體現科學本質的物理探究教學
——以“理想氣體的狀態方程”為例

陳新華 劉霽華

(1. 常州市第一中學,江蘇 常州 213003 2. 常州市教育科學研究院,江蘇 常州 213000)

1 問題的提出

2017版普通高中物理課程標準在基本理念部分提出“注重體現物理學科本質,培養學生物理核心素養”,[1]明確了通過體現科學本質來培養學生物理核心素養的方式．對于如何在教學過程中體現科學本質及物理學的學科本質,教學中往往會存在這樣的誤區:總認為經過科學探究的過程,學生就能潛移默化地理解科學本質和物理學科本質．實踐表明,對科學本質的認識和內化是一個非常困難的過程,僅靠潛移默化效果微乎其微．要能達到課程標準對于科學本質的教學要求,教師需要重新思考和審視已有的教學,在教學過程中把對科學本質的理解和思考顯性化．

2 對科學本質的認識

科學本質,是指科學本身所固有的、決定科學性質、面貌和發展的根本屬性,[2]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等3個維度的內容．科學本質回答了科學是什么的問題,主要說明了科學知識是如何產生、發展及在新的條件下失去合理性,說明科學不僅是靜態的知識和結論,也是動態的、具有自我更新功能的科學認識活動,包含暫時性、創造性、觀察和推理、主觀性、理論和定律的作用及二者的關系、社會嵌入和文化嵌入性、基于實證等7個方面．[3]

科學是知識,更是一種方法,科學探究的過程比科學的結論更有用．因為科學結論是暫時的、個體的,只有科學方法是可以遷移的,放之四海而皆有用的．所以,在教學中顯性化體現科學本質,是培養學生科學思維和科學探究能力、形成科學態度與責任的基礎．目前來講,對科學本質顯性化的教學,主要有兩種途徑,一種以科學探究的教學來促進學生對科學本質的理解,另一種以科學史、哲學史等內容融入教學來增進學生對科學本質的理解．[4]

本文以人教版高中物理選修3-3第8章第3節“理想氣體的狀態方程”一課為例,嘗試在探究教學過程中顯性化體現科學本質、培養學生的核心素養．

3 體現科學本質的物理教學案例

片段1:情境引發思考,提出科學的問題.

情境1:癟掉的乒乓球(圖1),如何很便捷地修復?(用熱水捂或電吹風吹)

圖1

情境2:熱的空玻璃杯倒置插入冷水中(圖2),液面很快上升,似乎水杯能“吸水”．是玻璃杯很特別嗎?還是什么原因?

圖2

思考1:看似不同的情境,有時會蘊藏著相同的規律．上面兩個情境中,引起乒乓球復原或液面上升的直接原因是什么?(密封氣體壓強的變化)

思考2:密封氣體的狀態參量都發生了怎樣的變化?初末態之間是否會存在某些定量關系?

思考3:這個過程是等溫、等壓、等容過程嗎?用氣體實驗定律能直接解決嗎?(看似簡單的過程,因為3個量同時變化,已有認知結構不能解決,形成思維沖突,引發學生的思考)

提出科學的問題:我們能研究什么問題?(密閉氣體3個狀態參量都發生變化時,是否存在一定的規律?如果有,遵循怎樣的定量規律?)

點評:科學的問題大多數都是源于生活情境,不同的情境表象,有時候可能會遵循同樣的規律．面對現象,我們可能提出很多的問題,常見的包括“是什么”、“為什么”、“怎么樣”,有些是現象的描述,有些是規律的描述,還有些是本質的探索和模型建構．什么是科學的問題呢?科學問題應該是能聚焦于普遍的自然規律,用來理解和解釋自然世界,可以通過觀察、實驗、推理等的方法多角度驗證,從而得出結論．

小結:提出問題有時候比解決問題更為重要,教學中創設恰當的情境,引發學生思維的沖突,引導學生去提出科學的問題.在此過程中既能培養學生發現問題的能力,還能培養學生的創造力．點評過程就是顯性化地讓學生理解怎樣的問題才算是“科學的問題”,引起學生對科學本質的思考．

片段2:探究科學規律,體驗科學知識的發展性.

圖3

探究1:如何在p-V圖上表示出3個狀態參量?(加等溫線)如何建立兩個狀態之間的聯系?(找路徑)可能有哪些路徑?(如圖3,①、②、③、④等)選取哪些路徑比較方便推理?(3個量都在變化,可以用控制變量法,只讓兩個量變化,就能納入原有知識體系,用原有知識解決新問題)

質疑1:通過一條特殊路徑得到的兩個狀態之間的定量關系,是否就能說明這個結論符合所有情況?我們算是得到確切的結論了嗎?(不能,還需要再找些過程來驗證)

圖4

質疑2:6個過程都得到了相同的結論,就能說明任意路徑一定滿足這個規律了嗎?(不能,只能說明這些路徑滿足這一規律,但是這些路徑都是特殊路徑,一般路徑是否符合,還需要進步證明．)那是否說明我們的推導沒有意義?(不是,能說明一些規律,只是有可能還不完善．)

點評:從有限路徑歸納得出結論叫不完全歸納法．不完全歸納的過程體現了人類對于客觀世界認識從特殊到一般、逐步加深的過程．科學研究有一條原則,“非同尋常的主張需要非同尋常的舉證”．理論推導得到的結論,還需要經受事實的不斷拷問和驗證,有些被證實了,有些被證偽了．我們的這個結論能經受得了拷問嗎?我們還能如何去驗證它?(通過實驗數據)

小結:尋找路徑的過程,是通過構造性的嘗試去摸索、尋找科學規律的過程,讓學生從中體驗規律探究的創造性．不完全歸納的過程,既體現了人們對客觀世界認識過程中的抽象概括性,也反映出了科學的主觀性和不完善性．通過特殊路徑兩次得到結論,教師兩次質疑,引發了學生對結論適用條件的思考,也是在這樣的過程,讓學生體會到 “猜測和假說”的科學本質．

片段3:設計探究實驗,體驗科學的實證性.

制定實驗方案:我們想通過實驗解決什么問題?要測量哪些量?需要哪些器材?可能有哪些困難?(要找一個不是特殊路徑的一般變化的過程,3個狀態參量都發生變化,看看是不是滿足剛才的結論．需要測定3個狀態參量在不同狀態的值．可以用傳感器測定．可能的困難:漏氣,狀態不穩定,讀數不準確等,最好能實現多次測量)

圖5

研究實驗裝置:如圖5,一定質量的氣體密封在導熱性和氣密性都非常好的氣缸中．溫度傳感器和壓強傳感器內置于氣缸,具體數值可通過軟件直接讀出．旋動活塞連桿,可上下移動活塞以改變體積,體積的具體數值可從體積標度桿直接讀出．同時改變3個狀態參量,就可通過實驗來驗證理論推導的結論．

表1

點評:實驗舉證的過程體現了科學實證性的本質．理論推導和實驗驗證是科學規律確認過程中相互依存、缺一不可的兩個方面．判斷一個結論是否科學有兩個依據: “簡潔性”和“可預測性”．我們得到的這個規律符合簡潔性嗎?能預測實驗結果嗎?說明了什么?(規律既簡潔,又能較好地預測實驗結果,實驗證實了規律的可靠性．)

小結:為了適應高中生的認知水平,本部分內容不管是理論推導還是實驗論證都是通過有限次過程得出的實驗結論,從本質上來講都是不完全歸納．本節課讓學生設計實驗后,借助于傳感器幫助學生實現了定量實驗,不僅讓學生真切地體驗到實驗對理論結論的驗證,更是引導學生去發現理論推導對實驗結果的預測作用．在此基礎上,顯性化介紹結論是否科學的判斷依據和方法,讓學生在科學探究的一般過程中,體驗科學判斷的方法和科學實證性的本質．

片段4:討論實驗條件,體驗科學的自完善性.

進一步質疑:特殊路徑和不完全歸納法得到的結論,被實驗證實了,是不是就能說明這個結論適用于所有情況了呢?(質疑引發學生的進一步思考)

數據分析:科技的發展使實驗條件的范圍擴大了很多,表2是科學家們研究一定質量的He氣體,在溫度為0 ℃時,體積隨壓強變化的實驗數據．

表2

思考:從表中數據,你發現了什么問題?可能是什么原因?能得到什么結論?

點評:科學結論的準確性是受限于當時的認識水平的,一般都只是一段時間內或一定范圍內的準確．但科學發展同時也具有自我糾正和更新完善的能力,實驗條件的擴大,促使人們對氣體實驗定律適用范圍展開思考,也促使人們對理想氣體這個微觀模型所對應的宏觀條件有了更完善的認識:壓強不太大、溫度不太低．

小結:這部分內容在人教版教材中是放在本節內容的開始,通過實驗數據說明氣體實驗定律的適用條件,并初步提出理想氣體模型．筆者把這個內容調整了順序,體現出物理學發展過程中測量技術發展對實驗的重大貢獻,突出了人們對客觀世界的認識是一個逐步深入和遞進的過程,而科學本身也具有不斷地自我完善的機制．

4 體現科學本質教學的策略與展望

科學是一種觀念,體現了人們看待世界的眼光．科學不僅是系統化的知識體系,也是一種不斷發展和自我矯正的探究過程．[5]目前所公認最“科學”的科學觀是:“科學是一種假說”,體會到這一點,學生就能不迷信于權威,敢于嘗試和探索,敢于對已有的結論提出質疑,敢于用創造性的方法去面對和解決問題．

教學過程中體現科學本質,是涉及所有科學學科教學的系統性工程．從物理教學來講,要有整體意識,從學期計劃、到單元計劃、到章節計劃,有計劃、步驟、有重點地在教學過程中體現科學本質．目前比較可行的一個策略是:研究物理學和物理學史,設計體現科學本質的教學;在探究過程中,任務驅動,讓學生體驗科學本質;教師點評與引導,使學生對科學本質的理解顯性化．科學探究主要包括提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行試驗與收集數據、分析與論證、評估交流與合作等7個環節,在解決問題的探究過程中,學生對科學研究的一般方法及科學的假設性、實證性、驗證與預測性等本質都會有深刻的體驗,教師如再能精心設計探究過程,進行恰當引導和點評,必能體現科學本質．本文的教學設計案例就是體現了這一策略．

教學過程中顯性化體現科學本質,培養學生的核心素養,也不可能一蹴而就．一方面,依賴于教師本身的科學素養和對科學本質的理解及實施水平,需要教師不斷地學習和自我學習．另一方面,體現科學本質的物理教學,從長遠來看,有利于培養學生的創造力、質疑精神,促進學生更好地理解科學本質;但從短期來看,不一定能立刻提升學生的學習成績．需要我們用平和的心態,堅持不懈地努力,著眼于學生科學素養的提升,靜待花開．

希望我們對科學本質教學的不斷嘗試和努力,可以讓我們的學生:用科學的眼光審視世界,用科學的精神面對問題,用科學的方法解決問題、改變世界．