物理教學(xué)中科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)例談

朱崇軍

科學(xué)教育承擔(dān)著培養(yǎng)公民科學(xué)素質(zhì)的重任. 提高科學(xué)素養(yǎng)是義務(wù)教育物理課程的基本理念之一，是課程設(shè)計(jì)的宗旨. 由“課程標(biāo)準(zhǔn)”可以看出，教育的頂層設(shè)計(jì)對提高學(xué)生“科學(xué)素養(yǎng)”的重視，但我們的課堂教學(xué)和一些教師自身的科學(xué)素養(yǎng)，卻不能適應(yīng)這一要求. 相關(guān)學(xué)者研究表明，我國理科教師對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識不足，教學(xué)中非科學(xué)和偽科學(xué)的行為普遍存在.[1]根據(jù)筆者對課堂教學(xué)的長期觀察似乎也印證了這一觀點(diǎn).

鑒于科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)素養(yǎng)的核心命題，我們就有必要了解“什么是科學(xué)”. 從事科學(xué)研究，遇事問個為什么，不滿足于古老的神話傳說，而是采用一定的方法，通過一定的途徑，系統(tǒng)性地連續(xù)提出問題，進(jìn)而解決問題——這就是古希臘時歐洲理性文化的誕生.[2]筆者有這樣的體會，對于很多事情，不問，似乎還覺得清楚，越問反而會覺得越糊涂. 對于“科學(xué)”也大體如此. 當(dāng)不深究“什么是科學(xué)”時，自信自己已清楚了“什么是科學(xué)”，但當(dāng)要清晰地回答“什么是科學(xué)”時，卻又感到自己十分淺薄. 相關(guān)的閱讀使筆者認(rèn)識到，要尋找“確定的答案”本身，也許就是非科學(xué)的. 對于科學(xué)本質(zhì)，盡管不同領(lǐng)域的專家對其內(nèi)涵存在爭議，但仍有這樣一些共識：科學(xué)知識兼具持久性和暫時性；科學(xué)知識依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)證據(jù)、合理的爭論即懷疑態(tài)度；科學(xué)不存在一種普適的按部就班的方法；科學(xué)是解釋自然現(xiàn)象的一種嘗試；科學(xué)思想受到社會和歷史背景的影響等.

應(yīng)試教育使我們?nèi)狈r間和精力去圍繞“什么是科學(xué)”這類問題作深度的閱讀和研究，因此，科學(xué)素養(yǎng)意識也就難以建立，從而也就使教育喪失了培養(yǎng)公民科學(xué)素養(yǎng)應(yīng)發(fā)揮的作用. 如以下幾個示例，在部分教師看來也許毫無價值，但在筆者看來卻有利于對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng).

示例1 結(jié)論其實(shí)有時并非定論

某課堂上，在《利用體重計(jì)和方格紙測量人站立時對地面的壓強(qiáng)》[3]活動中，按照圖示及所給方法求出腳底所占的面積. 老師提名要求的八位同學(xué)給出的面積分別是：153、154、157、162、163、165、165、178.課后，筆者又以另一班學(xué)生為樣本，做了測試，情況也大體如此.

出現(xiàn)這種情況，教師一般采取三種辦法. 其一是要求學(xué)生“再認(rèn)真數(shù)”，以期得到教師期望得到的結(jié)果；其二是在數(shù)據(jù)差距不大情況下，將其當(dāng)成誤差來處理；其三是教師給出一個“標(biāo)準(zhǔn)答案”. 這三種方法都有一個潛在的目的——盡快得出結(jié)果，以便應(yīng)用公式求出“人對地面的壓強(qiáng)”.

面對同一對象，卻出現(xiàn)如此不同的眾多數(shù)據(jù)，這是一個有趣的話題，是一個能激發(fā)學(xué)生興趣的話題，也是一個可以拓展的深邃話題. 面對這種情況，如果急于得出一個結(jié)果，并應(yīng)用這個結(jié)果去解題，這就不是科學(xué)態(tài)度；如果，問個“為什么”，我們就在引導(dǎo)學(xué)生走近科學(xué). 有關(guān)認(rèn)識論的研究指出，個人對于知識本質(zhì)的信念會影響其認(rèn)知學(xué)習(xí)和對信息的詮釋. 在進(jìn)行議題的判斷決策時，一個認(rèn)為知識不變的人，會僅以記憶中的經(jīng)驗(yàn)知識做決定，無法接受多元觀點(diǎn)并做深入思考；相反，了解知識不確定性和可變性的人，則傾向于做高層次的思考，并能從多元角度分析事件的爭論點(diǎn). 因此，以議題決策為中心的教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生反思和主動學(xué)習(xí)、參與討論的過程，有效提升學(xué)生的批判思考能力.

示例2 本源其實(shí)是信念

如鐵屑分布與磁感線之間的關(guān)系.

一般認(rèn)為，教材中《幾種常見的磁場》這部分內(nèi)容，是沒有難度的，是通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察容易得到結(jié)論的內(nèi)容，其實(shí)并不盡然. 有一次在省級骨干教師培訓(xùn)班上，有一位老師以此為課題，執(zhí)教一節(jié)教學(xué)觀摩課. 課上，學(xué)生分組做了探究《通電直導(dǎo)線周圍磁場分布》實(shí)驗(yàn). 從操作的層面看，這個實(shí)驗(yàn)并不難，難就難在能否在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間建立一種令人信服的聯(lián)系.

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，硬紙板上出現(xiàn)了應(yīng)該出現(xiàn)的正常的鐵屑分布，學(xué)生當(dāng)然也不難觀察到鐵屑的分布規(guī)律. 當(dāng)老師問磁感線的分布情況時，學(xué)生干脆回答是“圓”. 將鐵屑分布等同于一系列同心圓，和從鐵屑分布現(xiàn)象抽象出磁感線是一系列同心圓，從理性角度講，它們都是生硬的. 應(yīng)該說，這里有猜想與假設(shè)、對自然規(guī)律所持的某些信念參與其中. 懷特海在《科學(xué)的起源》中指出，如果沒有一種本能的信念，相信事物中存在著一定的秩序，尤其是相信自然界中存在著秩序，那么，現(xiàn)代科學(xué)就不可能存在.[4] 對于這個實(shí)驗(yàn)，信念也許就是“磁感線應(yīng)該是簡潔、對稱和美的”. 從無數(shù)鐵屑的分布現(xiàn)象中選擇不同的有限數(shù)目的鐵屑，它們可以組成圓、橢圓、中心不在導(dǎo)線處的圓等圖形，只有將對稱性判斷與鐵屑分布現(xiàn)象相結(jié)合，才能較好地解釋得出的結(jié)論. 考慮到對稱性，我們也才能較好地解釋，為何要將硬紙板放在與直導(dǎo)線垂直的位置上這個潛在問題，考慮到對稱性，通電直導(dǎo)線周圍磁場的立體分布才不難想象.

又如描點(diǎn)作圖是我們尋找規(guī)律的重要手段，但從描點(diǎn)到圖象的形成又似乎并不那么簡單. 當(dāng)一個規(guī)律表現(xiàn)為因變量是自變量的二次函數(shù)時，在剔除“異常點(diǎn)”之后，再用平滑曲線連接有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣的曲線就是要尋找的規(guī)律；而當(dāng)一個規(guī)律表現(xiàn)為因變量是自變量的一次函數(shù)時，則要在剔除“異常點(diǎn)”之后，用一直線去盡量靠近所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)盡量平均分布在這條直線的兩側(cè)，這樣的直線就是要尋找的規(guī)律. 這樣的作圖法，隱含著這樣一個深刻的疑問，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)竟與“規(guī)律”不吻合，而人為畫出的“曲線”或“直線”竟然是“規(guī)律”？

這“曲線”或“直線”看似來自于實(shí)驗(yàn)，實(shí)際是來自于假設(shè)和概括. 每一種概括在某種程度上都隱含對自然界的統(tǒng)一性和簡單性的信念. 任何事實(shí)都能夠以無限的方式概括，它是一個選擇問題. 選擇只能夠受簡單性的考慮的引導(dǎo).[5]蒯因把人類的知識或信念比做一個力場. 它的邊界是經(jīng)驗(yàn)，離經(jīng)驗(yàn)最近的是關(guān)于經(jīng)驗(yàn)的概括命題，其次是最為普遍的自然定律，最中心的是邏輯學(xué)知識和本體論信念.

科學(xué)即是提供系統(tǒng)的解釋，但解釋有極限. 如果將這極限稱為本源，可見本源是不可解釋的，當(dāng)然本源又是可變的. 本源可以是規(guī)定、公理和信念等. 哥白尼革命是全部科學(xué)史中最為迷人的事件，它標(biāo)志著近代物理學(xué)的誕生，它也是一個信念在科學(xué)發(fā)展中發(fā)揮作用的典型范例. 相對于托勒密的地心說，哥白尼向新世界觀的轉(zhuǎn)變，只不過是在那時復(fù)興的柏拉圖主義的鼓舞下，把復(fù)雜的幾何迷宮在數(shù)學(xué)上簡化為一個美麗、簡單、和諧的體系的結(jié)果. 在哥白尼的日心說革命遇到重重困難時，為了反對那些重要異議，他只能聲明，他的觀念把天文學(xué)事實(shí)拋入了一個比較簡單、和諧的數(shù)學(xué)秩序之中，把托勒密體系中的84個本輪減少到了自己體系中的34個. 數(shù)學(xué)在哥白尼這里是以信念和審美的身份出現(xiàn)的.[6]

示例3 探究無定式

一位教師執(zhí)教《自由落體運(yùn)動》中的一個片段.同學(xué)們注意，下面我做這樣一個游戲（可視為一個實(shí)驗(yàn)，也可視為一種幽默）：我捏著這張十元面額的新紙幣的上端，讓紙幣自由下垂. 大家推薦一位反應(yīng)敏捷的同學(xué)到臺前，將手放在紙幣的最下端，做好捏住紙幣的準(zhǔn)備，眼睛看著我捏紙幣的手指，當(dāng)發(fā)現(xiàn)我松開手指的時候，這位同學(xué)就立即捏紙幣，誰能捏住，這張紙幣就歸誰. 操作辦法和規(guī)則介紹剛完畢，個個都躍躍欲試，被推薦反應(yīng)敏捷的也不是一個人選. 老師指定A同學(xué). A同學(xué)，帶著極端的興奮和幾分自豪走到臺前. 操作開始，A生全神貫注. 當(dāng)沒有捏住時，他就說自己還沒有準(zhǔn)備好，并要求再來；當(dāng)捏住時，下面同學(xué)的意見又有分歧：有的說A違反規(guī)則，有的又說A遵守了規(guī)則.

一個簡單的操作，出現(xiàn)了兩個對立的結(jié)果，即捏住和捏不住. 捏不住，A同學(xué)認(rèn)為自己準(zhǔn)備不夠充分；捏住了，在全體同學(xué)中又出現(xiàn)了“守規(guī)”和“違規(guī)”兩種對立的判斷. 對立就是矛盾，矛盾帶來爭論，消弭爭論就需尋找對策.

對策之一是依賴知識，知識提供給我們的依據(jù)是，一般人的反應(yīng)時間大約是0.2秒，而十元紙幣自由下落的高度達(dá)到它的長度時所需的時間大約是0.17秒. 以此作為判斷的依據(jù)，若捏住，A同學(xué)是違規(guī)的. 但0.2秒是統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，而參與操作的A同學(xué)的反應(yīng)時間極有可能小于0.17秒，所以，要判斷A同學(xué)是否違規(guī)，我們還要做更多的工作. 看來應(yīng)用科學(xué)知識來解決問題，并不能生搬硬套，而是要具體情況具體分析.

對策之二是多次測試（即實(shí)驗(yàn)），但次數(shù)越多，就如拋擲硬幣一樣，其捏住和捏不住的概率就越趨向50%，即使是70%或30%，似乎也不足以消除爭論.

對策之三是依賴票決，即多數(shù)同學(xué)認(rèn)為A同學(xué)違規(guī)，A同學(xué)即違規(guī). 但看到的又未必是真實(shí)的，即科學(xué)問題是不能采取票決的. 因此，票決在這件事上也行不通.

我們往往認(rèn)為探究有一定的程式和固定的要素（或部分要素），在課程標(biāo)準(zhǔn)中可以找到依據(jù)，并在教科書中有相關(guān)且是重要命題時才進(jìn)行探究. 其實(shí)，只要我們能創(chuàng)設(shè)適宜的情境，給學(xué)生自主和自由的時間與空間，減輕知識和習(xí)題教學(xué)的壓迫，相信學(xué)生（有關(guān)研究者認(rèn)為，教師對學(xué)生能力的有限性看法是進(jìn)行以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)的障礙，在進(jìn)行新課程開發(fā)的時候，應(yīng)該確定和考慮教師已有的信念結(jié)構(gòu)[1]），探究是隨時隨地都可以發(fā)生的.

也許有人認(rèn)為，類似以上的事例只是在浪費(fèi)學(xué)生的寶貴時間，但盧梭說：“誤用光陰比虛擲光陰損失更大，教育錯了的兒童比未受教育的兒童離教育更遠(yuǎn).”[7]我國科學(xué)課堂中對科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的迷思（表現(xiàn)為四個方面：演繹和推理的強(qiáng)化訓(xùn)練、僵化地認(rèn)識科學(xué)、個人主義的觀點(diǎn)、排他的分析觀），非常不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成，第八次中國公民科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查的結(jié)果已證明了這一點(diǎn). 托馬斯·庫恩指出，在科學(xué)的諸多方面中，教學(xué)形式比其他任一方面都更能決定我們關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的形象以及發(fā)現(xiàn)和發(fā)明在科學(xué)進(jìn)展中的作用等問題的看法. 我們真應(yīng)該好好反思自己的教學(xué)行為對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)形成的影響.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王晶瑩. 科學(xué)探究論[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社，2011：17，94，9，89，86，84，105，94.

[2] 漢斯·波塞爾. 科學(xué)：什么是科學(xué)[M]. 李文潮譯. 上海：三聯(lián)書店，2002：1，29.

[3] 劉炳升.物理（八年級下冊）[M].南京：江蘇科技出版社，2007：78.

[4] 懷特海. 科學(xué)家的辯白[M]. 毛虹，等譯.南京：江蘇人民出版社，1999：162.

[5]昂利·彭加勒. 科學(xué)與假設(shè)[M].李醒民譯. 商務(wù)印書館，2006：121.

[6]托馬斯·庫恩. 哥白尼革命[M]. 吳國盛譯.北京：北京大學(xué)出版社，2003：178.

[7]周國平.人生哲思錄[M]. 上海：上海辭書出版社，2011：447.

[8] 托馬斯·庫恩. 科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)[M]. 金吾倫譯.北京：北京大學(xué)出版社，2003：129.