科學素養教育在理科中的實踐

郭惠+周詩文+庾名槐

摘 要：大學物理是所有理科的基礎學科的特點決定了它身肩科學素養教育的重任.本文借助翻轉課堂模式，提高課堂效率，從科學知識、科學的研究過程和方法以及科學技術對社會和個人所產生的影響的角度，對靜磁場一章實施科學素養教育目標的教學.

關鍵詞：翻轉課堂 靜磁場 物理學史 科學素養

引言

如今，豐富的在線學習資源，比如，慕課資源，使得學習變得更加方便易學，充分利用課下資源進行翻轉課堂[1]，先課前導學，回到課堂后，開展理論知識與專業實踐相結合的案例教學，不是一味的搬運知識，而是加強科學素養的培育，或能激發學生內在的學習興趣.而使學生有效地掌握所學的知識，使得正確知識真正的內化

科學素養是什么？我們教育的目標是什么？這個問題很大很難在這篇小文章中全面回答，只希望通過本文案例實踐來達到拋磚引玉的目的.科學素養 （scientific literacy），它指的是一種長時間積淀下來的修養、習性，是一種獲取以及處理實際問題的具體知識和辦法.[2]百度百科上給出的國際上評定國民科學素養的基本標準是對科學知識、科學的研究過程和方法以及科學技術對社會和個人所產生的影響都能達到基本的了解程度.大學物理課程的學習對于提高科學素養水平具有突出重要的作用.如何實施教育目標呢？以靜磁場一章為例按照科學素養的普遍定義來討論科學素養教育目標實施方案.

一、靜磁場翻轉課堂中的科學素養培養

1. 物理學史話物理知識，在知識傳授中滲透批判質疑的科學精神與人文教育

通常學生讀教材很容易走入一個誤區，教材里所說的都是正確的，很少有質疑的學生，有的學生從沒有去想教材是否有誤，對于青年學生而言，如有敢于發出的質疑聲音，應該被保護和鼓勵起來的.在授課中，除了正確的知識，可以講歷史上的錯誤的科學認識，讓學生去感受人類認識的實質是螺旋發展的過程。

在學習電磁場過程中，“場”概念的形成是困難的.一般教材里采用的講述方式和歷史上研究發現的順序不一樣，實際上，電場和磁場，這些概念是后來人們逐步認識的。[3]

比如我們首先講磁場和磁感應強度.在奧斯特的實驗當中，磁針由于電流偏轉說明電流與磁石一樣它是磁源，它可以產生磁場，或者我們可以說電流在其周圍產生了磁場，因為電流實際是定向運動的電荷，我們也可以推測運動電荷產生磁場，那么磁場到底有什么性質呢？

安培在研究電流之間相互作用以后，人們逐漸認識到磁場對電流有作用力之后，才又慢慢認識到運動電荷在磁場中受力，這就是洛侖茲力.用數學式子表示就是運動電荷受力等于電荷量乘以電荷運動速度叉乘上磁感應強度.我們可以認為這是磁場的定義式，但這里因為有叉乘，不如電場定義那樣簡單，另一方面，磁場也不叫磁場強度，叫磁感應強度，就是表達式中的B.這是因為歷史上研究磁現象時，比較糊涂，已經使用了磁場強度H這個量，而且還不是真正描述磁場，后來真正認識了磁場以后，想定義一個量描述磁場的時候，發現名字已經占用了，沒有辦法只好另起一個名字叫磁感應強度B，實際就是描述磁場的量，有時候我們經常簡略地用磁感應強度代表磁場。[3]

那么這個學習目標是要講磁場和磁感應強度，作為讀者學完上述內容是作何感慨呢？即便是一個剛學物理的新人而言，這樣的物理故事學起來是很輕松的.而這些內容的學習可以在慕課模式下的微視頻中講授，讓學生先行學完，在翻轉課堂上，我們可以通過以下問題設問，如有幾個同學說說奧斯特發現電流磁效應的故事？磁感應強度為什么不能像電場強度一樣直接叫磁場強度呢？使得學生加深理解磁感應強度概念的內含，也能正確理解磁場強度概念.人類的認識物理世界是個摸索的過程，在逐漸發展建立的物理規律和本質的歷程中，物理天才們也存在錯誤的認識，也不是一步就走向真理的彼岸.那么，作為歷史長河中普通的我們，也不會有一躍而就的簡單，即使天才也會失誤，因此在學習途中，要敢于試錯，不怕出錯.對于教師，在課堂的教學中，要能和學生去分享這個感受，從而達到科學素養教育目標.

2. 物理學家的科學思維幫助學生了解科學研究的過程， 掌握科學方法

在教學中確定的重點、難點， 往往也是科學史上的重大關鍵性的突破和難以解決的難題；往往是物理學大師們才華橫溢之點.它是人類認識的突破與精彩的綻放，當我們回味科學發展的認識史時，應該汲取它包含著的深刻的物理科學方法.

比如，講畢薩拉定律及其應用.畢薩拉定律其實是畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律.畢奧-薩伐爾是做實驗，他們做實驗這思路其實是和庫侖的想法是一樣.因為奧斯特發現了電流磁效應，他們就想假如我要知道小的電流元產生的磁場的話，通過疊加原理我就可以知道整段的電流產生的磁場，這里邊我們說這個電流元，它其實是電流上取的一小段，這是一個有方向的一個小段線段，它的大小是這上面的電流乘上這個線段的小矢量，它在某一點產生的磁場應該是什么樣子呢？假設這個電流元到這個場點的矢徑是r的話，他們做實驗發現產生的磁場不是沿著這個矢徑的方向，而是垂直于電流元和矢徑構成的這個平面，也就是說在這樣的情況下，這個電流元產生的磁場是垂直于板面向里的，畢奧-薩伐爾做了這個實驗發現了里邊的規律.可是他們沒辦法用數學表達式表示出來，因為這個規律比起庫侖定律來說，還是稍微復雜的，那么拉普拉斯數學非常好，他幫助他們寫出了數學表達式.[3]

畢薩拉定律是靜磁場學習的重點，通過該定律我們可以求解穩恒電流激發的磁場的強弱，然而，學生對于數學公式的掌握總是存在失誤.學習時不明白電流元是什么，把該內容做成微視頻后，通過講述物理學家研究該定律的過程的科學思維，學生不僅掌握科學知識，而且還能感受到科學研究過程中重要的類比方法.

比如，講靜磁場的高斯定理.經過邏輯推理后得到的磁場高斯定理揭示了磁場的基本性質，告訴我們靜磁場是個無源場.當然這樣講完就完成了科學知識的講授，可是，課程乏味無趣.于是類比電荷提出磁荷即磁單極子的概念.這是誰提出來？假如有磁荷，磁場的高斯定理右邊也不應該是零，應該也有磁荷這一項.磁荷這個概念首先于狄拉克1931年通過量子力學原理和電磁規范性質給出.狄拉克還發現磁荷和電荷的乘積是普朗克常量的整數倍.[3]他就用這個式子來解釋，為什么電荷是量子化的，但是計算的磁荷質量比較大，它一般不可能在加速器中產生，所以人們就期待在宇宙射線中興許可以發現磁單極子.他們用超導線圈放在某個地方守株待兔，等磁單極子等磁單極子穿過這個超導線圈，磁單極子穿過超導線圈的時候，預計有電流躍變的信號，這個是可以計算出來的，曾經斯坦福的幾位物理學家激動過一次，他們聲稱探測過電流躍變的信號，但后來再也沒有探測過，別人也沒有探測過，一般認為，這次可能只是一次烏龍事件，所以到目前為止，實驗上還沒有發現磁單極子。如果在視頻授課中如此講解，學生的學習過程將會是趣味的過程。而教師可以在翻轉課堂中請同學去講解這個概念的來歷，一起品評科學思維的發展過程，從而讓學生體驗到揭示自然規律的重要方法，提出理論，實驗證實. 告訴學生問題的猜想、探究意識和探究能力對于揭示科學本質的重要作用.

3. 由物理技術的研討推動學生的自我教育和科學素養自我提升

在基礎物理教學中將抽象難懂的物理知識與理論在科學技術中的應用，呈現在學生面前，十分有利于提高學生的學習興趣，進而可引導學生自主進行相關知識的學習，從而使學生經歷科學素養自我提高和教育過程.

比如，講到霍爾效應.在1879年物理學家霍爾發現磁場和感應電壓之間的關系，由此命名霍爾效應.這里要求學生在微視頻中學習原理，然后設計這些問題，在課堂上討論最終獲得知識.如，霍爾效應的研究進展？實驗條件？凝聚態物理研究什么？諾貝爾物理學獎如何評比等問題.討論霍爾效應研究進展的問題時需要同學們自己去拓展.可在翻轉課堂上由同學們去總結，比如，1979年，即百年之后，德國物理學家克利青等研究觀察到半導體在極低溫度和強磁場條件下的量子霍爾效應，而后，美籍華裔物理學家崔琦和美國物理學家勞克林、施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應，這個發現使人們對量子現象的認識更進一步。這些成果是凝聚態物理學發展上重要進展，由此，可以讓學生去拓展凝聚態物理研究的范疇等.還可以談克利青獲得1985年的諾貝爾物理學獎和崔琦等在1998年獲得的諾貝爾物理學獎.討論諾獎的評比條件，鼓勵學生要有遠大目標.這樣的討論不僅更深全面了解了霍爾效應，而且科學知識獲取途中對學習者提出更多的思考.緊接著追問霍爾效應的應用技術有哪些？如測量半導體載流子種類；測量半導體載流子濃度；測磁場等.特別是隨著納米技術的發展，把霍爾元件做的越來越小，小到可以放在原子顯微鏡的針尖上，與AFM結合，就可以得到樣品表面局部磁場分布.要認識這些先進的技術，學生必須進行自我教育，所謂"老師帶入門，修行在個人”，大學應該是培育學生個人主動性的場所，大學物理作為基礎課程應該能夠走在理科基礎教育的前列.

結語

綜上所述，本文從科學認識本身的特點出發，充分利用翻轉課堂教學的模式來滲透科學素養教育，建議不僅在大學物理教學中恰當引入科學素養的教育目標，其他的理工科類的教學中也應該融入生動的史例、問題的探究、應用的拓展，這樣教學不僅完成科學知識的講解，也使得學生的科學素養進一步提高.大學理科基礎教育不應成為應試的教育，應該鼓勵理工科學生發展創新思維，使他們在素質、能力和知識三方面都得到發展.

參考文獻

[1] 曾明星，蔡國民，覃遵躍等.基于翻轉課堂的研討式教學模式及實施路徑[J]. 高等農業教育.2015，1： 76

[2] 葉禹卿.科學新課程與科學素質培養[M].中國紡織工業出版社，2002 -81

[3] 趙凱華，陳熙謀.電磁學（第三版）[ M] .北京：高等教育出版社， 2011.

作者簡介

郭惠（1980-）， 女， 福建福安人， 海南大學材料與化工學院，講師.

通訊作者

庾名槐（1979-），男，江西贛州人，海南大學材料與化工學院，講師.