滲透科學本質觀的高中物理教學初探
——以“能量守恒定律與能源”為例

陳 彬 管小慶

(江蘇省錫山高級中學,江蘇 無錫 214174)

1 問題的提出

科學本質觀是人們對科學本質問題的認識．而科學教育的重要目標之一就是要培養(yǎng)學生對科學本質問題的認識,讓學生擁有自己的科學本質觀．科學本質包括3個主要部分:第一是科學世界觀,世界是可以理解的,科學知識是有用的,但科學不能為所有問題提供圓滿的答案;第二是科學探究,科學要求證據,科學是邏輯和想象力的結合,科學拒絕權威,同時科學家試圖避免偏見;第三是科學事業(yè),科學是一種復雜的社會活動,科學家在科學研究過程中遵循普遍的準則,然而科學家在參與公共事務時既是專家也是公民．2017年提出的高中物理核心素養(yǎng)中,明確物理核心素養(yǎng)分為“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態(tài)度與責任”這4個方面．其中“科學態(tài)度與責任”中明確提出:“在認識科學本質,理解科學·技術·社會·環(huán)境(STSE)的關系基礎上逐漸形成的對科學和技術應有的正確態(tài)度以及責任感．“科學態(tài)度與責任”主要包括科學本質、科學態(tài)度、科學倫理、STSE等要素．”可見科學本質觀對于學生的重要性也日益顯著．雖然培養(yǎng)學生科學本質觀的觀念已經逐步滲透在教師心中,但是迫于升學的壓力,現階段的物理教學依然很難有較大的改觀．許多公式、定理的教學依然是“去背景化”的,而許多結論的介紹依然是開門見山,省去中間許多的假設、歸納、實驗,從而讓學生有一種物理乃至科學是確定的、絕對的錯覺,不利于學生培養(yǎng)全面的科學本質觀．

2 科學本質觀的發(fā)展及滲透科學本質觀的物理教學

關于科學本質觀的演變,一般可以分為兩種:傳統(tǒng)的科學本質觀和現代的科學本質觀．傳統(tǒng)的科學哲學認為:科學是用仔細的觀察、實驗收集的事實和運用某種邏輯程序從這些事實中推導出的定律和理論．它強調,知識是經過實證檢驗過的,具有永恒性.自近代以來,傳統(tǒng)的科學本質觀,在相當長的一個歷史時期內,成為一個普遍流行的觀點．而我們中學所教授的物理知識和定律,大多產生于這一時期,這也無疑給現代的學生以傳統(tǒng)科學本質觀的熏陶和教育,學生也在潛移默化中接受了這種我們所學的知識是絕對的,永恒的觀點．而現代的科學本質觀則強調通過歸納和證實等方式獲得的科學知識并不是絕對正確的,是可錯的,科學知識只能被證偽．當今的科學本質觀主流是建構主義的科學本質觀．該觀點認為,科學知識的獲得是科學家根據原來的知識、現有的理論來建構科學知識,它強調的是知識的暫時性、主觀性、建構性,科學知識會被不斷地推翻和修正．現代的科學本質觀對于中學生來說可以說是顛覆性的,因為它否定了科學知識的客觀性,強調知識是依靠原有知識的建構,是可以不斷被否定和修正的．而對于長期處于邏輯實證主義觀點教育下的學生來說,這使得他們很難理解此等本質觀．而處于物理學科前沿的理論、乃至高校物理的教學和科研,建構主義本質觀更加合適,因為現代物理更強調的是提出嘗試性的、探索性的理論假設.這些假設是描述世界可能是什么樣的,而不是描述世界是什么樣的．科學家只能夠提出假設,來盡可能地去接近這個世界,而不可能完全符合．筆者認為,這兩種派系的科學本質觀各代表著一類時期的人對科學的根本認知．17世紀至19世紀是經典物理學的盛世,那時的物理體系還是牛頓力學體系以及麥克斯韋的電磁學理論體系．那時的科學還是依靠經驗、觀察、實驗,最后理論被證實,這些知識就成為了永恒的絕對的“真理”．而現代的物理學則強調對基礎物理的高度概括性描述以及尖端物理技術的運用．

而對于處于中學階段的學生來說,他們在初中階段學習的依然是經典物理學,已經是固定的、經歷了時間和現實的考驗的,也就是傳統(tǒng)的科學本質觀所認為的絕對的,永恒的．所以對于中學生來說,他們長時間接觸的經典物理體系使得他們對科學本質觀會有著片面的了解,不利于學生正確的科學本質觀的形成,對科學假設和理論表現出盲從而輕信的態(tài)度．同時固定的知識體系也會壓抑學生的好奇心與求知欲,更不利于培養(yǎng)學生探究和創(chuàng)新能力．

因此,為了培養(yǎng)學生建構主義科學本質觀,使得學生能夠對科學有著更為全面的了解,彌補傳統(tǒng)物理教學過于強調傳統(tǒng)科學本質觀的弊端,在平時教學中滲透科學本質觀的教育勢在必行．通過生動有趣的課堂,不僅可以使學生從學習物理學伊始就對物理學本質有著一定的認識,更能激發(fā)學生對物理的興趣,更好地幫助學生銜接經典物理與現代物理,接觸物理前沿,跟上科技前進的步伐,能夠應對這個日益科技化的世界,正確理解新科學知識和產品，合理看待科學家以及科學事業(yè),為高校的物理教育做鋪墊,從而為高校輸更多的物理人才．

3 滲透科學本質觀的物理教學初探

3.1 滲透科學本質觀的物理教學策略

提升學生科學本質的教學策略一般可歸納為內隱和外顯兩大途徑.[1]前者主要是在不明確科學本質的前提下,在課堂教學中通過一些物理學史、人物軼事、實驗探究等方式,讓學生置身其中,對科學本質有一定的了解和體會;后者需指出科學本質的成分,從而使學生有目的地對科學本質觀有一定的了解．在具體的物理教學時,兩種教學策略一般穿插使用．例如:在進行校本課程教學時,可以多運用外顯的教學策略;在進行課堂教學時,可運用內隱策略;又例如:講解概念、規(guī)律、實驗教學時,為了突出教學重點,可運用內隱策略;進行物理學史、知識介紹等文科性質的教學時,可以多運用外顯策略．本文所展示的教學案例采用的是內隱策略．

3.2 滲透科學本質觀的教學案例——以“能量守恒定律和能源”為例

課堂實錄:

(1) 展示圖片模型,激發(fā)學生興趣.

圖1 “懸空茶壺”噴泉

師:同學們,這是我在網上找到的一張圖片(圖1),請大家聯系自己的生活經驗思考,這張圖片是真的嗎?請說明自己的理由．

生:這不可能．沒有水進入,就有水流出,水憑空產生了,這違反了守恒定律.

師:那大家再看我手里的這個飲水鳥(圖2),觀察一下,請問這個小鳥的工作原理是什么呢?

生:這里面應該裝有電池吧!電池輸出能量,才能讓小鳥動起來.

(2) 引入能量概念,探究能量的轉化.

圖2 “飲水鳥”裝置

師:你剛剛提到了能量,其實我們生活當中能量無處不在,你能用自己的語言談一談什么叫能量嗎?

生1:就是能源!

生2:就是動力

……

師:大家的定義不是很準確,我們了解能量,但很難給能量下一個定義．能量表示物理系統(tǒng)做功的本領,是物質運動轉換的量度．能量的種類有很多種,常見的有機械能、化學能、熱能、電能、輻射能、核能、光能等等．那這些能量之間有聯系嗎?請大家分組討論以下情況,并指出里面涉及到哪幾種能量的轉化．

圖3

師:圖3中是大家平時最常見的水果,那么植物的生長需要光合作用,請問在光合作用時,能量是如何轉換的?

生:光合作用是由太陽能轉化為化學能.

圖4

師:圖4是水力發(fā)電站,水力發(fā)電利用河流、湖泊等位于高處具有能量的水流至低處,利用水力(具有水頭)推動水力機械(水輪機)轉動,轉動的水輪機推動發(fā)電機,從而產生電能．

生:重力勢能轉化為動能,再轉化為機械能,最后轉化為電能．

師:這兩個例子說明不同能量之間有什么聯系?

生:不同能量在一定條件下可以相互轉化．

(3) 引入物理史實,滲透科學本質.

師:那既然能量之間可以相互轉化,我們是否可以做出一種源源不斷對外做功而不消耗外界能量的機器呢?這種想法最早起源于印度, 后來通過伊斯蘭教傳到了西方．從13世紀開始,就不停地有學者提出永動機的模型(圖5),其中不乏像達芬奇一類的大家,但是,無一例外,他們設計的永動機,無論在方案上多么完美無缺,一到實際應用,就立馬問題百出．最后,科學家們發(fā)現,永動機是不可能存在的．接下來給大家看一個模型(圖6),請問這樣可以實現永動嗎?如果不可以,為什么呢?

圖5

圖6

生:不可以永動．因為從整體的受力情況來看整體受力平衡,沒有外力驅動他們前行.

師:非常好．17世紀和18世紀時期,人們熱衷于制作永動機,宮廷里聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發(fā)明來掙錢的方案設計師．有學識的和無學識的人都相信永動機是可能的．而現在的科學早已證明永動機是不可能存在的．

師:從這個故事我們可以發(fā)現,科學的規(guī)律并不是一成不變的,再多人相信的“事實”,也會隨著時代的進步而改變．即使是被實驗證實的結論,也可能因為科學的進步被證明只能在某一領域成立．科學是變化的,是不斷修正過的產物,所以我們既不能迷信權威,也不能對事實存有偏見．

(4) 揭示能量守恒定律,引發(fā)學生思考科學與社會的聯系.

師:既然能量可以在一定條件下相互轉化,那么轉化的過程中它們的總和是否會發(fā)生變化呢?請學生們大膽猜想一下!

生:不變!

師:很好!能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只會從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到其他物體,而能量的總量保持不變．能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一．早在19世紀中期,德國醫(yī)生、物理學家J·邁爾在一次觀察病人血液的偶然機會中,想到了能量守恒,并從理論的層面,配合一定的實驗,于1842年表述了能量守恒定律,成為了能量守恒定律提出的第一人!在此之后,英國物理學家J·焦耳做了大量實驗,用各種不同方法求熱功當量,所得的結果都是一致的．1847年德意志科學家H·亥姆霍茲對能量守恒定律進行了嚴格的數學描述……

師:我們發(fā)現,一個科學定律的得出并不是完全靠某位科學家一時心血來潮而得到的,它的背后更多的是嚴格的推導,精確的實驗,數據和假設的契合…科學是建立在嚴密的邏輯體系和實驗的基礎之上的,我們往往會過于在乎發(fā)現的偶然性,而忽略了科學的本質與它建立的過程．

師:請同學們再次閱讀教科書第81頁右上角的介紹(表1),不知道同學們發(fā)現了沒有,科學家大范圍地關注到能量的相互轉化是從19世紀開始的;發(fā)現能量守恒集中在19世紀40年代,請問這是巧合還是必然呢?

表1 科學家關注的自然界現象之間的聯系

生1:我猜是巧合.

生2:我猜是必然．

師:我想提醒一下大家,19世紀往前推半世紀,在全球范圍內發(fā)生了一件怎樣的大事?

生1:第一次工業(yè)革命!

師:第一次工業(yè)革命的標志是什么?

生2:蒸汽機作為動力機被廣泛使用!

師:很好,那請問你們能知道二者之間的聯系了嗎?

生:因為第一次工業(yè)革命,社會的發(fā)展導致蒸汽機的使用,從而促進了科學家對能量轉化的認識,所以能量守恒定律集中在這一個階段被發(fā)現了!

師:對!由這一段史實我們可以看到,自然科學的發(fā)展并不是孤立的,科學家也不是孤立存在的個體,他們會受到社會環(huán)境的影響,他們的認識會受制于社會的發(fā)展水平;同樣,科學的發(fā)展也會受制于社會的物質發(fā)展水平,只有社會發(fā)展到一定的水準,實驗設備才能同等級地提升,物理規(guī)律才能被進一步揭示．我們常說,科技的進步能夠促進社會發(fā)展,有些同學以為,科技能夠決定社會,能夠決定生產力,其實不然:社會生產力的進步決定了科技的發(fā)展,科技的發(fā)展反過來再促進社會的進步,這就是我們哲學中所說的:“經濟基礎決定上層建筑”“社會存在決定社會意識,社會意識反作用于社會存在”

(5) 介紹能源的變遷與發(fā)展,培養(yǎng)節(jié)約能源的意識

師:能源在我們生活當中不可或缺．我們身邊的能源的形式形形色色．距今五六十萬年前,火的使用是人類利用能源的一個里程碑,這讓人類告別了茹毛飲血的時代；第一次工業(yè)革命時期,煤的廣泛使用,讓人類的生產力有了巨大的變化;19世紀80年代,石油的廣泛利用,內燃機的出現,推動了機械化和電氣化的進程……然而,能源的不斷利用,對周圍的環(huán)境也產生了巨大的影響:溫室效應、氣候變暖、大氣污染、酸雨等等.這無不昭示著人類在發(fā)展過程中的不完善．現在,我們更加追求能源的可持續(xù)性和清潔性,我們更多地在利用太陽能、核能、風能等清潔能源,現在的人類正在追求人與自然的和諧共處．

3 總結

在物理教學中滲透科學本質觀的教育,可以根據課堂教學的具體內容,具體問題具體分析,并不需要每節(jié)課都涉及,但一定要在潛移默化中培養(yǎng)學生對于科學本質的認識,更重要的是對科學研究的本質和科學事業(yè)本質的認識．幫助學生更好地銜接中學物理與大學物理乃至更高層次的領域,修正學生對于科學知識本質的認識,更好地激發(fā)學生的對物理等科學課程的熱情與興趣．