科學精神：物理課程教育的核心

張碧霞

摘 要：發展學生的科學精神素養是物理課程教育的核心。本文闡述物理課程中蘊含的科學精神品質及其培養。

關鍵詞：科學精神；批判質疑；理性思維；勇于探究

《中國學生發展核心素養》是教育部委托北京師范大學聯合國內高校近百位專家且歷經三年共同研究的課題，現已敲定“人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新”為學生發展的六大素養，這是新一輪課程改革的風向標 [1 ]。誠然，發展學生這六大素養是各級各類學校教育的共同目標，然而由于各學科內容特點不同，不同的學科應具有不同的側重點。物理是科學家前赴后繼且經歷艱難曲折的科學探索過程而建立的科學課程，其中蘊含著科學發展史方面的人文底蘊、科學探究中的科學精神、科學活動層面的實踐創新這三大核心素養的教育資源。然而究其實質，其中科學精神是其精髓。科學精神，主要包含批判質疑、理性思維、勇于探究這三種精神品質。實踐創新源于批判質疑且勇于探究的行為，科學發展離不開崇尚真理和理性思維。可見，發展學生的科學精神素養是物理課程教育的核心。本文就物理課程中蘊含的科學精神品質及其培養，談談個人的粗淺認識。

1 批判質疑：物理科學發展的起步

批判質疑，指具有問題意識，能獨立思考與判斷，能多角度、辯證地分析問題 [1 ]。它表現為對真理的質疑，意味著對權威的挑戰。物理科學的誕生與發展正是源于物理學家批判質疑的科學精神。

如對“光的本性”認識，人們經歷了漫長的“否定再否定”的批判與質疑過程。最初是牛頓的“微粒說”：光是以微粒的形式從光源飛出，在真空或均勻物質內由于慣性而作勻速直線運動。它能成功地解釋光的反射和折射，然而卻無法解釋“牛頓環”這種衍射現象。荷蘭物理學家惠更斯反對“微粒說”并提出“波動說”：光是在“以太”這種特殊物質中傳播的波。他不僅能解釋光的反射和折射，而且還能成功地解釋光的干涉、衍射、偏振等現象，然而又無法解釋“光電效應”現象。由于無法驗證“以太”物質的存在，同時依據法拉第觀察到“光的振動面在磁場中發生旋轉”、麥克斯韋關于光速等于電磁波速的論證以及赫茲實驗的問世，物理學家又提出了“光波是一種電磁波”的“電磁說”。依據“光電效應”現象，普朗克提出了“量子說”：各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，計算光子能量的公式為E=hν。如何把光這種“微粒性”與“波動性”統一起來，法國物理學家德布羅意提出了“物質波”，并給出既能體現“微粒性”又能體現“波動性”的公式λ=h/p。即頻率大的光子更具有“微粒性”，波長大的光子更體現為“波動性”。從光現象的發生過程而言，少數光子多體現為“微粒性”，大量光子則體現為“波動性”。至此，關于“光的本性”爭論才得以告終 [2 ]。

物理課教學中培養學生的批判質疑品質，主要是培養學生的質疑意識。質疑，這里指學生在課程學習中能主動地發現問題并提出問題。首先是注意引導學生從教材中質疑。由于知識的局限性，學生對教材中的某些內容往往存在一定的困惑，或知其然不知其所以然。如 “質點”概念，教材給出了一副地球繞太陽公轉的示意圖，其中地球為什么能繞太陽運動、為什么是橢圓運動、為什么太陽不在橢圓中心…等等，這些問題都是剛學習高中物理學生的疑問。然而在實際的閱讀學習中，由于受“質點” 這個主題概念的暗示，學生們往往不去思考示意圖中隱含的問題，這也正是學生能否發現問題的洞察力欠缺之處。從科學探究的角度來說，這就是科學洞察力的問題。可見教學中必須加強質疑訓練。其次是注重引導學生從生活實踐中質疑。人類生活的確是一種“萬花筒”，其中蘊含著豐富的知識與方法奧秘。如“測量嬰兒體溫的紅外線體溫計或智能體溫計其測溫原理是什么”、“鐵路彎道為什么是外軌要設計高些”、“為什么‘香蕉球能繞過‘人墻作弧線運動”…等等，這些生活實踐的問題，都是值得學生質疑的問題。

學習中提不出問題，意味著學習者沒有進入角色，科學上提不出問題，意味著科學的止步。教學中引導學生質疑，正是為學生未來從事科學探究活動樹立批判質疑意識。

2 理性思維：物理科學發展的基石

理性思維，指注重理解和掌握基本的科學原理和方法的意識；尊重事實與嚴謹的求知態度；能運用科學的思維方式認識事物和分析與解決問題的行動等 [1 ]。物理是以事實為基礎、以實驗為基本形式、以科學思維為主要方法、以數學為主要工具的理性思維課程。可見，理性思維是物理科學發展的基石。

理性思維，首先是體現人們對事物認識的本質性，既透過表面現象來究其本質性原因。如關于“力和運動”的關系，古希臘學者亞里士多德認為：“有力作用，物體才運動，停止用力，運動的物體將會變為靜止。”物理科學之父伽利略對亞里士多德的這種觀點，指出運動的物體會變為靜止的原因是受到阻力作用，并且通過“斜面實驗”來說明“運動的物體若不受力作用會永遠地運動下去”的力學現象，同時以“力是改變物體運動狀態原因”的論斷來揭示“力和運動”的本質關系。其次，理性思維是體現人們對事物認識的深刻性。對于伽利略的觀點，法國學者笛卡爾通過對“斜面實驗”的深入分析而發現：運動的物體若不受力作用會沿直線永遠運動下去，其中“直線”二字就是認識的深刻性。然而物理學家牛頓對伽利略的“斜面實驗”和笛卡爾的觀點進行更深入的考察與分析，從而提出了著名的“牛頓第一定律”，同時從物體“慣性”的這種本質屬性來揭示“力和運動”關系的本質內涵，這種思維何等的深刻。應該說，教材中所有物理概念的形成或物理規律的建立，無一不體現著物理科學的理性思維。

理性思維必須以充分或全面感知為前提，而且是通過分析與歸納、抽象與概括的思維形式來認識事物的本質特征。在物理教學中以發展學生的理性思維，具體做法是促進學生的表象感知、比較分析與和歸納類化。

“加速度”是高中物理課程中一個很重要的概念，也是一個認知難點，而且經歷較長階段的逐步深化過程。引導學生準確且較深刻地理解其表達式a=，則是發展學生理性思維的有效教學。表象感知，就是指教學中提供形式多樣且內容豐富的加速運動案例，如飛機起飛、火車進站、子彈從槍膛射出等無往返特點的直線運動；又如豎直上拋、彈簧振子等具有往返特點的直線運動；讓學生初步感知加速運動的各種運動形式。比較分析，就是引導學生對上述各類運動，比較分析其速度的變化：如果是無往返特點的直線運動，怎樣計算（vt-v0）；如果是具有往返特點的直線運動，又怎樣計算（vt-v0）；如果速度是均勻變化，（vt-v0）/t的值具有怎樣的特征；如果速度是非均勻變化，（vt-v0）/t的值又具有怎樣的特征。歸納類化，就是引導學生在比較分析的基礎上構建平均加速度與瞬時加速度的概念，同時分類歸納計算各類加速度的矢量運算方法。這樣的教學，既可以促進學生分析與解決問題思維的全面性與深刻性，又可以促進學生對“加速度”概念有著本質性的認識，這就是發展學生理性思維的有效教學。

3 勇于探究：物理科學發展的活力

勇于探究，指具有強烈的好奇心和進取心，并具有不畏困難且堅持不懈的意志力，能大膽嘗試，積極尋求有效的問題解決方法等心理與行為品質 [1 ]。

勇于探究是科學精神的核心內涵，更是物理科學發展的活力。英國法拉第是世界著名自學成才的科學家，他在物理與化學科學方面的重大貢獻完全源于他勇于探究的科學精神。1820年，奧斯特發現了電流的磁效應，引發了原本研究化學的法拉第的極大熱情，并開始轉向電磁學的研究。他企圖從靜止的磁力對導線或線圈的作用而產生電流，做了大量的實驗，但都是失敗。法拉第毫不氣餒，經過近10年的不斷實驗，終于發現了“電磁感應定律”，接著又發明了圓盤發電機，在電的發明及應用方面，他對人類做出了巨大的貢獻。自十六世紀至十九世紀的近三百年來，正是由于伽利略、牛頓、帕斯卡、法拉第、歐姆等諸多物理學家的勇于探究，不僅給物理科學的發展注入了極大的活力，而且推動了社會生產力的徹底變革并促進了人類文明的極大進步。

物理教學培養學生勇于探究的科學精神，重點是引導學生開展探究性學習。具體的探究性學習引導主要體現為以下三方面。

（1）促進概念認知的探究性學習。如“彈力”概念教學，教師先提供諸如“橡皮筋下掛重物”、“氣球上放木塊”、“手壓竹片一端彎曲”等生活現象并演示“手壓桌面而產生微小形變”實驗，然后讓學生分析“彈力產生的條件”、“彈力的方向”、“決定彈力大小的因素”等問題，最后引導學生用自己的話來表述“彈力”概念。這樣的學習，既可以促進學生對概念認知的深刻化，又可以發展學生分析與歸納、抽象與概括的理性思維。

（2）引導科學探究的探究性學習。新教材的突出特點就是把隸屬于定理或定律的課程知識都設計為“科學探究”課題，為引導學生開展探究性學習提供了良好的平臺。為發展學生勇于探究的意識與行為，教學中除了放手讓學生開展自主式或合作式探究活動外，教師還應對探究內容進行適當地調整。如《科學探究：一種勻變速直線運動》，教材給出的問題是“僅在重力作用下的運動”，如果改為“探索滑塊沿斜面下滑的運動”，那么不僅能很好地誘發學生的活力思維，而且有益于促進學生勇于探究的行為。

（3）延伸拓展問題的探究性學習。挖掘課題潛在性內涵的擴展性學習是高中物理學習的重要方面，如依據勻變速運動的兩個基本公式來導出Δs=a·Δt2，從而認識到“勻變速運動的特征是在相等的時間里位移的變化相等”，這既是擴展性學習，也是課題內容延伸拓展問題的探究性學習。在高中物理學習中，這樣的延伸拓展問題比比皆是，它既是引導學生開展課外探究性學習的良好資源，又是提升課程學習效益的重要方面。

科學精神是學生未來從事科學探究活動的核心素養。其中的批判質疑品質表現為人們對科學探究的自覺意識，勇于探究表現為人們對科學探究的努力追求，而理性思維則表現為人們對科學探究而持有的態度與方法。

應該說，愛因斯坦的“成功=少說廢話+艱苦勞動+正確方法”公式就是對科學精神的通俗詮釋。

參考文獻：

[1]京城教育圈. 中國學生發展六大核心素養敲定[EB/OL]. http：//edu.sina.com.cn/zl/edu/2016-09-18/11143922.shtml.

[2]沙振舜，鐘偉.簡明物理學史[M].南京：南京大學出版社，2015：284-286.