科學(xué)素養(yǎng)教育在大學(xué)理科教學(xué)中的實(shí)踐

郭 惠 周詩文 庾名槐

(海南大學(xué)材料與化工學(xué)院, 海南 海口 570228)

·大學(xué)物理園地·

科學(xué)素養(yǎng)教育在大學(xué)理科教學(xué)中的實(shí)踐

郭 惠 周詩文 庾名槐

(海南大學(xué)材料與化工學(xué)院, 海南 海口 570228)

中學(xué)階段把新一輪物理課程改革的總目標(biāo)定為“培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”．因此,對(duì)于剛從中學(xué)考入大學(xué)的新生而言,大學(xué)公共基礎(chǔ)課的教學(xué)要乘勢(shì)追擊,要以進(jìn)一步提高大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)展開教學(xué)．大學(xué)物理是所有理科的基礎(chǔ)學(xué)科的特點(diǎn)決定了它身兼科學(xué)素養(yǎng)教育的重任．本文通過靜磁場(chǎng)教學(xué)實(shí)例來討論如何實(shí)施科學(xué)素養(yǎng)教育目標(biāo)．

翻轉(zhuǎn)課堂；靜磁場(chǎng)；物理學(xué)史；科學(xué)素養(yǎng)

1 引言

如今,豐富的在線學(xué)習(xí)資源,例如慕課資源等,使得學(xué)習(xí)變得更加方便易學(xué)．但從多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看來,無論教學(xué)資源的豐富與否,許多學(xué)生談物理色變,使得物理學(xué)習(xí)變得了無生趣和被動(dòng)．物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的科學(xué),所揭示的是大自然的奧秘,與我們的生活實(shí)踐、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān),是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)．如果教學(xué)中多和學(xué)生談?wù)勎锢砜茖W(xué)的研究過程,不是一味地搬運(yùn)知識(shí),而加強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)的培育,或能激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣．充分利用課下資源進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂,先課前導(dǎo)學(xué),后回到課堂把抽象的物理知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合,與生活實(shí)際結(jié)合,使之變成生動(dòng)活潑的生活現(xiàn)實(shí),從而使學(xué)生有效地掌握所學(xué)的知識(shí),使得知識(shí)真正實(shí)現(xiàn)內(nèi)化．

科學(xué)素養(yǎng)是一個(gè)很難確切說明的概念,具有非常深刻而豐富的內(nèi)涵．英文中,科學(xué)素養(yǎng)是(scientific literacy),它指的是一種長(zhǎng)期積淀下來的習(xí)慣、素養(yǎng),是一種獲得以及解決實(shí)際問題的具體知識(shí)和辦法．[1]百度百科上給出國(guó)際上對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的普遍定義,將科學(xué)素養(yǎng)概括為3個(gè)組成部分,即對(duì)于科學(xué)知識(shí)達(dá)到基本的了解程度;對(duì)科學(xué)的研究過程和方法達(dá)到基本的了解程度;對(duì)于科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響達(dá)到基本的了解程度．目前各國(guó)在測(cè)度本國(guó)公眾科學(xué)素養(yǎng)時(shí)普遍采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)．只有在上述3個(gè)方面都達(dá)到要求者才算是具備基本科學(xué)素養(yǎng)的公眾．

對(duì)于大學(xué)生而言達(dá)到基本科學(xué)素養(yǎng)只是基本要求,更應(yīng)該提高科學(xué)素養(yǎng)．大學(xué)物理是大學(xué)理工科類的一門基礎(chǔ)課程,通過課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生熟悉自然界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互作用及其運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,為后繼專業(yè)基礎(chǔ)與專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及進(jìn)一步獲取有關(guān)知識(shí)奠定必要的物理基礎(chǔ)．因此,大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)對(duì)于提高科學(xué)素養(yǎng)水平具有突出重要的作用．本文以靜磁場(chǎng)一章為例按照科學(xué)素養(yǎng)的普遍定義來討論科學(xué)素養(yǎng)教育目標(biāo)實(shí)施方案．

2 靜磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)課堂中的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)

2.1 從物理學(xué)史話說物理知識(shí),在知識(shí)傳授中滲透批判質(zhì)疑的科學(xué)精神與人文教育

通常學(xué)生讀教材時(shí)很容易走入一個(gè)誤區(qū),認(rèn)為教材里所說的都是正確的,很少有質(zhì)疑的學(xué)生,有的學(xué)生從沒有去想教材中是否有誤.對(duì)于青年學(xué)生而言,如有敢于發(fā)出的質(zhì)疑聲音,應(yīng)該被保護(hù)和鼓勵(lì)起來．在授課中,除了正確的知識(shí),可以講歷史上的錯(cuò)誤的科學(xué)認(rèn)識(shí),讓學(xué)生去感受人類認(rèn)識(shí)的實(shí)質(zhì)是螺旋發(fā)展的過程．

在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)知識(shí)的過程中,“場(chǎng)”概念的形成是困難的．一般教科書里采用的講述方式和歷史上研究發(fā)現(xiàn)的順序不一樣,實(shí)際上,電場(chǎng)和磁場(chǎng),這些概念是后來人們逐步認(rèn)識(shí)的．

例如，我們首先講磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度．在奧斯特的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,磁針由于電流偏轉(zhuǎn)說明電流與磁石一樣它是磁源,它可以產(chǎn)生磁場(chǎng),或者我們可以說電流在其周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng),因?yàn)殡娏鲗?shí)際是定向運(yùn)動(dòng)的電荷,我們也可以推測(cè)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng),那么磁場(chǎng)到底有什么性質(zhì)呢?

那么，這個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)是要講磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度,作為讀者學(xué)完上述內(nèi)容后將作何感慨呢?即便是一個(gè)剛學(xué)物理的新人而言,這樣的物理故事聽起來是很輕松的．而這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以在慕課模式下的微視頻中講授,讓學(xué)生先行學(xué)完,在翻轉(zhuǎn)課堂上,[3]我們可以通過以下問題設(shè)問,如請(qǐng)幾個(gè)學(xué)生說說奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的故事.磁感應(yīng)強(qiáng)度為什么不能像電場(chǎng)強(qiáng)度一樣直接叫磁場(chǎng)強(qiáng)度呢?從中使得學(xué)生加深理解磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的內(nèi)涵,也能正確理解磁場(chǎng)強(qiáng)度概念．

人類探索和逐步認(rèn)識(shí)物理世界的現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)、特性、規(guī)律和本質(zhì)的歷程中它們也存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),也不是一步就走向真理的彼岸．那么,學(xué)生們的學(xué)習(xí),又何嘗不是這樣的呢,在知識(shí)獲得途中,要不怕出錯(cuò)．對(duì)于教師在課堂的教學(xué)中要能和學(xué)生去分享這個(gè)感受,以便達(dá)到科學(xué)素養(yǎng)教育目標(biāo)．

2.2 用物理學(xué)家的科學(xué)思維幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的過程,進(jìn)而掌握科學(xué)方法

教學(xué)中的難點(diǎn), 常常是科學(xué)發(fā)展史上難以攻克的科學(xué)難題;教學(xué)中的重點(diǎn), 也正是科學(xué)發(fā)展史上關(guān)鍵性的突破和物理學(xué)大師們偉大貢獻(xiàn)的精華所在．它包含了認(rèn)識(shí)論和方法論的因素, 包含著深刻的物理思想和觀念的變革, 包含著探索者的思索．

例如,關(guān)于畢薩拉定律及其應(yīng)用的教學(xué)．畢薩拉定律其實(shí)是畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律．畢奧-薩伐爾做實(shí)驗(yàn)的思路其實(shí)是和庫侖的想法是一樣的．因?yàn)閵W斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng),他們就想假如要知道小的電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)的話,通過疊加原理就可以知道整段的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng).這個(gè)電流元是個(gè)矢量,其實(shí)就是電流上取的一小段,這是一個(gè)有方向的小段線段,它的大小等于通以的電流乘以這個(gè)線段長(zhǎng)度，方向?yàn)殡娏鞯姆较?那么，它在某一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)該是怎樣的呢?假設(shè)這個(gè)電流元到這個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的矢徑是r,他們做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是沿著這個(gè)矢徑的方向,而是垂直于電流元和矢徑構(gòu)成的這個(gè)平面,畢奧-薩伐爾做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律．可是他們沒辦法用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來,因?yàn)檫@個(gè)規(guī)律比起庫侖定律來說,還是稍微復(fù)雜的,由于拉普拉斯數(shù)學(xué)非常好,他幫助他們寫出了數(shù)學(xué)表達(dá)式．[2]

畢薩拉定律是靜磁場(chǎng)教學(xué)的重點(diǎn),通過該定律可以求解穩(wěn)恒電流激發(fā)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱問題,然而,學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不明白電流元是什么.把該內(nèi)容做成微課視頻后,通過講述物理學(xué)家研究該定律的過程的科學(xué)思維活動(dòng),學(xué)生們不僅能掌握科學(xué)知識(shí),而且還能感受到科學(xué)研究過程中重要的類比方法．

再如,關(guān)于靜磁場(chǎng)高斯定理的教學(xué)．經(jīng)過邏輯推理后得到的磁場(chǎng)高斯定理揭示了磁場(chǎng)的基本性質(zhì),靜磁場(chǎng)是個(gè)無源場(chǎng)．當(dāng)然，這樣講述就完成了科學(xué)知識(shí)的講授,可是課程卻乏味無趣．于是就類比電荷提出了磁荷即磁單極子的概念．假如有磁荷,磁場(chǎng)的高斯定理右邊也不應(yīng)該是0,應(yīng)該也有磁荷這一項(xiàng)．在1931年,狄拉克通過量子力學(xué)原理和電磁規(guī)范性質(zhì)預(yù)言了磁單極子的存在．狄拉克還發(fā)現(xiàn)磁荷和電荷的乘積是普朗克常量的整數(shù)倍．[2]他就用這個(gè)式子來解釋,為什么電荷是量子化的,但是計(jì)算的磁荷質(zhì)量比較大,它一般不可能在加速器中產(chǎn)生,所以科學(xué)家們就期待在宇宙射線中興許可以發(fā)現(xiàn)磁單極子．他們用超導(dǎo)線圈放在某個(gè)地方“守株待兔”,等磁單極子穿過這個(gè)超導(dǎo)線圈,磁單極子穿過超導(dǎo)線圈的時(shí)候,預(yù)計(jì)有電流躍變的信號(hào),這個(gè)是可以計(jì)算出來的,曾經(jīng)有斯坦福的幾位物理學(xué)家激動(dòng)過一次,他們聲稱探測(cè)過電流躍變的信號(hào),但后來再也沒有探測(cè)到過,別人也沒有探測(cè)到過.所以到目前為止,認(rèn)為實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)磁單極子．這樣講授，不會(huì)使得學(xué)生感到課程枯燥無趣,自然可以推動(dòng)有效學(xué)習(xí)．這個(gè)學(xué)習(xí)過程讓學(xué)生明白揭示自然規(guī)律的重要方法,提出理論,實(shí)驗(yàn)證實(shí)．可見, 深入挖掘物理定律的認(rèn)識(shí)史是提高大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一種重要載體．

2.3 應(yīng)用物理理論技術(shù)引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)素養(yǎng)的自我教育及其提高過程

在大學(xué)基礎(chǔ)物理教學(xué)中將抽象難懂的物理知識(shí)與理論在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用,呈現(xiàn)在學(xué)生面前,十分有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,進(jìn)而可引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí),從而使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)素養(yǎng)的自我提高和教育過程．

例如,關(guān)于霍爾效應(yīng)的教學(xué)．霍爾效應(yīng)在1879年被物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn),它定義了磁場(chǎng)和霍爾電壓之間的關(guān)系．這里要求學(xué)生在微課視頻中學(xué)習(xí)原理,然后設(shè)計(jì)一些問題,在課堂上討論最終讓學(xué)生獲得知識(shí)．像霍爾效應(yīng)的研究進(jìn)展怎樣?實(shí)驗(yàn)條件是什么?學(xué)生通過討論勢(shì)必能拓展知識(shí)．

霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)約100年后,德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青等在研究極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng),這是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)令人驚異的進(jìn)展之一.為此,馮·克利青獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．之后,美籍華裔物理學(xué)家崔琦和美國(guó)物理學(xué)家勞克林、施特默在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),這個(gè)發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更進(jìn)了一步,他們?yōu)榇双@得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．這樣的討論不僅使學(xué)生了解了霍爾效應(yīng),而且也知道了量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)．

緊接著追問霍爾效應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)有哪些?例如，測(cè)量半導(dǎo)體載流子種類;測(cè)量半導(dǎo)體載流子濃度;測(cè)磁場(chǎng)等．特別是隨著納米技術(shù)的發(fā)展,把霍爾元件做得越來越小,小到可以放在原子顯微鏡的針尖上,與AFM結(jié)合后,就可以得到樣品表面局部的磁場(chǎng)分布．要認(rèn)識(shí)這些先進(jìn)的技術(shù),學(xué)生必須進(jìn)行自我教育,從而有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性.

3 結(jié)語

綜上所述,本文從科學(xué)認(rèn)識(shí)本身的特點(diǎn)出發(fā),探討利用翻轉(zhuǎn)教學(xué)的模式來滲透科學(xué)素養(yǎng)的教育.筆者建議，不僅在大學(xué)物理教學(xué)中需要研究、實(shí)施科學(xué)素養(yǎng)的教育目標(biāo),其他的理工科類的教學(xué)中也應(yīng)該融入生動(dòng)的史例、問題的探究和應(yīng)用的拓展.這樣，教學(xué)不僅能完成好科學(xué)知識(shí)的教學(xué),而且也使得學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)一步得到提高．大學(xué)理科基礎(chǔ)教育不應(yīng)成為應(yīng)試的教育,應(yīng)該鼓勵(lì)理工科大學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新思維,使他們?cè)谒刭|(zhì)、能力和知識(shí)諸方面都得到發(fā)展．

1 葉禹卿.科學(xué)新課程與科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)[M].北京： 中國(guó)紡織出版社,2002： 81.

2 趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)(第3版)[M].北京:高等教育出版社, 2011.

3 曾明星,蔡國(guó)民,覃遵躍等.基于翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)模式及實(shí)施路徑[J]. 高等農(nóng)業(yè)教育，2015(1): 76.

本文系海南省教育教學(xué)規(guī)劃課題“大學(xué)物理案例教學(xué)探究”(課題編號(hào)： QJY1251516)； 海南省教育教學(xué)規(guī)劃課題“基于物理文化的教育功能研究與實(shí)踐”(課題編號(hào)： QJY125011)研究成果.

2017-01-11)