在物理教學中滲透科學本質觀

楊蓉 彭朝陽

培養具有科學素養的公民是科學教育的教育目標,而科學本質又是科學素養的重要組成部分。在我國,義務教育階段的物理課程培養目標在《全日制義務教育物理課程標準(實驗稿)》中定位為:“提高全體學生的科學素質”。此外,為了實現學生的終身發展,《普通高中物理課程標準(實驗稿)》提出“要進一步提高學生的科學素養”。因此,培養并提高學生科學本質觀就成為科學教育的重要目標之一和培養學生科學素養的核心成分之一。因此,在物理課堂教學設計中體現并滲透科學本質,通過課堂教學,有意識地培養和發展學生的科學本質觀就顯得尤為重要。

1科學本質觀的內涵

科學本質觀即對科學本質的認識。對科學本質的界定眾多,每個界定之間都有區別,但許多研究者通過對科學發展的歷史和科學研究的對象、過程、方法、科學研究的成果等方面的考察,認為科學本質主要包括“科學知識的本質”,“科學探究的本質”和“科學事業的本質”三個維度。其各維度的特征如下。

1.1 科學知識的本質

(1)客觀性。科學是對客觀世界認識性的解釋。(2)暫定性。科學知識并非絕對真理,會隨新證據的出現而發生改變。(3)可檢驗性。科學的正確性決定于觀察和實驗的檢驗。(4)繼承性與創造性。科學是人類在已有理論基礎上通過合理的推理、想象和創造的。

1.2 科學探究的本質

(1)多樣性。科學探究的過程及方法不是按部就班的,對同一問題可能有不同的解決方法。(2)理論滲透。研究者本身的理論滲透于科學探究的過程中。(3)可重復性。(4)觀察和推論。科學知識是建立在觀察和推論基礎之上的。觀察是通過人的感官或這些感官的擴展收集的,推論是對這些觀察的解釋。(5)想象與推理。

1.3 科學事業的本質

(1)道德性。科學研究中有普遍接受的道德規范。(2)科學家研究風格。科學家的社會文化背景會影響其研究風格。(3)科學與技術。科學研究的是“是什么”的問題,技術研究的是“怎么做”的問題,科學的進步推動技術的發展,兩者不等同,會相互作用。

2“科學的轉折:光的粒子性”一節中體現的科學本質觀

本節內容中體現了當代科學本質的九個方面:即科學知識的暫定性、客觀性、可驗證性、繼承性與創新性;科學探究的可重復性,理論滲透,想象與推理;科學與技術,科學家研究風格和科學研究的道德性。

3“科學的轉折:光的粒子性”一節教學目標的構建

教學目標對整個教學行為和教學認識活動的設計具有導向作用。已有研究表明,科學本質理解是一種認知性學習結果。因此,將科學本質理解作為顯性教學目標是進行科學本質教學的前提[1]。

本節的課的教學目標可確定為以下幾個方面。

3.1 知識與技能

(1)通過實驗觀察,了解是光電效應。(2)了解光電效應的實驗規律。(3)知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。(4)了解康普頓效應,了解光子的動量。(5)知道光子的模型的建立過程及對康普頓效應的解釋作用。

3.2 過程與方法

對光電子模型的產生方式進行探究、反思和評價其合理性。讓學生領略自然界的奇妙與和諧,發展學生對科學的好奇心與求知欲。

3.3 情感態度與價值觀

體會假說與模型建立在構建立科學論知識中的作用。讓學生體驗探索自然規律的艱辛與喜悅,從而提升學生的科學本質觀。

4教學過程設計

已有研究表明,在教學活動中通過顯性和反思性活動能讓學生更近一步的理解科學的本質。故教師在教學中應恰到好處地不斷地重現合符科學本質觀的語言,使學生漸漸建立科學本質觀。例如:教師的教學語言中應該經常含有“觀察”、“推論”、“猜測”、“可能是”、“支持”、“提出”等詞語。在顯性活動中,注意區別觀察和推論,注重知識的產生方式。在反思性活動中,要讓學生清晰回顧知識學習的過程,對知識的產生方式進行反思,綜合評價知識的合理性,使學生對于科學理論的本質有一定的認識[4]。

4.1 引入新課

光的干涉、衍射現象及麥克斯韋的理論都確定了光的電磁波本質。然而,正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候,又發現了用波動說無法解釋的新現象——光電效應現象。這一現象及其相關問題的研究,使得人們對光的又一本質性認識得到了發展,這充分說明了科學理論具有暫定性,只要證據充分,原有的理論將會被修正推翻。

4.2 新課教學

4.2.1 光電效應規律的探究過程

資料(1):1887年,赫茲在研究電磁波的實驗中偶爾發現,接收電路的間隙如果收到光照,就更容易發生電火花,這是最早發現的光電效應。

資料(2):1902年,德國物理學家勒納德通過實驗找到了光電效應的兩條實驗規律:①存在一個照射光的最長波長,只有短于這個波長的光的照射,才能將電子從金屬表面打出來;②光的強度只決定打出電子的數目,與打出電子的能量無關。這兩條實驗規律無論用經典的微粒說還是波動說都無法解釋。

資料(3):英國物理學家J.J湯姆孫也做了光電效應的研究,相繼證實了照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出。

[顯性語言]從光電效應的首次發現直至被許多科學家關注并證實的這一過程充分體現了科學探究的過程的可重復性。但如果只在某一個科學家的實驗室里發現了某個現象,那這個探究稱不上是科學的探究過程[3]。

4.2.2 探究光電效應的實驗規律

[方式]結合試驗,通過科學探究方式,讓學生體驗科學探究過程,進而讓學生初步理解科學探究的本質。

[內容]光電效應的實驗規律講解。

[討論]為什么經典理論無法解釋光電效應的實驗規律?

[顯性語言]在發現光電效應后,光的電磁理論只能部分地解釋光電效應。而接受了普朗克能量子假說的愛因斯坦卻是從光的粒子性角度來思考光電效應現象,并提出了愛因斯坦光電效應方程,使光電效應中與實驗的矛盾迎刃而解。這說明科學家具有的理論背景將在很大程度上影響研究者研究問題的視角和方式。對同一個自然現象,不同的科學家可能會有不同的觀察結果,科學探究的過程滲透著理論。

4.2.3 愛因斯坦光電效應方程的建構

資料(4):1900年,普朗克提出能量子假說。

資料(5):1905年,愛因斯坦提出光量子假說,建立光量子理論。

[顯性語言]愛因斯坦的“光子假說”是在繼承了前人普朗克的“能量子假說”,的基礎上進行而提出的,這充分說明了科學知識本質的繼承性和創新性。

[內容]光量子假設的內容及愛因斯坦光電效應方程的知識講解。

[顯性語言]愛因斯坦利用光量子理論解釋了光的粒子性,是建立在赫茲、勒納德、湯姆孫等人實驗研究的基礎上的,這也體現出科學知識的客觀性。

資料(6):從1907年起,美國物理學家密立根,花了十年時間做了“光電效應”實驗,結果在1915年證實了愛因斯坦光電效應方程,h的值與理論值完全一致,又一次證明了“光量子”理論的正確。

[顯性語言]愛因斯坦提出光電效應的解釋時,實驗測量尚不精確,加上這種觀點與以往的觀點大相徑庭,因此并未立即得到承認。直到密立根通過實驗才證明了愛因斯坦對光電效應的解釋是合理的,這正體現了科學知識是可以被檢驗的。而愛因斯坦由于發現了光電效應的規律獲得1921年的諾貝爾物理學獎,也說明了科學知識需要接受科學大眾的檢驗。

資料(7):1923年,康普頓做X射線通過物質散射的實驗,發現散射線中除有與入射線波長相同的射線外,還有比入射線波長更長的射線,其波長的改變量與散射角有關,而與入射線波長和散射物質都無關。

[內容]康普頓效應及光子動量的知識講解。

[顯性語言]普朗克的能量子和愛因斯坦的光子并沒有被肉眼實際觀測到,這些假說的提出完全依賴于這些杰出科學家的想象和對觀察到的現象的推理。科學探究并非一定是按提出問題、分析數據等步驟進行,科學家的思維具有跳躍性,想象和推理在科學探究的過程中起了很大的作用。但科學的想象和推理需建立在客觀事實的基礎上。

4.3 討論與反思性評價

(1)為什么愛因斯坦對光電效應的解釋和康普頓對康普頓效應的解釋能為大多數人所接受?

(2)愛因斯坦對光電效應的解釋和康普頓對康普頓效應的解釋是不是就是完美無缺的呢？

(3)分析光電效應和康普頓效應對光具有粒子性的解釋過程,你受到什么啟示?

4.4 作業設計

對于學生科學本質理解的評價性作業可以從以下三個方面來進行:(1)評價學生對于科學內容的理解;(2)評價學生對科學知識產生方式的理解;(3)評價學生對于科學知識合理性的理解[1]。按照教學目標,可以設計以下作業。

(1)描述光電效應規律及愛因斯坦光電效應方程;(2)描述康普頓效應和光子的動量;(3)你能觀察到普朗克的能量子和愛因斯坦的光子嗎？你相信存在能量子和光子嗎？請說明理由;(4)你認為光子模型的建立合理嗎?請你給出觀點;(5)光電效應和康普頓效應對光具有粒子性的解釋合理嗎？請你給出觀點。

4.5 課外知識補充

(1)介紹太陽能電池、光電管、光控繼電器的制作原理。讓學生體會科學與技術的區別及相互關系;(2)介紹愛因斯坦、密立根及康普頓的相關生活背景,讓學生了解他們的科學研究風格。

5結語

基于科學本質理解的教學不僅有助于學生對科學本質的理解,還有助于學生理解科學內容,培養學生的批判精神和創造性思維。為了能在教學中滲透科學本質,提升學生的科學本質觀,教師在進行教學設計時可以采用多種教學方法和教學策略,但一堂課中不需要,也不應該涉及科學本質的所有方面,而應該選取最適合這堂課內容的相關方面進行重點引導和闡釋。

參考文獻

[1] 梁永平.促進學生科學本質理解的教學設計[J].中學化學教與學,2009(1).

[2] 劉健智.論中學生科學本質觀的內涵[J].物理教學探討,2006(5).

[3] 查贊瓊,錢長炎.新課程高中物理科學本質觀教育目標探析[J].中學物理教與學,2011(5).

[4] 張穎之,劉恩山.科學本質教育的課堂教學方法初探[J].課程、教材、教法,2007,10,27(10).