自然建模：從定性到定量的科學(xué)實驗與教學(xué)研究

朱壯麗

摘要：自然是自然科學(xué)的天然內(nèi)涵，自然模型是自然現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的形式體現(xiàn)，自然科學(xué)知識的學(xué)習(xí)生涯是在思維中建立自然模型的過程，即自然建模。定性與定量是自然建模的發(fā)展過程的兩個典型特征。早期的自然建模偏重于定性，具有一定的趣味性，往往發(fā)端于對自然現(xiàn)象的簡單觀察和經(jīng)驗積累，并直接投入到實際應(yīng)用。成熟的自然建模偏向于定量，是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實驗，是對自然規(guī)律的公式化抽象化表達。從查理定律/蓋-呂薩克定律的發(fā)現(xiàn)過程，可以看出，我國古代早期的自然建模思想偏向于定性;而西方近代社會的自然科學(xué)發(fā)展史，則更注重定量的自然建模分析。根據(jù)教育類型的不同，引入不同特征的自然建模思想，可以有效的提高教學(xué)效果，促進學(xué)生發(fā)展。

關(guān)鍵詞：自然建模;定性與定量;科學(xué)實驗;科普教育與科研教育

自然科學(xué)，與社會科學(xué)、思維科學(xué)并稱科學(xué)三大領(lǐng)域，在某種程度上說，現(xiàn)代科技是自然科學(xué)發(fā)展的成果結(jié)晶，自然學(xué)科教育與學(xué)習(xí)是繼承與發(fā)展科技的重要方式?？v觀歷史更迭、社會變革與教育發(fā)展，物理化學(xué)等自然科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科都扮演著至關(guān)重要的角色?！皩W(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的坊間傳言一度甚囂塵上，好似“只有學(xué)不好理科的學(xué)生，才會選擇文科”。這些俚語雖有失偏頗，卻恰從側(cè)面說明了自然科學(xué)的重要性和學(xué)科難度。

針對自然科學(xué)教學(xué)中長期存在的教學(xué)效率低、學(xué)業(yè)成績低、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等問題，有研究表明導(dǎo)致理科學(xué)習(xí)困難的最重要因素是缺乏生活實踐和學(xué)習(xí)方法。[1]佩里（William Perry）等人對課堂自然科學(xué)學(xué)習(xí)進行的一項開拓性研究表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)困難除了缺乏學(xué)習(xí)動機、方法和能力，大多是狹隘的知識觀造成的：多年來，學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)已經(jīng)整理成知識體系的內(nèi)容并熟記，由此產(chǎn)生了學(xué)習(xí)便是增加我們知識體系中的一些事實材料和解決問題的幾套現(xiàn)成公式而己的錯覺，并相應(yīng)形成了以記憶事實為目的的學(xué)習(xí)策略。[2]這大大迎合了我國傳統(tǒng)的教授-苦學(xué)教學(xué)模式，從而導(dǎo)致了自然科學(xué)理論知識孤立與機械化，如饑似渴的學(xué)習(xí)著理論知識的學(xué)子們，漸漸弱化乃至失去了從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)并總結(jié)規(guī)律的能力;學(xué)科知識成為了教學(xué)的唯一結(jié)果，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升、學(xué)習(xí)信心的增強、學(xué)習(xí)潛能的開發(fā)、自主學(xué)習(xí)能力的形成，這些促進學(xué)生健康成長關(guān)鍵因素嚴(yán)重缺位。[3]這直接動搖了學(xué)生處理與自身關(guān)系的自信基礎(chǔ)，撕裂了學(xué)生處理與自然關(guān)系的紐帶，阻礙了學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展。

誠然，自然是自然科學(xué)的天然內(nèi)涵，自然模型是自然現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的形式體現(xiàn)，那么自然科學(xué)知識的學(xué)習(xí)生涯必然應(yīng)是在思維中建立自然模型的過程，即自然建模。這是自然建模在自然科學(xué)教育與學(xué)習(xí)中的天然優(yōu)勢，且其更具趣味性和指向性，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機;其更具有普遍性和聯(lián)系性，給學(xué)生提供了更多樣性的選擇和思考空間;其本身既是教學(xué)方法又是學(xué)習(xí)方法，有助于學(xué)生凝練學(xué)習(xí)方法和能力，并提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效果;同時，自然模型的聯(lián)系性多表現(xiàn)在自然學(xué)科之間的聯(lián)系性，從而打破了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)上的孤立性和機械化。

一、查理定律/蓋-呂薩克定律的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

十八世紀(jì)末，法國造紙商孟格菲兄弟發(fā)明了熱氣球載人技術(shù)，其在歐洲掀起了氣球載人的飛天浪潮。八十年代，法國物理學(xué)家查理，在完成氫氣球載人升空試驗后，開始著手研究氣體膨脹性質(zhì)。他通過實驗證實：壓力一定時，氣體體積的改變和溫度的改變成正比。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，對于一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)體積不變的時候，溫度每升高l℃，壓力就增加它在0℃時候壓力的1/273，這就是查理定律的由來。同時查理還用它作根據(jù)，推算出氣體在恒定壓力下的膨脹速率是個常數(shù)。二十年后，法國物理學(xué)家、化學(xué)家蓋·呂薩克通過實驗證實了查理有關(guān)膨脹速率的猜想，并精確地計算出氣體膨脹系數(shù)的數(shù)值是0.00375或1/266.6，現(xiàn)代理想值為1/273.15，這便是蓋·呂薩克定律（或稱查理-蓋·呂薩克定律）的由來。半個世紀(jì)后，英國科學(xué)家開爾文，在此基礎(chǔ)上建立了熱力學(xué)溫標(biāo);這簡化了定律公式，得到了我們今天看到的公式形式，即查理定律：一定質(zhì)量的氣體，體積不變時，壓強與熱力學(xué)溫度成正比P/T=C，蓋-呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，壓強不變時，體積跟熱力學(xué)溫度成正比V/T=C。

二、我國對相關(guān)氣體規(guī)律的研究和應(yīng)用

對比之下，我國的熱氣升空技術(shù)則要早得多，最早可追溯到公元前2世紀(jì)。據(jù)《淮南萬畢術(shù)》記載：漢代淮南王劉安在研究熱氣升空技術(shù)時，將雞蛋去汁，以艾燃燒取熱氣，使蛋殼浮升。公元2-3世紀(jì)，天燈的發(fā)明，標(biāo)志著我國熱氣升空技術(shù)的成熟，并被運用到軍事領(lǐng)域，這就是我們所熟知的孔明燈。[4]另一方面，我國利用空氣膨脹規(guī)律的“拔火罐”技術(shù)更加大大提前，最早可追溯到先秦時期。[5]首先罐中空氣（質(zhì)量一定，大氣壓不變）受熱（溫度升高）膨脹，體積增大（蓋-呂薩克定律），隨后空氣（質(zhì)量一定）罐口封閉在患處（體積不變），溫度降低后形成負(fù)壓（壓強降低）（查理定律）。

三、自然建模定性與定量的分析比較

那么，為何近代自然科學(xué)在西方屢屢突破，而歷史更悠久，自然經(jīng)驗更加豐富的東方卻頻頻碰壁呢？原因恰恰就在豐富的自然經(jīng)驗上！東方注重的實用主義，往往將自然建模的過程偏向于定性，且在實際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快，這是中國古代社會可以引領(lǐng)世界潮流發(fā)展近千年的根本。我們欠缺的正是自然建模從定性到定量的引導(dǎo)和意識。而今天我們的自然科學(xué)教育在某種程度上正走上這條歧路，只不過從注重自然經(jīng)驗，轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅刂R經(jīng)驗。隨著自然科學(xué)知識的深入發(fā)展，理論體系化系統(tǒng)化的學(xué)科壁壘越加高深，這又衍生出了自然科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)的孤立性和機械化問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動機、方法與能力的缺失，造成了全球性的自然學(xué)科教育與學(xué)習(xí)的窘境。

歷史實踐證明，科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和證明離不開實驗，科學(xué)理論尤其是自然學(xué)科的教育與學(xué)習(xí)離不開實驗教學(xué)，自然建模作為一種更自然生動、更簡單易行、更物美價廉的科學(xué)實驗設(shè)計方案，尤其是在科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計方面，具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此，我們說要在教學(xué)上引入自然模型，一方面，教師應(yīng)該具有引導(dǎo)學(xué)生建立自然模型的能力，另一方面，學(xué)生在建立自然模型的過程中，掌握自然建模的方法，理解科學(xué)理論知識與自然規(guī)律的關(guān)系。同時，一方面，在低年級段或科普教育階段，偏向于采用定性的自然建模理念，用趣味性吸引學(xué)生，用實際應(yīng)用降低學(xué)生對知識的領(lǐng)悟難度，引導(dǎo)學(xué)生建立自然建模思想。另一方面，在高年級段或科研教育階段，偏重于于采用定量的自然建模理念，引導(dǎo)學(xué)生在已經(jīng)建立的定性自然建模思想上，進一步完善發(fā)展自然建模理念，培養(yǎng)科學(xué)探究精神和發(fā)展核心素養(yǎng)。

注：Email：zlzhu@tjnu.edu.cn

參考文獻：

[1]王晶瑩.高中理科學(xué)習(xí)困難的量化研究——基于三?。ㄊ校┑膯柧碚{(diào)查[J]. 江蘇教育研究， 2014，（28）： 34-37.

[2]宋秋前.國外改進理科課堂學(xué)習(xí)的若干研究[J]. 外國教育資料， 1996，（06）： 30-35.

[3]方展畫，弓靜. “教”與”學(xué)”： 學(xué)校教育的博弈與回歸[J].教育研究， 2018， 39（10）： 93-97.

[4]劉延柱.從孔明燈到熱氣球[J]. 力學(xué)與實踐， 2010， 32（03）： 133-134.

[5]呂雙雙.拔罐療法的歷史源流探究[D]. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)， 2015.