HPS理念下物理學史的內容構建及教學策略初探

何晶晶 吳維寧

(湖北大學物理學與電子技術學院,湖北武漢 430062)

HPS理念下物理學史的內容構建及教學策略初探

何晶晶 吳維寧

(湖北大學物理學與電子技術學院,湖北武漢 430062)

目前HPS教育開始成為國際科學教育界的一個研究熱點.越來越多的學者認為這種教育理念能夠有效提高所有公民的科學素養(yǎng).本文從介紹HPS的理念出發(fā),對物理教學中滲透物理學史的內容選擇及教學策略作出初步探討.

HPS;物理學史;內容選擇;教學策略

1 HPS興起的背景及其教育理念

1.1 HPS的教育理念

目前,HPS有兩種定義,部分學者認為HPS是科學史和科學哲學(History and philosophy of science)的縮寫,另有學者則認為HPS是指將科學史(History of science)、科學哲學(Philosophy of science)和科學社會學(Sociology of science)的有關內容融入到中小學的科學課程中.筆者認為后者說法更為妥帖.HPS的核心是對于科學本質的認識,其回答了“科學是什么”和“科學的本質是什么”這兩個問題,主要內容是對公眾進行科學史、科學哲學和科學社會學方面的教育,讓公眾在歷史、哲學和社會學語境中重新理解科學,形成對科學本質的多維透視,以此促進科學教育、推動科學知識的傳播、提高公眾的科學素養(yǎng).

1.2 HPS興起的背景

HPS教育興起于20世紀80年代的英國和美國,其興起的背景可以歸納為三個方面:第一,傳統(tǒng)科學知識的局限性.傳統(tǒng)的科學教育側重于科學實證知識的傳播,幾乎略去了科學知識產(chǎn)生的歷史,科學知識被作為純粹的經(jīng)驗歸納和邏輯推理的結果傳授給學生.這種教育模式嚴重抹殺了學生的創(chuàng)新能力以及對科學的興趣與探索能力.第二,科學史、科學哲學和科學社會學的發(fā)展以及科學家和教育家對這三個“科學元勘”學科的重視.對科學史的重視,早在1895年,著名科學家和科學史學家馬赫(E.Mach)在其題為“論古典學和科學的教育”的向中學教師的演講中,提倡在中學的科學教學中應用哲學和歷史的方法.美國科學史學科的奠基人薩頓(G.Sarton)從1920年起在哈佛大學系統(tǒng)地面向各專業(yè)學生開設科學史課程.哈佛大學校長柯南特(James B.Conant)發(fā)展出一套科學史教材,其中《理解科學:以歷史的方法》以及《哈佛實驗科學中的案例研究》都成為科學史教育領域里極具影響力的經(jīng)典文獻.1952年,美國哈佛大學的科學史教授霍爾頓(G.Holton)編寫了一部面向文科學生的物理學教材——《物理科學的概念和理論導論》,隨后又參與了HPP(Harvard Project Physics Course,“哈佛物理教學改革計劃”的簡稱)計劃,其中融入了大量科學史內容,HPP計劃的目的在于促進學生對科學本質的理解.自1983年起,歐洲物理學會就每兩年組織一次關于物理學史與物理學教學的會議.1987年,英國科學史學會在牛津召開了“科學史與科學教育”的學術會議.由此可見,科學史對于科學本質的教育價值已經(jīng)日益引起人們的重視.第三,目前世界各國都面臨著基礎科學教育的改革從“應試教育”向“素質教育”的轉變.20世紀80年代以來,國際科學教育研究對科學史及與之相關的科學哲學的關注也反映在當代各個發(fā)達國家科學課程與教學改革中.比如最具影響力的美國的“2061計劃”(1989)和《國家科學教育標準》(1996),英國的“國家科學課程”(1988),荷蘭的“PLON課程”(1988),挪威的“核心課程”(1994),丹麥的“科學技術課程”(1990)等,都對科學史、科學哲學和科學社會學的課程與教學有著明確的要求.2001年我國基礎教育領域新一輪的課程改革,明確地將科學教育定位于提高學生的科學素養(yǎng)以及對科學本質的認識.

1.3 HPS教育理念中科學史教育的意義

通過以上論述我們可以明確發(fā)現(xiàn),科學史對于科學教育的貢獻是深為科學界所肯定的.馬修斯曾在總結各家研究結果的基礎上,將科學史融入科學教育的教育價值歸納如下:

(1)科學史可以激發(fā)學生的學習動機,吸引學生投入科學的探究.

(2)科學史可使教材更具人性化.

(3)借助探索科學概念的發(fā)展與精致化的過程,可促進學生對科學概念的理解.

(4)在理解重要的科學史案例的過程中,可使學生認識科學的本質,例如科學革命、達爾文主義等.

(5)科學史可以使學生了解科學知識的不定性、可變性,因而目前人們對科學的理解也具有可轉換的特性.

(6)科學史可使學生認識科學家之間會發(fā)生意識形態(tài)的爭論.

(7)科學史能展現(xiàn)出科學方法的改變歷程,使學生對科學方法的本質有更深刻的認識.

筆者認為,科學史不僅有上述價值,還激發(fā)了學生學習科學的興趣,培養(yǎng)了學生的愛國情操以及學生的科學思維方法和態(tài)度,發(fā)掘了學生科學創(chuàng)新的精神,培育了學生的整體素質,對于培養(yǎng)學生正確人生觀和價值觀更是有著不可忽視的作用.

2 基于物理學史的物理課程內容的構建

2.1 將科學史及其相關學科融入到科學教育中的兩種教育模式

為了提高教師和學生的科學本質認識,很多學者在科學本質教學策略和方法上進行了大量研究,主要包括:科學探究的策略、科學史的策略、科學方法的教學等.本文將著重介紹科學史策略.迄今為止,主要的科學史策略有兩種:馬修斯的適度模式、孟克和奧斯本的融合模式.

(1)馬修斯的適度模式

1994年,澳大利亞科學哲學教授邁克爾·馬修斯(Michacl R.Matthews)提出適度模式的科學史教學,他認為理科教師應該多懂一點科學哲學、科學社會學和科學史,倡導把科學本質的內容納入科學課程與教學中.但同時他也認為希望所有理科教師和理科師范生都成為有能力的科學哲學家、科學史學家或者科學社會學家是不現(xiàn)實的,因此,他認為應當把目標限制在讓師范生或教師了解課堂上出現(xiàn)的有關認識論和科學本質的問題范圍內.馬修斯認為,課堂上,哲學問題無處不在,教師和學生都應該問一問哲學家們經(jīng)常問的問題:你所說的……是什么意思?你是如何知道……的?這種初步的哲學分析會使學生更好地理解它們所蘊含的獨特的經(jīng)驗和概念問題.同時,這種方法也在一般意義上促進了批判性思維和反省思維.

(2)孟克和奧斯本的融合模式

1997年,英國倫敦大學皇家學院的科學教育者孟克(M.Monk)和奧斯本(J.Osborne)在總結歷史經(jīng)驗與教訓的基礎上,結合當前關于科學課程改革的新觀點(如建構主義學習觀),提出了將HPS融入科學課程與教學中的模式.這一模式假設,學習的課題是科學史上某一個科學家曾經(jīng)研究過的自然現(xiàn)象,如落體的變化、植物從哪里獲得食物或燃燒現(xiàn)象等.教學共有演示、引出觀念、學習歷史、設計實驗、科學的觀念與經(jīng)濟性檢驗、評論和評估6個階段.

2.2 物理課程中物理學史內容的構建

對于科學課程中科學史內容的構建研究很多,但多數(shù)處于理論層面,北京師范大學物理系田春鳳在其博士論文《中學物理課程中科學本質教育的研究》中,針對物理學這一具體學科進行了詳細深入的物理課程中如何進行科學本質教育內容的構建的研究,這對于中學教師及學生在進行實戰(zhàn)教學時有著指導性的作用.本文將從物理學史的角度出發(fā),選取一教學實例介紹具體學科——物理學史融入到物理課程中的教學內容的構建.

案例:牛頓第一定律(人教版九年級物理)

在初中階段,學生已經(jīng)學習過牛頓第一定律,但初中課程標準中對此知識點學習要求較低,物理學史內容的體現(xiàn)較少且表面.高中教材非常重視物理學史內容,在高中物理必修1的教材目標中明確要求學生能夠大致敘述發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律的歷史過程,并且能夠對其進行初步評析.

教材分析:教材中簡單介紹了牛頓第一定律的建立過程,但是很明顯重點仍然在伽俐略的理想實驗上.教材中物理學史內容的選擇相對于初中而言增加許多,但是對于HPS的核心——科學本質,物理學史內容的構建依然存在些許缺陷.主要體現(xiàn)在以下3個方面:

(1)沒有體現(xiàn)科學的社會性.在緒論中,教材直接開篇就將亞里士多德的理論作為反面結論呈現(xiàn)給學生,這樣容易造成學生的誤解,以為亞里士多德就是一個延誤世界科學發(fā)展2000多年的愚昧的科學家.教材忽視了科學的發(fā)展與時代的發(fā)展以及當時所處社會的文化背景有著密切的關系,我們應當聯(lián)系一定社會下的文化背景正確評價在這一特定背景下的科學發(fā)展.

(2)沒有體現(xiàn)科學的連續(xù)性.教材在這一知識點的構建上分為“緒論”、“理想實驗的魅力”、“牛頓物理學的基石——慣性定律”、“慣性與質量”4個部分,主要介紹了伽利略的理想實驗,對于在牛頓第一定律的發(fā)展過程中做出貢獻的科學家只提及了笛卡爾,其他科學家只字未提,并且主要功勞放在伽利略的研究上,這會讓學生誤以為科學成果和科學發(fā)展只需要少數(shù)甚至一個或兩個科學家的努力,教材忽視了整個發(fā)展過程的連續(xù)性,任何一個科學理論都是在歷史的進程中慢慢發(fā)展成熟起來的,每一個階段都有為某一個科學理論做出貢獻的科學家.

(3)沒有體現(xiàn)科學方法的多樣性.教材中只介紹了伽利略“理想實驗”中所體現(xiàn)的實驗——歸納——演繹的研究方法,卻忽視了亞里士多德、笛卡爾等為這一理論的形成和發(fā)展做出貢獻的其他科學家在研究過程中所運用的科學方法,這會導致學生以為科學方法只有伽利略所開創(chuàng)的這一種,不能讓學生體會到科學方法的多樣性,在一定程度上也磨滅了學生的創(chuàng)新能力.

針對以上3點不足之處,本文將具體采取重演歷史的方法完善其物理學史內容的構建.

內容構建:牛頓第一定律每一次的進展都是科學家們在批判的繼承前人的基礎上通過科學的方法獲得的.教師在教課時應當加入物理學史的內容,使學生加深對牛頓第一定律的理解,提高對科學本質的認識.

(1)亞里士多德的研究

在亞里士多德之前,古希臘已經(jīng)有一些學者對運動現(xiàn)象提出了初步的看法.亞里士多德對于運動的理論主要研究在于“運動的分類”以及“運動的原因”.

亞里士多德將運動劃分為兩類:自然運動和強迫運動.他認為,所有地面上任何物體的直線上升和向下的運動就是自然運動,凡是自然運動都是加速運動.除了這些自然運動以外的運動都是強迫運動.他認為,一切強迫運動的物體都必須是有推動者在推動著它運動.當推動一個物體運動的力不再推它時,物體就會趨于靜止.由此得出了“力是物體運動的原因”的結論.依據(jù)這一結論,亞里士多德還推論出“第一推動者”,即任何運動的事物應該都是在被一個推動者推動著運動,而這個推動者又是被另一個運動著的物體推動著運動,后一個推動者又是被另一個運動著的事物推動著運動的,如此等等,……無限地追溯上去,那么必然有第一推動者.他還認為,“第一推動者”是永恒的,自身不動的,不受別的物體推動,而能推動別的物體運動.亞里士多德運用上述運動理論,對拋體運動的原因做出了解釋.他認為,一個物體被拋射出去后,會在空中運動一段距離,是因為空氣對物體的推動作用,他還反對古希臘原子論者的“自然界存在虛空”這一觀點.他的解釋是,因為虛空里不存在任何介質,沒有外力的作用,如果存在虛空,那么一切物體在虛空里或靜止不動,或以相同的速度無限運動下去.我們可以發(fā)現(xiàn),亞里士多德在反對虛空存在的論述中其實已經(jīng)含有慣性運動思想的萌芽.

雖然他的運動理論以及拋體運動的解釋都是錯誤的,但是正是把力看做物體運動原因的思想,為后人的研究奠定了基礎,指明了方向,人們只有通過對力的作用進行深入研究,才可能解釋機械運動的本質和規(guī)律.他的反對虛空存在的論述對后世的物理學認識活動也產(chǎn)生了一定積極的影響.

(2)中世紀的研究

中世紀,有不少科學家都探討拋體運動的問題,一種新的理論逐漸流行起來——“沖力理論”.

這種理論的代表人物英國牛津大學的威廉(William of Ockham),他認為運動并不需要外力來推,一旦運動起來就要永遠運動下去.他寫道:“運動并不能完全與永恒的物體區(qū)分開,因為當可以用較少的實體時,就無需用更多的實體.......沒有這一額外的東西,就可以對各種運動給予澄清.”對于拋射運動,他給出解釋:“當運動物體離開投擲者后,是物體靠自己運動,而不是被任何在它里面或與之有關的動力所推動,因為無法區(qū)分運動者和被推動者.”他舉磁針吸鐵為例,說明要使鐵運動并不一定直接接觸,并且還進一步設想,這種情況在真空中也能實現(xiàn).

另外一位批判亞里士多德運動學說的先行者是巴黎大學校長布里丹(F.Buridan).他反對空氣是拋射體運動的推動者,他提出了“沖力理論”,即推動者在推動一切物體運動時,便對它施加某種沖力或某種動力.

布里丹的學生,阿爾伯特(A lbert)和奧里斯姆(Nicholas Oresme)發(fā)展了沖力理論,阿爾伯特運動沖力來說明落體的加速運動,認為速度越大,沖力也越大,他寫道:“根據(jù)這個(理論)可以這樣說,如果把地球鉆通,一重物落入洞里,直趨地心,當落體的中心正處于地心時,物體將繼續(xù)向前運動(越過地心),因為沖力并未耗盡.而當沖力耗盡后,物體將回落.于是將圍繞地心振蕩,直到?jīng)_力不再存在,才重又靜止下來.”

上述理論中,雖然威廉的說法并不等于慣性原理,但是卻是走向慣性原理的重要步驟.因為,如果運動不需要原因,一旦發(fā)生就要永遠持續(xù),亞里士多德的推動說就要從根本上動搖.阿爾伯特的這個例子伽利略在其《兩大世界體系》中也有討論,可見布里丹、阿爾伯特、奧里斯姆的早期工作為伽利略和牛頓開辟了道路.

不論是伽利略還是牛頓,都在自己的著作中留下了沖力理論的烙印.

(3)文藝復興時期的研究

伽利略是文藝復興時期誕生的偉大科學家,教材中已經(jīng)詳細介紹了伽利略對于運動理論的研究和主要貢獻,在此本文不再贅述.本文重點從文藝復興時期來分析伽利略研究的時代背景,以此闡明科學的社會性.

14、15世紀的歐洲,資本主義逐漸興起,資本主義生產(chǎn)的發(fā)展,不僅提出了發(fā)展科學的需要和課題,也提供了科學發(fā)展所需要的大量可供觀察的材料和制造實驗儀器的物質技術條件.以恢復古代文化的面目出現(xiàn)的“文藝復興運動”首先出現(xiàn)在最先受到摧殘、現(xiàn)在又逐漸恢復元氣、資本主義最早得到發(fā)展的意大利,并且很快擴大到整個歐洲.他們宣揚“人文主義”,提倡人權,反對神權,提倡思想自由,要求把人的思想、感情和智慧從教會神學的束縛中解放出來,人文主義重視人與自然的統(tǒng)一,積極倡導對自然的研究.伽利略在這種思想極度開放的社會背景下,以確鑿的實驗事實,嚴密的邏輯推理和清晰的觀點,批駁了亞里士多德的運動學說,闡明了他的運動理論.

(4)笛卡爾的研究

1644年,笛卡爾(Rene Descartes)在《哲學原理》一書中彌補了伽利略的不足.他明確指出,除非物體受到外因的作用,物體將永遠保持其靜止或運動狀態(tài),并且還特地聲明,慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動,而只保持在直線上運動,他表述成兩條定律:

①每一單獨的物質微粒將繼續(xù)保持統(tǒng)一狀態(tài),直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止.

②所有的運動,其本身都是沿直線的.

笛卡爾認識到了慣性定律是解決力學問題的關鍵所在,他是最早將慣性定律作為原理加以確立,并將其視為整個自然觀的基礎的科學家,這對牛頓后來的綜合工作有著深遠的影響.教材中對于這段歷史只是一筆帶過,但實際上,笛卡爾運用思辨和數(shù)學演繹的科學方法使得慣性定律的發(fā)展有了一個質的飛躍.

(5)牛頓的綜合

牛頓在大學學習期間,接觸到了亞里士多德的局部運動理論,后來又接觸到伽利略和笛卡爾的著作,受到他們的影響,牛頓開始動力學的研究.1664年上半年,牛頓擺脫了亞里士多德的影響,轉而接受伽利略重視實驗和數(shù)學的觀念.笛卡爾關于尋求“自然的第一原因”的思想,也大大激勵了牛頓.牛頓對于慣性定律的研究始于對萬有引力問題的研究,他大約從1665年開始研究慣性運動,到了1668年才開始將注意力從慣性運動的闡述轉向慣性運動的本質,提出慣性是由物體內在的屬性——質量決定的.質量概念的建立,才使人們深刻理解和認識慣性的含義,找出它與其他運動定律的內在聯(lián)系,作為運動第一定律提出來.

在牛頓的手稿中,是他在1665-1666寫在筆記本上未發(fā)表的論文.這些手稿提到了幾乎全部力學的基礎概念和定律,對速度給出了定義,對力的概念作了明確的說明.牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中提出了一系列的定義,以公理的形式提出了三大運動定律(慣性定律、運動定律和作用反作用定律),緊接著又提出了6個推論.牛頓將前人的各部相關的獨立成果系統(tǒng)化,綜合在一起形成了有邏輯聯(lián)系的整體.

從教材中,我們發(fā)現(xiàn)只提及牛頓總結前人的結果,通過歸納得出了牛頓第一定律——慣性定律.實際上,牛頓對于第一定律的認識過程和總結過程也是相當曲折的,也曾經(jīng)受到舊觀念的束縛,在這一艱辛過程中,建立了質量、力、慣性等一系列的概念之后,才最終建立牛頓第一定律,成為了力學的重要基石之一.教材中的簡略交代會誤導學生以為科學是靠運氣的,成為科學家也是命中注定的,不用付出努力就可以憑借運氣簡單地總結前人的結果便能得到科學成果,成為為科學事業(yè)做出貢獻的卓越的科學家.

科學本質:牛頓第一定律的發(fā)展歷程中包含了豐富的科學本質內容,將這一段物理學史融入到教學中,可以有效提高學生的科學本質觀.

(1)科學的社會性.科學思想及其發(fā)展史受到社會和歷史背景影響的,在評價科學發(fā)展時,應該考慮到其所處的社會文化背景.如亞里士多德,他的運動理論雖然是錯誤的,但是他開啟了人們以及后來科學家對于運動研究的大門,他的思想和理論都是受到了當時社會文化的束縛和影響,我們應該正確的評判他對于科學發(fā)展所作出的貢獻,而不是教材中那樣全盤否定.再如伽利略的研究,他之所以取得巨大的成就,使得科學發(fā)展向正確的方向發(fā)展并且邁了一大步,也有當時文藝復興那個歷史背景的影響.

(2)科學的連續(xù)性.科學知識具有相對穩(wěn)定性,它是不斷發(fā)展和進步的,不是一成不變的.牛頓第一定律經(jīng)歷了幾個時期多位科學家的研究和探討,最終才得以建立.

(3)科學方法的多樣性.同一個問題可以用不同的方法來解決,最終可以得到相同的結果.牛頓第一定律的發(fā)展歷程中凝結了許多科學方法,比如亞里士多德的“思辨的邏輯”方法,伽利略的“實驗-歸納-演繹”方法,笛卡爾的“思辨和數(shù)學演繹”方法,牛頓的“分析-綜合”方法.

HPS教育理念已經(jīng)滲透到了世界各國科學教育領域,它的作用與價值不容忽視,物理學作為最基礎的一門科學更是需要貫徹實施這一理念,尤其是要充分利用物理學史.筆者認為,借史料學習知識、從原著學習方法、向大師學習精神.物理學史教學既是進行物理本質教育的有效方法,又是培養(yǎng)學生物理興趣和自學能力的有效途徑.

1 丁邦平.科學元勘與科學教學改革的兩種模式.全球教育展望, 2001(11):49-53

2 郭奕玲,沈慧君.物理學史.北京:清華大學出版社,2003.21-46

3 胡化凱.物理學史二十講.合肥:中國科學技術大學出版社, 2009.192-196

4 李艷平,申先甲.物理學史教程.北京:科學出版社,2003.83

5 劉兵,江洋.科學史與教育.上海:上海交通大學出版社,2008. 39

6 田春鳳.中學物理課程中科學本質教育的研究.北京師范大學博士論文,2009.99-103

7 吳致遠.在大學教學中引入HPS教育的設想.自然辯證法研究, 2009(5):104

8 袁維新.國外科學史融入科學課程的研究綜述.比較教育研究, 2005(10):62-63

9 朱钅宏雄.物理學方法概論.北京:清華大學出版社,2008.25,49, 82

2010-05-18)

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