HPS理念下物理学史的内容构建及教学策略初探

何晶晶 吴维宁

(湖北大学物理学与电子技术学院,湖北武汉 430062)

HPS理念下物理学史的内容构建及教学策略初探

何晶晶 吴维宁

(湖北大学物理学与电子技术学院,湖北武汉 430062)

目前HPS教育开始成为国际科学教育界的一个研究热点.越来越多的学者认为这种教育理念能够有效提高所有公民的科学素养.本文从介绍HPS的理念出发,对物理教学中渗透物理学史的内容选择及教学策略作出初步探讨.

HPS;物理学史;内容选择;教学策略

1 HPS兴起的背景及其教育理念

1.1 HPS的教育理念

目前,HPS有两种定义,部分学者认为HPS是科学史和科学哲学(History and philosophy of science)的缩写,另有学者则认为HPS是指将科学史(History of science)、科学哲学(Philosophy of science)和科学社会学(Sociology of science)的有关内容融入到中小学的科学课程中.笔者认为后者说法更为妥帖.HPS的核心是对于科学本质的认识,其回答了“科学是什么”和“科学的本质是什么”这两个问题,主要内容是对公众进行科学史、科学哲学和科学社会学方面的教育,让公众在历史、哲学和社会学语境中重新理解科学,形成对科学本质的多维透视,以此促进科学教育、推动科学知识的传播、提高公众的科学素养.

1.2 HPS兴起的背景

HPS教育兴起于20世纪80年代的英国和美国,其兴起的背景可以归纳为三个方面:第一,传统科学知识的局限性.传统的科学教育侧重于科学实证知识的传播,几乎略去了科学知识产生的历史,科学知识被作为纯粹的经验归纳和逻辑推理的结果传授给学生.这种教育模式严重抹杀了学生的创新能力以及对科学的兴趣与探索能力.第二,科学史、科学哲学和科学社会学的发展以及科学家和教育家对这三个“科学元勘”学科的重视.对科学史的重视,早在1895年,著名科学家和科学史学家马赫(E.Mach)在其题为“论古典学和科学的教育”的向中学教师的演讲中,提倡在中学的科学教学中应用哲学和历史的方法.美国科学史学科的奠基人萨顿(G.Sarton)从1920年起在哈佛大学系统地面向各专业学生开设科学史课程.哈佛大学校长柯南特(James B.Conant)发展出一套科学史教材,其中《理解科学:以历史的方法》以及《哈佛实验科学中的案例研究》都成为科学史教育领域里极具影响力的经典文献.1952年,美国哈佛大学的科学史教授霍尔顿(G.Holton)编写了一部面向文科学生的物理学教材——《物理科学的概念和理论导论》,随后又参与了HPP(Harvard Project Physics Course,“哈佛物理教学改革计划”的简称)计划,其中融入了大量科学史内容,HPP计划的目的在于促进学生对科学本质的理解.自1983年起,欧洲物理学会就每两年组织一次关于物理学史与物理学教学的会议.1987年,英国科学史学会在牛津召开了“科学史与科学教育”的学术会议.由此可见,科学史对于科学本质的教育价值已经日益引起人们的重视.第三,目前世界各国都面临着基础科学教育的改革从“应试教育”向“素质教育”的转变.20世纪80年代以来,国际科学教育研究对科学史及与之相关的科学哲学的关注也反映在当代各个发达国家科学课程与教学改革中.比如最具影响力的美国的“2061计划”(1989)和《国家科学教育标准》(1996),英国的“国家科学课程”(1988),荷兰的“PLON课程”(1988),挪威的“核心课程”(1994),丹麦的“科学技术课程”(1990)等,都对科学史、科学哲学和科学社会学的课程与教学有着明确的要求.2001年我国基础教育领域新一轮的课程改革,明确地将科学教育定位于提高学生的科学素养以及对科学本质的认识.

1.3 HPS教育理念中科学史教育的意义

通过以上论述我们可以明确发现,科学史对于科学教育的贡献是深为科学界所肯定的.马修斯曾在总结各家研究结果的基础上,将科学史融入科学教育的教育价值归纳如下:

(1)科学史可以激发学生的学习动机,吸引学生投入科学的探究.

(2)科学史可使教材更具人性化.

(3)借助探索科学概念的发展与精致化的过程,可促进学生对科学概念的理解.

(4)在理解重要的科学史案例的过程中,可使学生认识科学的本质,例如科学革命、达尔文主义等.

(5)科学史可以使学生了解科学知识的不定性、可变性,因而目前人们对科学的理解也具有可转换的特性.

(6)科学史可使学生认识科学家之间会发生意识形态的争论.

(7)科学史能展现出科学方法的改变历程,使学生对科学方法的本质有更深刻的认识.

笔者认为,科学史不仅有上述价值,还激发了学生学习科学的兴趣,培养了学生的爱国情操以及学生的科学思维方法和态度,发掘了学生科学创新的精神,培育了学生的整体素质,对于培养学生正确人生观和价值观更是有着不可忽视的作用.

2 基于物理学史的物理课程内容的构建

2.1 将科学史及其相关学科融入到科学教育中的两种教育模式

为了提高教师和学生的科学本质认识,很多学者在科学本质教学策略和方法上进行了大量研究,主要包括:科学探究的策略、科学史的策略、科学方法的教学等.本文将着重介绍科学史策略.迄今为止,主要的科学史策略有两种:马修斯的适度模式、孟克和奥斯本的融合模式.

(1)马修斯的适度模式

1994年,澳大利亚科学哲学教授迈克尔·马修斯(Michacl R.Matthews)提出适度模式的科学史教学,他认为理科教师应该多懂一点科学哲学、科学社会学和科学史,倡导把科学本质的内容纳入科学课程与教学中.但同时他也认为希望所有理科教师和理科师范生都成为有能力的科学哲学家、科学史学家或者科学社会学家是不现实的,因此,他认为应当把目标限制在让师范生或教师了解课堂上出现的有关认识论和科学本质的问题范围内.马修斯认为,课堂上,哲学问题无处不在,教师和学生都应该问一问哲学家们经常问的问题:你所说的……是什么意思?你是如何知道……的?这种初步的哲学分析会使学生更好地理解它们所蕴含的独特的经验和概念问题.同时,这种方法也在一般意义上促进了批判性思维和反省思维.

(2)孟克和奥斯本的融合模式

1997年,英国伦敦大学皇家学院的科学教育者孟克(M.Monk)和奥斯本(J.Osborne)在总结历史经验与教训的基础上,结合当前关于科学课程改革的新观点(如建构主义学习观),提出了将HPS融入科学课程与教学中的模式.这一模式假设,学习的课题是科学史上某一个科学家曾经研究过的自然现象,如落体的变化、植物从哪里获得食物或燃烧现象等.教学共有演示、引出观念、学习历史、设计实验、科学的观念与经济性检验、评论和评估6个阶段.

2.2 物理课程中物理学史内容的构建

对于科学课程中科学史内容的构建研究很多,但多数处于理论层面,北京师范大学物理系田春凤在其博士论文《中学物理课程中科学本质教育的研究》中,针对物理学这一具体学科进行了详细深入的物理课程中如何进行科学本质教育内容的构建的研究,这对于中学教师及学生在进行实战教学时有着指导性的作用.本文将从物理学史的角度出发,选取一教学实例介绍具体学科——物理学史融入到物理课程中的教学内容的构建.

案例:牛顿第一定律(人教版九年级物理)

在初中阶段,学生已经学习过牛顿第一定律,但初中课程标准中对此知识点学习要求较低,物理学史内容的体现较少且表面.高中教材非常重视物理学史内容,在高中物理必修1的教材目标中明确要求学生能够大致叙述发现牛顿第一定律的历史过程,并且能够对其进行初步评析.

教材分析:教材中简单介绍了牛顿第一定律的建立过程,但是很明显重点仍然在伽俐略的理想实验上.教材中物理学史内容的选择相对于初中而言增加许多,但是对于HPS的核心——科学本质,物理学史内容的构建依然存在些许缺陷.主要体现在以下3个方面:

(1)没有体现科学的社会性.在绪论中,教材直接开篇就将亚里士多德的理论作为反面结论呈现给学生,这样容易造成学生的误解,以为亚里士多德就是一个延误世界科学发展2000多年的愚昧的科学家.教材忽视了科学的发展与时代的发展以及当时所处社会的文化背景有着密切的关系,我们应当联系一定社会下的文化背景正确评价在这一特定背景下的科学发展.

(2)没有体现科学的连续性.教材在这一知识点的构建上分为“绪论”、“理想实验的魅力”、“牛顿物理学的基石——惯性定律”、“惯性与质量”4个部分,主要介绍了伽利略的理想实验,对于在牛顿第一定律的发展过程中做出贡献的科学家只提及了笛卡尔,其他科学家只字未提,并且主要功劳放在伽利略的研究上,这会让学生误以为科学成果和科学发展只需要少数甚至一个或两个科学家的努力,教材忽视了整个发展过程的连续性,任何一个科学理论都是在历史的进程中慢慢发展成熟起来的,每一个阶段都有为某一个科学理论做出贡献的科学家.

(3)没有体现科学方法的多样性.教材中只介绍了伽利略“理想实验”中所体现的实验——归纳——演绎的研究方法,却忽视了亚里士多德、笛卡尔等为这一理论的形成和发展做出贡献的其他科学家在研究过程中所运用的科学方法,这会导致学生以为科学方法只有伽利略所开创的这一种,不能让学生体会到科学方法的多样性,在一定程度上也磨灭了学生的创新能力.

针对以上3点不足之处,本文将具体采取重演历史的方法完善其物理学史内容的构建.

内容构建:牛顿第一定律每一次的进展都是科学家们在批判的继承前人的基础上通过科学的方法获得的.教师在教课时应当加入物理学史的内容,使学生加深对牛顿第一定律的理解,提高对科学本质的认识.

(1)亚里士多德的研究

在亚里士多德之前,古希腊已经有一些学者对运动现象提出了初步的看法.亚里士多德对于运动的理论主要研究在于“运动的分类”以及“运动的原因”.

亚里士多德将运动划分为两类:自然运动和强迫运动.他认为,所有地面上任何物体的直线上升和向下的运动就是自然运动,凡是自然运动都是加速运动.除了这些自然运动以外的运动都是强迫运动.他认为,一切强迫运动的物体都必须是有推动者在推动着它运动.当推动一个物体运动的力不再推它时,物体就会趋于静止.由此得出了“力是物体运动的原因”的结论.依据这一结论,亚里士多德还推论出“第一推动者”,即任何运动的事物应该都是在被一个推动者推动着运动,而这个推动者又是被另一个运动着的物体推动着运动,后一个推动者又是被另一个运动着的事物推动着运动的,如此等等,……无限地追溯上去,那么必然有第一推动者.他还认为,“第一推动者”是永恒的,自身不动的,不受别的物体推动,而能推动别的物体运动.亚里士多德运用上述运动理论,对抛体运动的原因做出了解释.他认为,一个物体被抛射出去后,会在空中运动一段距离,是因为空气对物体的推动作用,他还反对古希腊原子论者的“自然界存在虚空”这一观点.他的解释是,因为虚空里不存在任何介质,没有外力的作用,如果存在虚空,那么一切物体在虚空里或静止不动,或以相同的速度无限运动下去.我们可以发现,亚里士多德在反对虚空存在的论述中其实已经含有惯性运动思想的萌芽.

虽然他的运动理论以及抛体运动的解释都是错误的,但是正是把力看做物体运动原因的思想,为后人的研究奠定了基础,指明了方向,人们只有通过对力的作用进行深入研究,才可能解释机械运动的本质和规律.他的反对虚空存在的论述对后世的物理学认识活动也产生了一定积极的影响.

(2)中世纪的研究

中世纪,有不少科学家都探讨抛体运动的问题,一种新的理论逐渐流行起来——“冲力理论”.

这种理论的代表人物英国牛津大学的威廉(William of Ockham),他认为运动并不需要外力来推,一旦运动起来就要永远运动下去.他写道:“运动并不能完全与永恒的物体区分开,因为当可以用较少的实体时,就无需用更多的实体.......没有这一额外的东西,就可以对各种运动给予澄清.”对于抛射运动,他给出解释:“当运动物体离开投掷者后,是物体靠自己运动,而不是被任何在它里面或与之有关的动力所推动,因为无法区分运动者和被推动者.”他举磁针吸铁为例,说明要使铁运动并不一定直接接触,并且还进一步设想,这种情况在真空中也能实现.

另外一位批判亚里士多德运动学说的先行者是巴黎大学校长布里丹(F.Buridan).他反对空气是抛射体运动的推动者,他提出了“冲力理论”,即推动者在推动一切物体运动时,便对它施加某种冲力或某种动力.

布里丹的学生,阿尔伯特(A lbert)和奥里斯姆(Nicholas Oresme)发展了冲力理论,阿尔伯特运动冲力来说明落体的加速运动,认为速度越大,冲力也越大,他写道:“根据这个(理论)可以这样说,如果把地球钻通,一重物落入洞里,直趋地心,当落体的中心正处于地心时,物体将继续向前运动(越过地心),因为冲力并未耗尽.而当冲力耗尽后,物体将回落.于是将围绕地心振荡,直到冲力不再存在,才重又静止下来.”

上述理论中,虽然威廉的说法并不等于惯性原理,但是却是走向惯性原理的重要步骤.因为,如果运动不需要原因,一旦发生就要永远持续,亚里士多德的推动说就要从根本上动摇.阿尔伯特的这个例子伽利略在其《两大世界体系》中也有讨论,可见布里丹、阿尔伯特、奥里斯姆的早期工作为伽利略和牛顿开辟了道路.

不论是伽利略还是牛顿,都在自己的著作中留下了冲力理论的烙印.

(3)文艺复兴时期的研究

伽利略是文艺复兴时期诞生的伟大科学家,教材中已经详细介绍了伽利略对于运动理论的研究和主要贡献,在此本文不再赘述.本文重点从文艺复兴时期来分析伽利略研究的时代背景,以此阐明科学的社会性.

14、15世纪的欧洲,资本主义逐渐兴起,资本主义生产的发展,不仅提出了发展科学的需要和课题,也提供了科学发展所需要的大量可供观察的材料和制造实验仪器的物质技术条件.以恢复古代文化的面目出现的“文艺复兴运动”首先出现在最先受到摧残、现在又逐渐恢复元气、资本主义最早得到发展的意大利,并且很快扩大到整个欧洲.他们宣扬“人文主义”,提倡人权,反对神权,提倡思想自由,要求把人的思想、感情和智慧从教会神学的束缚中解放出来,人文主义重视人与自然的统一,积极倡导对自然的研究.伽利略在这种思想极度开放的社会背景下,以确凿的实验事实,严密的逻辑推理和清晰的观点,批驳了亚里士多德的运动学说,阐明了他的运动理论.

(4)笛卡尔的研究

1644年,笛卡尔(Rene Descartes)在《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足.他明确指出,除非物体受到外因的作用,物体将永远保持其静止或运动状态,并且还特地声明,惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动,而只保持在直线上运动,他表述成两条定律:

①每一单独的物质微粒将继续保持统一状态,直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止.

②所有的运动,其本身都是沿直线的.

笛卡尔认识到了惯性定律是解决力学问题的关键所在,他是最早将惯性定律作为原理加以确立,并将其视为整个自然观的基础的科学家,这对牛顿后来的综合工作有着深远的影响.教材中对于这段历史只是一笔带过,但实际上,笛卡尔运用思辨和数学演绎的科学方法使得惯性定律的发展有了一个质的飞跃.

(5)牛顿的综合

牛顿在大学学习期间,接触到了亚里士多德的局部运动理论,后来又接触到伽利略和笛卡尔的著作,受到他们的影响,牛顿开始动力学的研究.1664年上半年,牛顿摆脱了亚里士多德的影响,转而接受伽利略重视实验和数学的观念.笛卡尔关于寻求“自然的第一原因”的思想,也大大激励了牛顿.牛顿对于惯性定律的研究始于对万有引力问题的研究,他大约从1665年开始研究惯性运动,到了1668年才开始将注意力从惯性运动的阐述转向惯性运动的本质,提出惯性是由物体内在的属性——质量决定的.质量概念的建立,才使人们深刻理解和认识惯性的含义,找出它与其他运动定律的内在联系,作为运动第一定律提出来.

在牛顿的手稿中,是他在1665-1666写在笔记本上未发表的论文.这些手稿提到了几乎全部力学的基础概念和定律,对速度给出了定义,对力的概念作了明确的说明.牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出了一系列的定义,以公理的形式提出了三大运动定律(惯性定律、运动定律和作用反作用定律),紧接着又提出了6个推论.牛顿将前人的各部相关的独立成果系统化,综合在一起形成了有逻辑联系的整体.

从教材中,我们发现只提及牛顿总结前人的结果,通过归纳得出了牛顿第一定律——惯性定律.实际上,牛顿对于第一定律的认识过程和总结过程也是相当曲折的,也曾经受到旧观念的束缚,在这一艰辛过程中,建立了质量、力、惯性等一系列的概念之后,才最终建立牛顿第一定律,成为了力学的重要基石之一.教材中的简略交代会误导学生以为科学是靠运气的,成为科学家也是命中注定的,不用付出努力就可以凭借运气简单地总结前人的结果便能得到科学成果,成为为科学事业做出贡献的卓越的科学家.

科学本质:牛顿第一定律的发展历程中包含了丰富的科学本质内容,将这一段物理学史融入到教学中,可以有效提高学生的科学本质观.

(1)科学的社会性.科学思想及其发展史受到社会和历史背景影响的,在评价科学发展时,应该考虑到其所处的社会文化背景.如亚里士多德,他的运动理论虽然是错误的,但是他开启了人们以及后来科学家对于运动研究的大门,他的思想和理论都是受到了当时社会文化的束缚和影响,我们应该正确的评判他对于科学发展所作出的贡献,而不是教材中那样全盘否定.再如伽利略的研究,他之所以取得巨大的成就,使得科学发展向正确的方向发展并且迈了一大步,也有当时文艺复兴那个历史背景的影响.

(2)科学的连续性.科学知识具有相对稳定性,它是不断发展和进步的,不是一成不变的.牛顿第一定律经历了几个时期多位科学家的研究和探讨,最终才得以建立.

(3)科学方法的多样性.同一个问题可以用不同的方法来解决,最终可以得到相同的结果.牛顿第一定律的发展历程中凝结了许多科学方法,比如亚里士多德的“思辨的逻辑”方法,伽利略的“实验-归纳-演绎”方法,笛卡尔的“思辨和数学演绎”方法,牛顿的“分析-综合”方法.

HPS教育理念已经渗透到了世界各国科学教育领域,它的作用与价值不容忽视,物理学作为最基础的一门科学更是需要贯彻实施这一理念,尤其是要充分利用物理学史.笔者认为,借史料学习知识、从原著学习方法、向大师学习精神.物理学史教学既是进行物理本质教育的有效方法,又是培养学生物理兴趣和自学能力的有效途径.

1 丁邦平.科学元勘与科学教学改革的两种模式.全球教育展望, 2001(11):49-53

2 郭奕玲,沈慧君.物理学史.北京:清华大学出版社,2003.21-46

3 胡化凯.物理学史二十讲.合肥:中国科学技术大学出版社, 2009.192-196

4 李艳平,申先甲.物理学史教程.北京:科学出版社,2003.83

5 刘兵,江洋.科学史与教育.上海:上海交通大学出版社,2008. 39

6 田春凤.中学物理课程中科学本质教育的研究.北京师范大学博士论文,2009.99-103

7 吴致远.在大学教学中引入HPS教育的设想.自然辩证法研究, 2009(5):104

8 袁维新.国外科学史融入科学课程的研究综述.比较教育研究, 2005(10):62-63

9 朱钅宏雄.物理学方法概论.北京:清华大学出版社,2008.25,49, 82

2010-05-18)

·教材与教法·