起的控制作用，因此进行光路分析是解决光学问题的基础。这些分析程序的确定，均源自因果的观念。
　　 4）守恒观念的培养。无论物质世界的形式怎样变化，但有些东西是不变的，它们揭示了世界的本来面目。所以有些学者认为，物理学的最大成就莫过于发现了为数不多的几条守恒定律。在高中物理中，有机械能守恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒、质能守恒等。在教学过程中，要突出这些守恒定律的意义，要经常用守恒的观念去分析一些物理现象，它能给人们确定一个大的方向，而不拘泥于公式的规定。如热力学第一定律，学生经常因为对ΔE=Q+W公式中各项的正、负号理解不准而出现错误，其实，从能量守恒的角度去理解，就不必去记各项的符号，即系统内能的增加等于外界供给系统的能量（以热传递与做功二种方式进行），则Q、W的正、负的确定就是一目了然的事。又如化学中的氢的第一电离能，从能量角度看就是使氢原子从基态跃迁到n→∝（电离态）所需的能量。再如多个副线圈的理想变压器的各电流的关系，从输出能量等于输入能量的观念分析，就是一件十分显然的事。
　　三、科学精神的陶冶
　　科学精神是科学素质中的一种非理性因素，它对人从理性上把握事物起导向、动力和调节作用。在整个科学素质中，科学精神有着十分重要的地位。它反映了一个人对科学、对真理的基本态度与行为取向。科学需要人的诚实、客观性、对新事物的热情、意志、毅力、敢于怀疑、敢于自我否定、强烈的创新意识等品质，正是这种品质构成了科学精神。科学精神既是从事科学工作人员的必备素质，也是从事其它工作人员的重要素质，对真理是否有坚定执着的追求与永不满足的探索，在各种矛盾前，能否不随波逐流，坚持按客观规律办事，在各种实践活动中，不因循守旧，大胆创造，都与他的科学精神有关。这种精神，只有真正懂得科学是什么及科学为什么的人才会具备。
　　科学精神的培养重在薰陶，在教学过程中，要充分发掘物理学史中的丰富资料，在授课中有机地穿插物理学家的科学精神的生动事例，在情感上吸引学生，使他们对科学产生一种热爱，了解科学家是怎样工作的，科学家为什么而工作，科学对人类进步所作出的贡献，从而在潜移默化之中收到科学精神培养的成果。伽利略在教会的迫害下坚持真理的故事，开普勒放弃一年半的计算成果，坚持修正8弧秒的火星轨道的误差，从而发现了行星的椭圆轨道的史实，普朗克在他主编的杂志上推荐发表他认为并不正确的爱恩斯坦的相对论的论文，泊松对菲尔的光的衍射实验提出的“苛刻”的“泊松亮斑”的要求，十九世纪末物理学的巨大变革等丰富多彩的事实，是培养学生科学精神的极好教材。笔者曾在介绍量子理论的创建历史时，跟学生讲到哥本哈克学派的“首脑”玻尔在回答前苏联物理学家朗道提问“为什么能把这样大一批有才华的青年物理学家团聚在一起”时的回答：“我不怕在年青人面前暴露自己的无知”，学生们对这种求实的科学精神十分敬佩，这一史实产生了极大的感染力。讲到第一颗原子弹研制过程中，发生了重大事故时，在场的科学家如何处理这一事故的情况后，使学生们受到了非常深刻的献身精神与严谨科学态度的教育。关于十九世纪末，物理学的两朵乌云怎样演变成“暴风骤雨”的历史时，学生对于科学发展永无止境有了较深的了解。确实，物理学的发展史，就是一部生动的与天斗、与人斗的历史，与天斗需要方法、能力，与人斗需要勇气、信念。
　　科学精神的确立，植根于对科学价值的正确认识、对科学美的体验，以及由此产生的对科学的热爱；科学精神表现为对客观规律以及反映客观规律的科学的坚信；科学精神产生出对探索未知世界的强烈愿望，以及对美好未来的不懈追求。