科學(xué)精神：物理課程教育的核心

張碧霞

摘 要：發(fā)展學(xué)生的科學(xué)精神素養(yǎng)是物理課程教育的核心。本文闡述物理課程中蘊(yùn)含的科學(xué)精神品質(zhì)及其培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)精神；批判質(zhì)疑；理性思維；勇于探究

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》是教育部委托北京師范大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)高校近百位專家且歷經(jīng)三年共同研究的課題，現(xiàn)已敲定“人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新”為學(xué)生發(fā)展的六大素養(yǎng)，這是新一輪課程改革的風(fēng)向標(biāo) [1 ]。誠然，發(fā)展學(xué)生這六大素養(yǎng)是各級(jí)各類學(xué)校教育的共同目標(biāo)，然而由于各學(xué)科內(nèi)容特點(diǎn)不同，不同的學(xué)科應(yīng)具有不同的側(cè)重點(diǎn)。物理是科學(xué)家前赴后繼且經(jīng)歷艱難曲折的科學(xué)探索過程而建立的科學(xué)課程，其中蘊(yùn)含著科學(xué)發(fā)展史方面的人文底蘊(yùn)、科學(xué)探究中的科學(xué)精神、科學(xué)活動(dòng)層面的實(shí)踐創(chuàng)新這三大核心素養(yǎng)的教育資源。然而究其實(shí)質(zhì)，其中科學(xué)精神是其精髓。科學(xué)精神，主要包含批判質(zhì)疑、理性思維、勇于探究這三種精神品質(zhì)。實(shí)踐創(chuàng)新源于批判質(zhì)疑且勇于探究的行為，科學(xué)發(fā)展離不開崇尚真理和理性思維。可見，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)精神素養(yǎng)是物理課程教育的核心。本文就物理課程中蘊(yùn)含的科學(xué)精神品質(zhì)及其培養(yǎng)，談?wù)剛€(gè)人的粗淺認(rèn)識(shí)。

1 批判質(zhì)疑：物理科學(xué)發(fā)展的起步

批判質(zhì)疑，指具有問題意識(shí)，能獨(dú)立思考與判斷，能多角度、辯證地分析問題 [1 ]。它表現(xiàn)為對(duì)真理的質(zhì)疑，意味著對(duì)權(quán)威的挑戰(zhàn)。物理科學(xué)的誕生與發(fā)展正是源于物理學(xué)家批判質(zhì)疑的科學(xué)精神。

如對(duì)“光的本性”認(rèn)識(shí)，人們經(jīng)歷了漫長的“否定再否定”的批判與質(zhì)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(zhì)內(nèi)由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng)。它能成功地解釋光的反射和折射，然而卻無法解釋“牛頓環(huán)”這種衍射現(xiàn)象。荷蘭物理學(xué)家惠更斯反對(duì)“微粒說”并提出“波動(dòng)說”：光是在“以太”這種特殊物質(zhì)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(xiàn)象，然而又無法解釋“光電效應(yīng)”現(xiàn)象。由于無法驗(yàn)證“以太”物質(zhì)的存在，同時(shí)依據(jù)法拉第觀察到“光的振動(dòng)面在磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)”、麥克斯韋關(guān)于光速等于電磁波速的論證以及赫茲實(shí)驗(yàn)的問世，物理學(xué)家又提出了“光波是一種電磁波”的“電磁說”。依據(jù)“光電效應(yīng)”現(xiàn)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(jì)算光子能量的公式為E=hν。如何把光這種“微粒性”與“波動(dòng)性”統(tǒng)一起來，法國物理學(xué)家德布羅意提出了“物質(zhì)波”，并給出既能體現(xiàn)“微粒性”又能體現(xiàn)“波動(dòng)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(xiàn)為“波動(dòng)性”。從光現(xiàn)象的發(fā)生過程而言，少數(shù)光子多體現(xiàn)為“微粒性”，大量光子則體現(xiàn)為“波動(dòng)性”。至此，關(guān)于“光的本性”爭論才得以告終 [2 ]。

物理課教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的批判質(zhì)疑品質(zhì)，主要是培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑意識(shí)。質(zhì)疑，這里指學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中能主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問題并提出問題。首先是注意引導(dǎo)學(xué)生從教材中質(zhì)疑。由于知識(shí)的局限性，學(xué)生對(duì)教材中的某些內(nèi)容往往存在一定的困惑，或知其然不知其所以然。如 “質(zhì)點(diǎn)”概念，教材給出了一副地球繞太陽公轉(zhuǎn)的示意圖，其中地球?yàn)槭裁茨芾@太陽運(yùn)動(dòng)、為什么是橢圓運(yùn)動(dòng)、為什么太陽不在橢圓中心…等等，這些問題都是剛學(xué)習(xí)高中物理學(xué)生的疑問。然而在實(shí)際的閱讀學(xué)習(xí)中，由于受“質(zhì)點(diǎn)” 這個(gè)主題概念的暗示，學(xué)生們往往不去思考示意圖中隱含的問題，這也正是學(xué)生能否發(fā)現(xiàn)問題的洞察力欠缺之處。從科學(xué)探究的角度來說，這就是科學(xué)洞察力的問題。可見教學(xué)中必須加強(qiáng)質(zhì)疑訓(xùn)練。其次是注重引導(dǎo)學(xué)生從生活實(shí)踐中質(zhì)疑。人類生活的確是一種“萬花筒”，其中蘊(yùn)含著豐富的知識(shí)與方法奧秘。如“測(cè)量嬰兒體溫的紅外線體溫計(jì)或智能體溫計(jì)其測(cè)溫原理是什么”、“鐵路彎道為什么是外軌要設(shè)計(jì)高些”、“為什么‘香蕉球能繞過‘人墻作弧線運(yùn)動(dòng)”…等等，這些生活實(shí)踐的問題，都是值得學(xué)生質(zhì)疑的問題。

學(xué)習(xí)中提不出問題，意味著學(xué)習(xí)者沒有進(jìn)入角色，科學(xué)上提不出問題，意味著科學(xué)的止步。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，正是為學(xué)生未來從事科學(xué)探究活動(dòng)樹立批判質(zhì)疑意識(shí)。

2 理性思維：物理科學(xué)發(fā)展的基石

理性思維，指注重理解和掌握基本的科學(xué)原理和方法的意識(shí)；尊重事實(shí)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度；能運(yùn)用科學(xué)的思維方式認(rèn)識(shí)事物和分析與解決問題的行動(dòng)等 [1 ]。物理是以事實(shí)為基礎(chǔ)、以實(shí)驗(yàn)為基本形式、以科學(xué)思維為主要方法、以數(shù)學(xué)為主要工具的理性思維課程。可見，理性思維是物理科學(xué)發(fā)展的基石。

理性思維，首先是體現(xiàn)人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)的本質(zhì)性，既透過表面現(xiàn)象來究其本質(zhì)性原因。如關(guān)于“力和運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系，古希臘學(xué)者亞里士多德認(rèn)為：“有力作用，物體才運(yùn)動(dòng)，停止用力，運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)變?yōu)殪o止。”物理科學(xué)之父伽利略對(duì)亞里士多德的這種觀點(diǎn)，指出運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)變?yōu)殪o止的原因是受到阻力作用，并且通過“斜面實(shí)驗(yàn)”來說明“運(yùn)動(dòng)的物體若不受力作用會(huì)永遠(yuǎn)地運(yùn)動(dòng)下去”的力學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)以“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)原因”的論斷來揭示“力和運(yùn)動(dòng)”的本質(zhì)關(guān)系。其次，理性思維是體現(xiàn)人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)的深刻性。對(duì)于伽利略的觀點(diǎn)，法國學(xué)者笛卡爾通過對(duì)“斜面實(shí)驗(yàn)”的深入分析而發(fā)現(xiàn)：運(yùn)動(dòng)的物體若不受力作用會(huì)沿直線永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，其中“直線”二字就是認(rèn)識(shí)的深刻性。然而物理學(xué)家牛頓對(duì)伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”和笛卡爾的觀點(diǎn)進(jìn)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(shí)從物體“慣性”的這種本質(zhì)屬性來揭示“力和運(yùn)動(dòng)”關(guān)系的本質(zhì)內(nèi)涵，這種思維何等的深刻。應(yīng)該說，教材中所有物理概念的形成或物理規(guī)律的建立，無一不體現(xiàn)著物理科學(xué)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(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)特征。在物理教學(xué)中以發(fā)展學(xué)生的理性思維，具體做法是促進(jìn)學(xué)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(gè)很重要的概念，也是一個(gè)認(rèn)知難點(diǎn)，而且經(jīng)歷較長階段的逐步深化過程。引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確且較深刻地理解其表達(dá)式a=，則是發(fā)展學(xué)生理性思維的有效教學(xué)。表象感知，就是指教學(xué)中提供形式多樣且內(nèi)容豐富的加速運(yùn)動(dòng)案例，如飛機(jī)起飛、火車進(jìn)站、子彈從槍膛射出等無往返特點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)；又如豎直上拋、彈簧振子等具有往返特點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)；讓學(xué)生初步感知加速運(yùn)動(dòng)的各種運(yùn)動(dòng)形式。比較分析，就是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述各類運(yùn)動(dòng)，比較分析其速度的變化：如果是無往返特點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)，怎樣計(jì)算（vt-v0）；如果是具有往返特點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)，又怎樣計(jì)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(dǎo)學(xué)生在比較分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建平均加速度與瞬時(shí)加速度的概念，同時(shí)分類歸納計(jì)算各類加速度的矢量運(yùn)算方法。這樣的教學(xué)，既可以促進(jìn)學(xué)生分析與解決問題思維的全面性與深刻性，又可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)“加速度”概念有著本質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，這就是發(fā)展學(xué)生理性思維的有效教學(xué)。

3 勇于探究：物理科學(xué)發(fā)展的活力

勇于探究，指具有強(qiáng)烈的好奇心和進(jìn)取心，并具有不畏困難且堅(jiān)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(zhì) [1 ]。

勇于探究是科學(xué)精神的核心內(nèi)涵，更是物理科學(xué)發(fā)展的活力。英國法拉第是世界著名自學(xué)成才的科學(xué)家，他在物理與化學(xué)科學(xué)方面的重大貢獻(xiàn)完全源于他勇于探究的科學(xué)精神。1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，引發(fā)了原本研究化學(xué)的法拉第的極大熱情，并開始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)的研究。他企圖從靜止的磁力對(duì)導(dǎo)線或線圈的作用而產(chǎn)生電流，做了大量的實(shí)驗(yàn)，但都是失敗。法拉第毫不氣餒，經(jīng)過近10年的不斷實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了“電磁感應(yīng)定律”，接著又發(fā)明了圓盤發(fā)電機(jī)，在電的發(fā)明及應(yīng)用方面，他對(duì)人類做出了巨大的貢獻(xiàn)。自十六世紀(jì)至十九世紀(jì)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(xué)家的勇于探究，不僅給物理科學(xué)的發(fā)展注入了極大的活力，而且推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的徹底變革并促進(jìn)了人類文明的極大進(jìn)步。

物理教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生勇于探究的科學(xué)精神，重點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)。具體的探究性學(xué)習(xí)引導(dǎo)主要體現(xiàn)為以下三方面。

（1）促進(jìn)概念認(rèn)知的探究性學(xué)習(xí)。如“彈力”概念教學(xué)，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(xiàn)象并演示“手壓桌面而產(chǎn)生微小形變”實(shí)驗(yàn)，然后讓學(xué)生分析“彈力產(chǎn)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(dǎo)學(xué)生用自己的話來表述“彈力”概念。這樣的學(xué)習(xí)，既可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念認(rèn)知的深刻化，又可以發(fā)展學(xué)生分析與歸納、抽象與概括的理性思維。

（2）引導(dǎo)科學(xué)探究的探究性學(xué)習(xí)。新教材的突出特點(diǎn)就是把隸屬于定理或定律的課程知識(shí)都設(shè)計(jì)為“科學(xué)探究”課題，為引導(dǎo)學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)提供了良好的平臺(tái)。為發(fā)展學(xué)生勇于探究的意識(shí)與行為，教學(xué)中除了放手讓學(xué)生開展自主式或合作式探究活動(dòng)外，教師還應(yīng)對(duì)探究內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。如《科學(xué)探究：一種勻變速直線運(yùn)動(dòng)》，教材給出的問題是“僅在重力作用下的運(yùn)動(dòng)”，如果改為“探索滑塊沿斜面下滑的運(yùn)動(dòng)”，那么不僅能很好地誘發(fā)學(xué)生的活力思維，而且有益于促進(jìn)學(xué)生勇于探究的行為。

（3）延伸拓展問題的探究性學(xué)習(xí)。挖掘課題潛在性內(nèi)涵的擴(kuò)展性學(xué)習(xí)是高中物理學(xué)習(xí)的重要方面，如依據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)基本公式來導(dǎo)出Δs=a·Δt2，從而認(rèn)識(shí)到“勻變速運(yùn)動(dòng)的特征是在相等的時(shí)間里位移的變化相等”，這既是擴(kuò)展性學(xué)習(xí)，也是課題內(nèi)容延伸拓展問題的探究性學(xué)習(xí)。在高中物理學(xué)習(xí)中，這樣的延伸拓展問題比比皆是，它既是引導(dǎo)學(xué)生開展課外探究性學(xué)習(xí)的良好資源，又是提升課程學(xué)習(xí)效益的重要方面。

科學(xué)精神是學(xué)生未來從事科學(xué)探究活動(dòng)的核心素養(yǎng)。其中的批判質(zhì)疑品質(zhì)表現(xiàn)為人們對(duì)科學(xué)探究的自覺意識(shí)，勇于探究表現(xiàn)為人們對(duì)科學(xué)探究的努力追求，而理性思維則表現(xiàn)為人們對(duì)科學(xué)探究而持有的態(tài)度與方法。

應(yīng)該說，愛因斯坦的“成功=少說廢話+艱苦勞動(dòng)+正確方法”公式就是對(duì)科學(xué)精神的通俗詮釋。

參考文獻(xiàn)：

[1]京城教育圈. 中國學(xué)生發(fā)展六大核心素養(yǎng)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(xué)史[M].南京：南京大學(xué)出版社，2015：284-286.