科學本質(zhì)觀教育的“歷史案例討論反思教學模式”研究①

馬俊杰　仲扣莊

(1. 江蘇省丹陽高級中學，江蘇　丹陽　212300)

2. 南京師范大學物理科學與技術(shù)學院，江蘇　南京　210046)

科學本質(zhì)觀教育的“歷史案例討論反思教學模式”研究①

馬俊杰1，2仲扣莊2

(1. 江蘇省丹陽高級中學，江蘇丹陽212300)

2. 南京師范大學物理科學與技術(shù)學院，江蘇南京210046)

仲扣莊(1962—)，男，江蘇鹽城人，博士，南京師范大學物理科學與技術(shù)學院教授，碩士生導師，主要研究物理課程與教學論.

摘要：科學素養(yǎng)是當今世界各國基礎教育階段科學教育的中心概念，也是我國新一輪課程改革中理科課程的主旨目標.而作為科學素養(yǎng)重要組成的科學本質(zhì)觀的研究剛剛興起，筆者就如何進行科學本質(zhì)觀教育作了一些嘗試，希望能為科學教育提供啟示.

關(guān)鍵詞：科學本質(zhì)觀教育；物理學史；教學模式；教學實踐

1問題的提出

2004年開始的新一輪課程改革正在改變我們一些傳統(tǒng)的做法，科學課程要解決科學是什么？即科學的本質(zhì)觀問題.而我們所關(guān)心的是如何有效實施科學本質(zhì)觀教育？

物理學史是物理學家的探究過程，這一過程所充滿的艱巨性和創(chuàng)造性、洋溢的科學精神、滲透的科學的思想和方法，是我們在物理教學中的重要資源；在教學過程中運用物理學史，使學生認識到教學過程中充滿曲折和樂趣，以提高學生科學探究所需要的能力和增進對科學探究的理解,領(lǐng)悟到科學的本質(zhì)特征.

如何開展科學本質(zhì)觀教育？國內(nèi)外有很多介紹，筆者認為必須要立足于我們平時的教學，離開現(xiàn)有的教學就是空談.必須立足于課程標準、教材，在此基礎上進行拓展.

理解科學的本質(zhì)應該是一種認知性學習結(jié)果，應該顯性地進行，而不是期望“在科學活動中通過一種滲透過程被同化”.所以有學者倡導通過顯性和反思性方法，發(fā)展學生對科學本質(zhì)的理解，認為促進學生科學本質(zhì)觀的目標應該有計劃地進行教學，而不是預期作為科學教學方法的副產(chǎn)物或第二種產(chǎn)物.“反思性”是與教學要素相關(guān)的，涉及到為學生提供認識論層面的分析活動機會.簡要來說，顯性和反思性方法強調(diào)學生應意識到一些與他們參與的科學活動有關(guān)的科學本質(zhì)觀，強調(diào)學生在包含這些科學本質(zhì)觀方面的框架下的反思活動.研究表明，顯性和反思性方法是促進學生科學本質(zhì)理解的較為有效的方法.

依據(jù)以上結(jié)論，筆者提出了“歷史案例討論反思”的教學模式.

2模式的提出及其實踐

2.1模式的提出

歷史案例討論反思模式是指選擇物理學史上具有重大意義的歷史案例，展示科學家的探究過程，引導學生討論思考后，使學生在反思物理學家之間、自己和物理學家之間的思考方式中獲得對科學本質(zhì)認識的一種教學模式，其教學流程如圖1.

圖1

(1) 創(chuàng)設情景，提出問題.教師開始上課時利用演示實驗或生活情景引入課題，當然也可以是物理學史上一個故事情景引入，由此產(chǎn)生一個需要解決的問題.

(2) 由教師或?qū)W生展示物理學史上對這一典型問題的探究過程.

(3) 師生一起討論科學家這樣探究的目的、過程、及科學家在其中的作用.并反思科學家與科學家之間、自己的認識與科學家的認識之間的不同點、優(yōu)缺點.

(4) 總結(jié)科學本質(zhì)觀內(nèi)容.在此基礎上教師引導學生明確相關(guān)的科學本質(zhì)觀內(nèi)容.

在我國目前內(nèi)容與課時矛盾比較突出的情況下，反思學生自己的認識活動可能是一種較為可行的方案.筆者認為，參照當代科學本質(zhì)觀的幾個重要方面，可以引導學生從以下幾個方面進行反思：科學認識的對象是客觀的，認識主體具有主觀性，科學認識過程是一個什么樣的過程？認識主體與客體的作用關(guān)系是什么？認識結(jié)果是客體的“拷貝”嗎？在科學認識的過程中，認識主體的經(jīng)驗和文化背景對于科學認識有影響嗎？科學認識的基本過程是什么？科學認識需要以實驗事實為基礎，我們得到的認識都是觀察到的嗎？在觀察和推論兩種認識水平之間有什么區(qū)別？在科學認識的結(jié)果中，科學定律和科學理論的產(chǎn)生方式有什么不同？在科學認識中有沒有想象性和創(chuàng)造性成分？對于一個科學認識，我們相信它的理由是什么？科學家發(fā)展了一個科學理論后，它還會改變嗎？總之，學生只有對科學認識活動進行反思，才有可能認識到科學認識活動中的“建構(gòu)性”特點.

其中學生的討論活動可以穿插在某個環(huán)節(jié)中，也可在整個探究活動結(jié)束后進行反思、討論和交流.教師的引導主要體現(xiàn)在引導學生關(guān)注科學本質(zhì)方面的問題，并引導學生建構(gòu)合理的認識論觀點.

2.2“劃時代的發(fā)現(xiàn)”的教學實踐

例如人教版3-2電磁感應的第一節(jié)“劃時代的發(fā)現(xiàn)”的教學，利用物理學史上典型案例進行教學，引導學生通過參與其中體會物理學家思維活動的過程，并讓學生進行評價和反思，通過這一過程挖掘其中蘊含的科學本質(zhì)問題.

2.2.1教學目標

(1) 知道與電流磁效應和電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)相關(guān)的物理學史實.

(2) 知道電磁感應、感應電流的定義.

(3) 從電磁感應產(chǎn)生使學生認識到只有暫態(tài)過程中才會有電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生.

(4) 通過對電磁感應—劃時代的發(fā)現(xiàn)進行學習反思，使學生對科學研究的過程、證據(jù)的重要性、科學研究主觀和客觀性、社會性等有正確認識.

2.2.2教學設計

(1) 創(chuàng)設情景，引出問題

介紹當今電氣化時代，人們離不開電.電能的應用涉及到人類社會的各個角度.提出問題：電能生磁嗎？你如何來證明？磁能生電嗎？你如何來證明？

(2) 展示物理學史案例

德國哲學家謝林認為宇宙間具有普遍的自然力的統(tǒng)一.謝林的思想對奧斯特具有深刻的影響，導致奧斯特去研究電和磁之間的聯(lián)系.

1807年奧斯特宣稱正在研究電和磁的關(guān)系.因為富蘭克林曾在1751年證明，用萊頓瓶中的電可以使磁針磁化或退磁，萊頓瓶只能供給瞬間電流，所以沒能繼續(xù)研究下去.伏打電堆的發(fā)明，為連續(xù)電流提供了電源，奧斯特才能對電磁聯(lián)系的問題繼續(xù)研究下去.

1820年4月的一天，奧斯特在去哥本哈根大學講課的路上，產(chǎn)生了一個念頭：如果靜電對磁石毫無影響，那么若用一根導線把伏打電池的兩極聯(lián)系起來，讓電荷在其中運動，這樣會發(fā)生什么現(xiàn)象？他帶著這些問題走進了教室.奧斯特把自己帶去的伏打電堆放在講臺上，然后用一根白金絲把電堆的兩極連起來，并將一枚小磁針放在它附近.這時，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了：磁針本該指南北的，現(xiàn)在卻轉(zhuǎn)動了，并在垂直于導線的方向停下來.聽眾無動于衷，而演示者卻激動萬分.課后他繼續(xù)留在教室里，核對了他剛剛發(fā)現(xiàn)的這個不尋常的現(xiàn)象，從而翻開了電磁學暫新的一頁.

教師在向?qū)W生介紹以上史實后，并演示奧斯特實驗.

教師展示第二個史實：1831年，法拉第在一個軟鐵圓環(huán)上繞上兩個彼此絕緣的線圈.原來設想，通以強電流的線圈A將成為一個電磁鐵，產(chǎn)生強大的張力，這張力將通過鐵環(huán)中的粒子傳遞到另一側(cè)，作用于線圈B使其中產(chǎn)生出電流.實驗未觀察到預期效果，這一設想仍然是想由一根通電導線的磁場作用在另一根導線中產(chǎn)生出電流.

1831年一次偶然的實驗，他觀察到了放在線圈下方的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，他立刻意識到這是尋找了近十年的磁產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，但是他還沒領(lǐng)悟到暫態(tài)性的本質(zhì).他立即想是否還有其它辦法產(chǎn)生這種現(xiàn)象；特別是線圈和鐵環(huán)是不是產(chǎn)生這一效應的必要條件.他很快找到了答案，只要具有暫態(tài)即可.

教師演示實驗：在同一鐵芯上有兩個線圈不相連，一個通過開關(guān)與電源連接，另一個與電流計連接.

法拉第之所以取得這一成就，是同他關(guān)于各種自然力的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的思想密切相關(guān)的.法拉第深受戴維思想的影響，而戴維很熟悉康德關(guān)于力的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的學說.正是這種對于自然界各現(xiàn)象普遍聯(lián)系的堅強信念，支持著法拉第始終不渝地為從實驗上證實磁向電的轉(zhuǎn)化探索不已.

教師演示第二個實驗：串有電流計的閉合線圈靠近一段鐵芯，分別拿磁鐵靠近鐵芯的兩端.

(3) 討論與反思

在電與磁的認識過程中，奧斯特的經(jīng)驗和文化背景對于科學認識有影響嗎？科學認識需要以實驗事實為基礎，在奧斯特實驗過程中，臺下學生的認識都是觀察到的嗎？觀察與推理有區(qū)別嗎？從萊頓瓶到伏打電堆的發(fā)明對電流的磁效應的發(fā)現(xiàn)有作用嗎？法拉第為什么堅信磁能生電？我們相信電磁感應的理由是什么？為什么法拉第前一個實驗失敗了，說明什么？科學不能完全做到絕對客觀.是不是后一個實驗就說明法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律了？

(4) 從科學本質(zhì)觀方面總結(jié)

實踐性：堅實的證據(jù)是科學探究的關(guān)鍵，科學的正確性遲早要通過對現(xiàn)象的觀察和實驗來判定.

科學研究的創(chuàng)造性：科學探究不僅涉及邏輯推理和實驗活動，同時還是一個充滿創(chuàng)造性思維的過程.

科學研究不能做到絕對客觀：科學研究會受到科學家自身背景和研究期待等因素影響，無法做到絕對客觀.

社會和文化的影響：科學家的哲學信念或指導思想對科學研究的重要作用.

2.3模式的教學效果

筆者選擇江蘇地區(qū)一所四星級高中的兩個班進行前測，了解高中生科學本質(zhì)觀的的現(xiàn)狀.在對其中一個班實施科學本質(zhì)觀教學后再進行后測，以評估顯性科學本質(zhì)教學的效果，其前后測各項得分如表1.

表1

從表1可以看出：后測分數(shù)各項均比前測有不同程度提高，其中“主客觀性”后測比前測增加1.9070分，“社會文化的影響”后測比前測增加了2.4884分，“觀察推理”后測比前測增加1.5116分，“科學定律和科學理論”后測比前測增加4.2791分，“科學研究方法的多樣性”后測比前測增加2.4651分，后測總分比前測總分增加11.4419分.特別是“主客觀性”、“社會文化的影響”、“研究方法的多樣性”、“科學理論與科學定律”這幾方面提高較多.

進一步可以看出實驗班級的學生在經(jīng)過科學本質(zhì)顯性課程的實驗教學后，量表總分由174.3256分增加到185.7674分，經(jīng)過配對樣本T檢驗，存在顯著性差異(P<0.05).“主客觀性”分量表上得分增加1.9070分，經(jīng)過相關(guān)樣本T檢驗，存在顯著性差異(P<0.05)；科學定理與科學理論的后測得分比前測得分增加4.2791分，經(jīng)過相關(guān)樣本T檢驗，存在顯著性差異；社會文化的影響后測比前測加2.4884分，但未呈現(xiàn)顯著差別.由此可見科學顯性教學模式使高中生在“主客觀性”、“科學定理與科學理論”兩方面能獲得較顯著提高.

同時在經(jīng)過一段時間的學習后，出現(xiàn)了一些變化，H同學對科學理論和主客性的看法的變化有一定的代表性：“科學理論”是被創(chuàng)造出來的，由一個人對某一方面知識加以自己的理解來反映科學的某一屬性.M同學對科學研究是否會受到社會和文化的影響也有了新的看法：科學家處于社會之中，或多或少會受到當時社會文化的影響，社會和文化可能起到推進作用也可能起到阻礙作用.比如亞里士多德和伽利略的理論都是時代的產(chǎn)物，有其局限性，但不失為那個時代的先進理論.

可以看出，通過顯性教學，同學們科學本質(zhì)觀提高有一定的作用，許多同學在前測很少有文字表達，但在后測卻有不少文字表達，說明他們的科學本質(zhì)觀有一定轉(zhuǎn)變，了解到一些這方面的知識.他們也弄清了一些科學本質(zhì)方面的概念，開始思考一些科學本質(zhì)的內(nèi)涵了.

3教學模式實施過程應注意的問題

(1) 限于時間要把握好“度”

在高中物理教學中，是否每節(jié)課都進行顯性教學模式教學？還是有的課采用HPS探究教學？有的課采用討論反思式教學？有的課采用傳統(tǒng)式教學？還是在一節(jié)課上又有傳統(tǒng)式又有探究式？這就涉及到如何把握這個“度”.實際上，不同的教學方式都有其自己的優(yōu)點與不足，所以教學應包括多種形式，只有靈活采用多種不同的教學方式，才能優(yōu)勢互補，有助于學生的學習，有利于學生的發(fā)展，有助于課堂教學效率的提高.所以這個“度”要視具體情況而定，而且要看學生原有的基礎知識與技能水平，要看學生的認知水平和能力，要看教師對學生的了解程度，要看教師的教學藝術(shù)，要看學生與教師的配合程度等.

(2) 教學中教師應注意教學語言的適當運用

為幫助學生形成現(xiàn)代的科學本質(zhì)觀，教師應在教學中適當使用“產(chǎn)生式話語、反思性話語”和“認識論話語”.教師在涉及科學定律與科學理論時要注意：研究科學定律時用“從大量的事實可以歸納出……”這一類話語；研究科學理論時用“我們提出……理論能夠很好地解釋這些事實，這種理論的合理性可以通過證實其預測的情況來間接找到支持性依據(jù).”

在涉及觀察與推論時，經(jīng)常用到“我們觀察到什么”和“我們能夠推論出什么”.同時應設計一些反思性話語，應該根據(jù)教學主題的特點適是當問一些諸如“為什么要引入這個概念、如何知道……是正確的”這樣的認識論問題.用這樣的問題引導教學，會讓教學內(nèi)容具有認識論的意義，從而形成對科學本質(zhì)的正確理解.

(3) 要選擇好歷史案例

鑒于當前的課時限制，不是每一節(jié)內(nèi)容都可以采用此類探究，但可以選擇一些歷史上的典型案例或在物理學發(fā)展過程中十分重要的案例來進行探究.如：自由落體運動、電磁感應現(xiàn)象、能量守恒定律、光的本性等，在這些案例中一般都蘊涵著十分豐富的科學本質(zhì)觀教育內(nèi)容.借助于典型案例，既省時又達到了科學本質(zhì)觀教育的目的.

參考文獻：

[1] 梁永平.促進學生科學本質(zhì)理解的教學設計[J].化學教學，2008,(9).

[2] 梁永平.理科教師科學本質(zhì)教學話語的重建[J].教育理論與實踐，2005,(7).

作者簡介：①馬俊杰(1973—)，男，江蘇丹陽人，教育碩士，中學高級教師，江蘇省丹陽高級中學副校長，主要研究中學物理教學.