自然建模：從定性到定量的科學實驗與教學研究

朱壯麗

摘要：自然是自然科學的天然內涵，自然模型是自然現象和科學規律的形式體現，自然科學知識的學習生涯是在思維中建立自然模型的過程，即自然建模。定性與定量是自然建模的發展過程的兩個典型特征。早期的自然建模偏重于定性，具有一定的趣味性，往往發端于對自然現象的簡單觀察和經驗積累，并直接投入到實際應用。成熟的自然建模偏向于定量，是嚴謹的科學實驗，是對自然規律的公式化抽象化表達。從查理定律/蓋-呂薩克定律的發現過程，可以看出，我國古代早期的自然建模思想偏向于定性;而西方近代社會的自然科學發展史，則更注重定量的自然建模分析。根據教育類型的不同，引入不同特征的自然建模思想，可以有效的提高教學效果，促進學生發展。

關鍵詞：自然建模;定性與定量;科學實驗;科普教育與科研教育

自然科學，與社會科學、思維科學并稱科學三大領域，在某種程度上說，現代科技是自然科學發展的成果結晶，自然學科教育與學習是繼承與發展科技的重要方式。縱觀歷史更迭、社會變革與教育發展，物理化學等自然科學基礎學科都扮演著至關重要的角色。“學好數理化，走遍天下都不怕”的坊間傳言一度甚囂塵上，好似“只有學不好理科的學生，才會選擇文科”。這些俚語雖有失偏頗，卻恰從側面說明了自然科學的重要性和學科難度。

針對自然科學教學中長期存在的教學效率低、學業成績低、學生學習興趣不高等問題，有研究表明導致理科學習困難的最重要因素是缺乏生活實踐和學習方法。[1]佩里（William Perry）等人對課堂自然科學學習進行的一項開拓性研究表明，學生的學習困難除了缺乏學習動機、方法和能力，大多是狹隘的知識觀造成的：多年來，學生反復學習已經整理成知識體系的內容并熟記，由此產生了學習便是增加我們知識體系中的一些事實材料和解決問題的幾套現成公式而己的錯覺，并相應形成了以記憶事實為目的的學習策略。[2]這大大迎合了我國傳統的教授-苦學教學模式，從而導致了自然科學理論知識孤立與機械化，如饑似渴的學習著理論知識的學子們，漸漸弱化乃至失去了從自然現象中發現并總結規律的能力;學科知識成為了教學的唯一結果，學生學習興趣的提升、學習信心的增強、學習潛能的開發、自主學習能力的形成，這些促進學生健康成長關鍵因素嚴重缺位。[3]這直接動搖了學生處理與自身關系的自信基礎，撕裂了學生處理與自然關系的紐帶，阻礙了學生核心素養的培養與發展。

誠然，自然是自然科學的天然內涵，自然模型是自然現象和科學規律的形式體現，那么自然科學知識的學習生涯必然應是在思維中建立自然模型的過程，即自然建模。這是自然建模在自然科學教育與學習中的天然優勢，且其更具趣味性和指向性，有助于提高學生的學習興趣和動機;其更具有普遍性和聯系性，給學生提供了更多樣性的選擇和思考空間;其本身既是教學方法又是學習方法，有助于學生凝練學習方法和能力，并提高教學與學習效果;同時，自然模型的聯系性多表現在自然學科之間的聯系性，從而打破了傳統學習上的孤立性和機械化。

一、查理定律/蓋-呂薩克定律的發現與發展

十八世紀末，法國造紙商孟格菲兄弟發明了熱氣球載人技術，其在歐洲掀起了氣球載人的飛天浪潮。八十年代，法國物理學家查理，在完成氫氣球載人升空試驗后，開始著手研究氣體膨脹性質。他通過實驗證實：壓力一定時，氣體體積的改變和溫度的改變成正比。進一步實驗發現，對于一定質量的氣體，當體積不變的時候，溫度每升高l℃，壓力就增加它在0℃時候壓力的1/273，這就是查理定律的由來。同時查理還用它作根據，推算出氣體在恒定壓力下的膨脹速率是個常數。二十年后，法國物理學家、化學家蓋·呂薩克通過實驗證實了查理有關膨脹速率的猜想，并精確地計算出氣體膨脹系數的數值是0.00375或1/266.6，現代理想值為1/273.15，這便是蓋·呂薩克定律（或稱查理-蓋·呂薩克定律）的由來。半個世紀后，英國科學家開爾文，在此基礎上建立了熱力學溫標;這簡化了定律公式，得到了我們今天看到的公式形式，即查理定律：一定質量的氣體，體積不變時，壓強與熱力學溫度成正比P/T=C，蓋-呂薩克定律：一定質量的氣體，壓強不變時，體積跟熱力學溫度成正比V/T=C。

二、我國對相關氣體規律的研究和應用

對比之下，我國的熱氣升空技術則要早得多，最早可追溯到公元前2世紀。據《淮南萬畢術》記載：漢代淮南王劉安在研究熱氣升空技術時，將雞蛋去汁，以艾燃燒取熱氣，使蛋殼浮升。公元2-3世紀，天燈的發明，標志著我國熱氣升空技術的成熟，并被運用到軍事領域，這就是我們所熟知的孔明燈。[4]另一方面，我國利用空氣膨脹規律的“拔火罐”技術更加大大提前，最早可追溯到先秦時期。[5]首先罐中空氣（質量一定，大氣壓不變）受熱（溫度升高）膨脹，體積增大（蓋-呂薩克定律），隨后空氣（質量一定）罐口封閉在患處（體積不變），溫度降低后形成負壓（壓強降低）（查理定律）。

三、自然建模定性與定量的分析比較

那么，為何近代自然科學在西方屢屢突破，而歷史更悠久，自然經驗更加豐富的東方卻頻頻碰壁呢？原因恰恰就在豐富的自然經驗上！東方注重的實用主義，往往將自然建模的過程偏向于定性，且在實際應用領域發展很快，這是中國古代社會可以引領世界潮流發展近千年的根本。我們欠缺的正是自然建模從定性到定量的引導和意識。而今天我們的自然科學教育在某種程度上正走上這條歧路，只不過從注重自然經驗，轉變為注重知識經驗。隨著自然科學知識的深入發展，理論體系化系統化的學科壁壘越加高深，這又衍生出了自然科學教學與學習的孤立性和機械化問題，導致學生學習興趣與動機、方法與能力的缺失，造成了全球性的自然學科教育與學習的窘境。

歷史實踐證明，科學規律的發現和證明離不開實驗，科學理論尤其是自然學科的教育與學習離不開實驗教學，自然建模作為一種更自然生動、更簡單易行、更物美價廉的科學實驗設計方案，尤其是在科學實驗教學設計方面，具有得天獨厚的優勢，因此，我們說要在教學上引入自然模型，一方面，教師應該具有引導學生建立自然模型的能力，另一方面，學生在建立自然模型的過程中，掌握自然建模的方法，理解科學理論知識與自然規律的關系。同時，一方面，在低年級段或科普教育階段，偏向于采用定性的自然建模理念，用趣味性吸引學生，用實際應用降低學生對知識的領悟難度，引導學生建立自然建模思想。另一方面，在高年級段或科研教育階段，偏重于于采用定量的自然建模理念，引導學生在已經建立的定性自然建模思想上，進一步完善發展自然建模理念，培養科學探究精神和發展核心素養。

注：Email：zlzhu@tjnu.edu.cn

參考文獻：

[1]王晶瑩.高中理科學習困難的量化研究——基于三省（市）的問卷調查[J]. 江蘇教育研究， 2014，（28）： 34-37.

[2]宋秋前.國外改進理科課堂學習的若干研究[J]. 外國教育資料， 1996，（06）： 30-35.

[3]方展畫，弓靜. “教”與”學”： 學校教育的博弈與回歸[J].教育研究， 2018， 39（10）： 93-97.

[4]劉延柱.從孔明燈到熱氣球[J]. 力學與實踐， 2010， 32（03）： 133-134.

[5]呂雙雙.拔罐療法的歷史源流探究[D]. 黑龍江中醫藥大學， 2015.