將科學素質培養目標貫穿于教學過程的體會*

房毅 章登宏 陳建華

(華東理工大學物理系 上海 200237)

藤琴①

(上海第二工業大學物理系 上海 200041)

物理學家龐加萊曾說過：“物理學是通過一系列事實、公式和法則建立起來的，就像房子是用磚砌成的一樣．但是，如果把一系列事實、公式和法則看成物理學，那就猶如把一堆磚看成房子一樣．物理學比組成它的事實、公式和法則要深刻得多．”龐加萊的這席話告訴我們：物理學不僅以其概念、原理、規律和理論的知識揭示了自然界基本運動形式的諸多真理，還以在建立這種知識體系的過程中所凝練和升華出的科學思想、方法來推動科學的持續進步．

科學發展史表明，每一科學上的新發現都不同程度地留下科學家攀登科學巔峰的足跡，為后繼者躍上新的高峰提供了寶貴的教益和啟迪．把科學過程作為大學物理課程的一個維度，可以使受教育者從前輩科學家那里得到科學思維方法的滋養．這些精神層面的東西是一個當代大學生應具有的內在素質，甚至是一個民族、一個國家的興衰所系．

基于此，教育部課程指導委員會對非物理類理工學科大學物理課程教學提出了《基本要求》．其中，明確了課程的地位、作用和任務，對能力、素質培養做出了明確的規定．為了實現這一基本目標，倡導在大學物理課程教學過程中，應以培養學生的知識、能力、素質協調發展為目標，認真貫徹以學生為主體、教師為主導的教育理念；遵循學生的認知規律，注重理論聯系實際，激發學習興趣，引導自主學習，鼓勵個性發展；加強教學方法和手段的研究與改革，努力營造一個有利于培養學生科學素養和創新意識的教學環境．

1 精心設計教學過程——科學史料是創新源動力

培根說過：“讀史使人明智！”課堂上穿插介紹物理學史是可行的，更是必要的．這種介紹不只是簡單地講解，而是應圍繞科學素質的培養展開．

以大學物理學中狹義相對論課堂教學為例.如果只是按“常規”教學告訴學生，愛因斯坦由“追光思想實驗”發現麥克斯韋方程組與伽利略變換之間發生矛盾，于是就提出“以太”是不必要的.再由愛因斯坦的兩個基本假設得到慣性系間時、空坐標的洛倫茲變換，由此變換求解一系列相關的問題．顯然，這樣的教學過程設計與實施距離《基本要求》是遠遠不夠的.

在物理學的發展史上，“以太”一直是物理學家心中的痛．不僅電磁學需要借助于“以太”調和麥克斯韋方程組與伽利略變換之間的矛盾，就連力學、光學也同樣呼喚“以太”．為了尋找它，有不少物理學家甚至為此“奮斗”終身．為什么呢？因為，誰也不敢想象沒有“以太”的經典物理學會是什么樣子．說到底，誰也不敢拋棄以太，誰也不敢創新．因此，誰也不可能成為愛因斯坦[1，2]！愛因斯坦的創新之路是傳奇的．他提出狹義相對論(廣義相對論也是如此)完全源于他對物理學理性美追求的沖動．他無法容忍同一種電磁現象用兩種不對稱的方法去解釋．他堅持物理學理論一定遵循“內部完備、結構簡潔、和諧對稱”的科學思想[3].他繼承了伽利略的相對性原理，并創新性地提出了光速不變原理，將相對與絕對的統一發揮到了極致．他的創新之路充滿荊棘.他不被理解，甚至遭到恐嚇.但他堅持自己的理論，直至一次次被科學事實所證實．圍繞科學素質的培養，在教學過程穿插這些已整合過的珍貴史料介紹狹義相對論，引發同學對科學美學的體驗，對科學精神的追求，對科學方法的神往，奮發向上、積極創新，這不正是實現培養具有良好科學素質的學生之目標所期待的嗎！

2 著重強調過程方法——科學方法是核心競爭力

愛因斯坦曾說過：“教育給予人們無非是當一切已學過的東西都遺忘掉時所剩下的東西”．這種剩下的東西究竟是什么？筆者認為，從長遠講就是科學方法、科學思想和科學精神．其中的科學方法是受教育者走上社會的核心競爭力．

玻爾獲得諾貝爾物理學獎的原因在于他“研究原子結構,特別是研究從原子發出的輻射所作出的貢獻”，其實，請不要被獲獎緣由所迷惑(正如愛因斯坦獲獎的原因在于他“在理論物理學上的研究，特別是發現光電效應的定律”，而不是因為創立了相對論、受激輻射理論等所做的貢獻)．事實上，玻爾的原子結構模型并不正確，是在不得已的情況下進行的一種假設，它沒有抓住原子現象的基本特征，除氫原子外并不適用．但他的一系列理論其深刻意義：在于為經典物理通向量子力學架設了一道不可或缺的橋梁．除了將這一點告訴學生以外，更重要的是要讓學生知道，這座橋梁的結構.玻爾創新性提出對應原理與互補原理．對應原理的科學色彩較為濃厚，而互補原理則不然．與其說互補原理是一條原理，倒不如說它是一種哲學，它甚至可以指導我們的生活和人生．玻爾指出：任何概念的確定與應用,都是對客體不同層次、側面的部分正確的反映與概括, 因而都存在一定的適用范圍和不完備性,只有通過互補方法才能達到完美無缺．玻爾并沒有對互補原理作出定義式的說明, 想必他更希望人們自己得出互補性的結論,而不是由他本人給出定義強加給人們．以玻爾的互補方法來認識其互補原理, 這才是應采取的科學態度和遵循的方法論原則[4]．這就是科學方法，它對于提升我們的核心競爭力至關重要．

近代物理中充滿了科學方法論，經典物理中也不例外，只是需要我們善于挖掘，需要教師潛心致力于科學方法論的教學．

筆者曾為物理系一位同學的“熱學”課程答疑，面對他的質疑引發我的思考而設計的課堂討論場景至今記憶深刻．這位同學課后問這樣一個“簡單”的問題：“一個內、外徑分別為r，R的鐵環，一個半徑為r的銅球恰好不能通過鐵環，現加熱鐵環，再放入銅球，試問此時銅球能否通過鐵環？”我脫口而出，“鐵環受熱膨脹，銅球當然可以通過鐵環”．這位學生仿佛有備而來：“鐵環膨脹，R增大，r減小才對呀！銅球怎么會通過鐵環呢．”筆者很驚訝，他講得似乎也有道理．但問題究竟出在哪呢？我告訴他，容我思考，下次上課回答這個問題．在返回市區的校車上，我仍在思考這個問題，盤點解決問題的科學方法：從實驗方法到理性方法，從美學方法到哲學方法……豁然開朗．

第二次上課，就這個問題筆者與全班同學展開了討論．筆者首先設問：“鐵環膨脹，R增大，r減小.銅球不會通過鐵環考慮的是什么方向上的熱脹冷縮？”同學們異口同聲回答：“徑向”．“僅僅考慮徑向是否全面？”筆者接著問．思考片刻，有同學說：“圓周方向也應考慮熱脹冷縮”.“這樣的話，內外徑均會增大．”有同學補充道．“鐵環的徑向膨脹真的會使R增大，r減小嗎？”筆者接著問同學：“什么條件下棒受熱會向兩端膨脹”．“兩端可自由伸展的棒”同學們答道．“圓環的徑向可否自由伸展？”筆者緊追不舍．同學們恍然大悟……原來圓環的內圓周長度變長直接限制了徑向受熱向兩端膨脹，即徑向膨脹只能沿徑向向外.

圖1

如圖1(a)所示，A，B均遠離O點，且最終效應為AB只沿A向著B方向膨脹．最后，筆者趁熱打

鐵，要求同學們總結解決這一問題的科學方法．同學們幾乎不約而同地說：將圓環分解成若干個寬度無限小的同心圓，如圖1(b)所示；將圓環沿徑向分解成若干根圓心角無限小的細棒，如圖1(a)所示.分別考慮圓、細棒各自的熱脹冷縮，再考慮圓環整體的熱脹冷縮體現出的是分析綜合法．筆者進一步提示：“僅考慮徑向膨脹或僅考慮圓周方向的膨脹是否完整？認識是否準確？”同學答：“只有將圓周方向的熱脹冷縮與沿徑向熱脹冷縮這兩方面綜合考慮才能對圓環熱脹冷縮的本質做出完整的描述.”筆者追問：“這體現出一種什么思想？”“原來是玻爾的互補原理啊……”同學們恍然大悟.

這一貌似不是問題的問題在教師的一步步提示和引導下，學生積極主動參與課堂教學過程，最終尋求得到正確的解答，更重要的是他們同時經歷了一次科學方法陶冶的過程．

3 結束語

課堂教學是神圣的，教師應珍惜每一次站在講臺上的機會，在傳授內容和知識的過程中，不斷地探討怎樣更多地承載其他東西，努力把握以知識為載體傳遞思想、方法[5]．在《基本要求》的指導下始終堅持將科學素質視為教學目標的重中之重．只要教師視人才素質培養為己任，為自己所選擇的教育事業傾心付出，就一定會在訓練大學生的科學心智歷程中獨樹一幟．

參考文獻

1 何圣靜.物理定律的形成與發展.北京：測繪出版社，1988.349

2 戴念祖.愛因斯坦在中國及其創建狹義相對論的歷史背景．物理，2005(7)：476～479

3 袁運開,王順義.世界科技英才錄(科學思想卷).上海：上海科技教育出版社，1998.196～202

4 陳建中.怎樣科學地認識玻爾的互補原理.山西師大學報(社會科學版),1998(4):1～4

5 盧德馨.研究性教學20年.北京：清華大學出版社，2008.43～44