基于主題的物理學史與科學本質課程建構*

田春鳳

(包頭師范學院物理科學與技術學院 內蒙古 包頭 040130)

新一輪的物理課程改革將物理學科核心素養確定為課程的總目標,除知識和能力外,還明確提出了科學本質和物理學史的要求.可見,了解物理學發展歷程以及典型物理規律和理論的研究過程,形成對科學本質的合理認識,不僅是物理學師范生自身學科核心素養發展的需要,也是將來從事中學物理教育的迫切需求.

物理學史是很多高師院校物理學專業開設的一門選修課,然而,當前該課程的教學并不能滿足課程改革的需求.首先,課程中雖然涉及物理學思維、科學觀等內容,但教學中隨意性較大,缺少有意識的、系統的設計;其次,物理學史內容多、課時少,講授為主的教學導致學生被動學習,難以對學史進行深層思考,更談不上形成正確的科學觀了.

為了更好地適應基礎教育課程改革的需求,我校首次將課程名稱改為物理學史與科學本質,以主題式教學理論為指導,構建了以科學本質的若干核心問題為主題,典型的物理學史案例為情境的課程體系,將物理學史與科學本質有機融合,促進學生對物理學史的深層思考,從而幫助學生有效提升科學本質認識和發展學科核心素養.

1 圍繞科學本質確定教學主題

所謂主題式教學是指提供恰當的學習情境和主題,圍繞其制定需要達成的學習目標,以學生主動建構為活動主線,在重過程的生成理解中,實現課程主題意義建構的一種開放性教學[1].設計主題,基于主題優化和整合教學內容是主題式教學實施的基礎性和關鍵性一步.以科學本質的若干核心問題作為主題,便于學生圍繞主題反思物理學史,深化對科學本質的認識.

1.1 主題確定的幾點考慮

首先,基礎教育領域對科學本質的理解源于科學哲學,縱觀科學哲學的發展史,對比傳統和當代的科學哲學觀,認為科學本質的核心問題主要包括如下幾個[2]:第一,科學知識的相對與絕對,這是關于科學知識的“真理性”問題;第二,科學發現的過程;第三,觀察與理論的關系;第四,科學的合理性.

其次,為了幫助學生從不同角度理解科學,建立全面的、立體的、真實的科學觀,科學教育者們吸收科學哲學、科學社會學、科學史等領域的研究成果,不斷豐富其內涵.科學教育領域的科學本質一般認為包括如下三維結構[3]:

(1)科學知識的本質,包括建構性、實證性、條件性、暫定性、邏輯一致性、可預測性等;

(2)科學探究的本質,包括科學探究的動力、科學與提出問題、科學探究的過程、證據的重要性、研究方法的多樣性、創造性、主觀性等;

(3)科學事業的本質,包括社會性、科學社群、科學與技術、科學家的公民性等.

1.2 主題的確定

綜合兩方面的考慮,完成了課程內容的主題設計,如圖1所示.

圖1 課程主題的設計思路與依據

主題1：科學需要證據.

實證性作為科學的最本質特征之一,無論是傳統的還是當代的科學哲學都非常強調這一點,也是學生關于科學本質的原有認識,本主題試圖通過科學家獲取和使用證據的典型史實,發展并深化他們關于科學實證性的認識,從而正確認識科學實驗的地位與作用,初步了解觀察與理論的關系.

主題2：歸納并不充分.

傳統科學哲學是建立在歸納法基礎上的,實驗歸納是一種樸素的科學發現觀,也是學生在長期科學學習中容易形成的一種科學發現觀.本主題試圖通過典型的科學史實,使學生客觀認識歸納法的價值與不足,意識到自己原有認識的缺陷,為建立正確的科學發現觀奠定基礎,并豐富關于科學研究方法的認識.

主題3：科學發現的過程.

本主題試圖選取不同的物理知識類型,呈現它們建立的過程,幫助學生形成全面、立體、開放的科學發現觀,既認識到科學發現沒有固定的模式,是一個問題解決的開放過程;也認識到科學發現過程包括一些共同的核心要素,即問題、證據、解釋、交流與評估等.

主題4：研究方法的多樣性.

不僅不同類型的科學知識具有不同的發現模式,會采用不同的研究方法,而且對同一問題的解決,科學家也可能經歷不同的研究過程,采用不同的研究方法.該主題試圖選擇典型的科學史實,進一步說明科學探究并無固定模式,進一步深化對研究方法的多樣性、科學的主觀性、創造性等特征的認識.

主題5：是發現還是發明.

該主題的核心是關于科學知識的真理性問題,通過對典型史實的分析與討論,對科學是絕對真理還是相對真理進行深度反思,從而回答科學是發現還是發明這一主題問題,體會科學知識的建構特征,認識定律與理論的區別,形成正確的科學知識觀.

主題6：是確證還是確認.

關于科學合理性的討論是最后一個主題,學生一般認為只要有了證據的支持,科學觀點就應該被認可,卻很少考慮社會因素、政治因素、人為因素等的影響.通過前5個主題的學習,學生已經潛移默化地意識到科學合理性的確認是一個復雜的過程,這一主題將通過典型史實的討論、分析,進一步發展學生對科學合理性的認識,深化對科學的社會性、主觀性本質的認識.

綜上述,六大主題涵蓋了科學哲學的四大核心問題以及科學本質的三維結構,不僅能夠幫助學生基于典型史實的分析,形成正確、全面的科學觀,而且還能提升學生對物理學思想方法的認識.為了更好地體現物理學科特點,提升學生的物理學科核心素養,增強學生對物理教育的信念和責任感,還設計了科學與技術、物理學之美、中國科學技術的過去現在和未來等幾個選修主題.

2 精選物理學史內容創設主題情境

在主題式教學中,教師將教學內容主題化,并要據此創設一定的問題情境,而學生的學同樣圍繞主題,在情境中分析解決問題,完成主題內容的學習與能力遷移,充分實現了師生在教學過程中的主體性,實現了教與學的有效整合.物理學史就是學生思考、認識科學本質的情境.

2.1 學史內容選擇的幾點考慮

物理學史內容的選擇,既要考慮科學本質觀形成的需求,也要考慮物理教師職業發展的需求.

首先,物理學史與科學本質觀形成存在著內在必然聯系[4]:

(1)展示科學的研究過程,從研究初衷、研究過程、科學成敗的歸因、合作與競爭等方面進行歷史分析與反思,能體現科學探究的諸多本質,主要包括科學探究的動力、科學探究的過程、證據的重要性、研究方法的多樣性、創造性、主觀性、社會性、合作與競爭、科學與技術的關系等.

(2)科學知識的歷史演進展示了科學家在與自然界、自己與他人和社會的不斷互動中,逐步形成對自然現象的描述與解釋的過程,其中還包括著不同觀點的論爭和同行評議,充分體現了科學知識的建構性、暫定性、邏輯一致性、社會性等特征.

(3)呈現科學研究的歷史背景,可以體現科學的社會性、科學與技術的關系、科學研究的主觀性和創造性、科學探究的過程等特點.

其次,中學物理課程中也包含著豐富的物理學史內容,以人教版為例,在必修模塊和選擇性必修模塊共包括37處物理學史內容,在課程標準中也有多達8處對物理學史提出明確要求.從時間上看,不僅包含從近代科學建立到現代科學發展的主要內容,而且也包括我國古代的科學技術成就;從內容上看,不僅涉及經典物理力學、熱學、電磁學、光學的內容,也包括近現代物理、量子力學、原子原子核物理的內容;從類型上看,不僅包括科學研究的過程、科學知識的歷史演進,而且也包括科學家生平、科學的社會背景、科學技術應用等的介紹.豐富多樣的物理學史內容,不僅能更全面地了解物理學的發展歷程,反映物理學的思維和特征,而且有利于學生形成更立體、更開放、更全面的科學觀.

2.2 物理學史的確定

綜合考慮時間、內容、類型等因素,選擇如下物理學史內容創設主題學習情境,如表1所示.

表1 物理學史內容的選擇

3 整合教學內容形成課程體系

基于科學本質的核心問題確定主題,以典型的物理學史案例創設情境,整合形成物理學史與科學本質的課程體系,如圖2所示.

圖2 物理學史與科學本質的課程體系

3.1 必修模塊

必修模塊涵蓋了科學本質的主要核心主題,學史內容豐富多樣,通過該模塊的學習,學生能夠了解與中學物理內容相關的典型學史,了解物理學的發展歷程,理解物理學的思維方法,體會物理學與技術、社會的關系,提升對物理學本質的認識,形成正確的科學觀,為今后的專業學習和物理教育課程的學習與實踐奠定基礎,從而更好地適應基礎教育改革的需求,更好地勝任未來中學物理教育工作.

3.2 選修模塊

考慮我國國情、師范生培養的需求及物理學科的特點,設置了“科學與技術”“物理學之美”“中國科學技術的過去、現在和未來”等幾個選修主題:“科學與技術”主題能夠幫助學生區分科學與技術,辯證認識二者的相互關系;“物理學之美”主題,不僅可以使學生感受物理學之美,提升對物理學的熱愛,而且也有助于提升他們的科學思維,深化對物理學科的認識;“中國科學技術的過去、現在和未來”主題試圖通過對李約瑟問題和錢學森之問的討論和交流,提升師范生關于科學教育的責任感和使命感.

4 總結與建議

以科學本質的核心問題設計主題,精選典型物理學史創設情境,構建物理學史與科學本質課程,能夠讓學生更好地融入學史、反思學史,提升對科學本質等問題的認識水平,能更好地適應基礎教育課程改革對本課程的需求.為了更好地實現上述目標,必須在教學方式、資源開發和評價等方面作出新的探索.

首先,主題式教學的最根本特征就是師生圍繞主題展開交互作用.借鑒HPS教育和NOS教育的研究成果,探索基于問題鏈的多種教學方法和策略,如歷史個案研究、角色扮演、歷史互動小故事等,使學生圍繞主題進行反思式互動學習,不僅可以更全面和深入地了解物理學發展歷程,而且可以深化學生對主題問題的認識,達到對科學本質的深度理解.

其次,借助信息技術手段,采用線上線下混合教學,有效地突破傳統教室和課時的局限性,向教學時空的“無限開放”轉化.此外,還可以借助圖片、視頻、動畫等形式展示科學家的生平、典型科學實驗,增強學生的直觀認識,以喜聞樂見的形式,增強了學生的學習興趣,同時借助思維導圖引導學生反思歷史,提升學習效果.

最后,堅持“以評促教、以評促學”的評價理念,堅持過程性評價與終結性評價相結合,嘗試設計多樣化的評價方式檢查學習效果,促進對歷史的反思,調動學生的學習積極性和主動性.