将科学素质培养目标贯穿于教学过程的体会*

房毅 章登宏 陈建华

(华东理工大学物理系 上海 200237)

藤琴①

(上海第二工业大学物理系 上海 200041)

物理学家庞加莱曾说过：“物理学是通过一系列事实、公式和法则建立起来的，就像房子是用砖砌成的一样．但是，如果把一系列事实、公式和法则看成物理学，那就犹如把一堆砖看成房子一样．物理学比组成它的事实、公式和法则要深刻得多．”庞加莱的这席话告诉我们：物理学不仅以其概念、原理、规律和理论的知识揭示了自然界基本运动形式的诸多真理，还以在建立这种知识体系的过程中所凝练和升华出的科学思想、方法来推动科学的持续进步．

科学发展史表明，每一科学上的新发现都不同程度地留下科学家攀登科学巅峰的足迹，为后继者跃上新的高峰提供了宝贵的教益和启迪．把科学过程作为大学物理课程的一个维度，可以使受教育者从前辈科学家那里得到科学思维方法的滋养．这些精神层面的东西是一个当代大学生应具有的内在素质，甚至是一个民族、一个国家的兴衰所系．

基于此，教育部课程指导委员会对非物理类理工学科大学物理课程教学提出了《基本要求》．其中，明确了课程的地位、作用和任务，对能力、素质培养做出了明确的规定．为了实现这一基本目标，倡导在大学物理课程教学过程中，应以培养学生的知识、能力、素质协调发展为目标，认真贯彻以学生为主体、教师为主导的教育理念；遵循学生的认知规律，注重理论联系实际，激发学习兴趣，引导自主学习，鼓励个性发展；加强教学方法和手段的研究与改革，努力营造一个有利于培养学生科学素养和创新意识的教学环境．

1 精心设计教学过程——科学史料是创新源动力

培根说过：“读史使人明智！”课堂上穿插介绍物理学史是可行的，更是必要的．这种介绍不只是简单地讲解，而是应围绕科学素质的培养展开．

以大学物理学中狭义相对论课堂教学为例.如果只是按“常规”教学告诉学生，爱因斯坦由“追光思想实验”发现麦克斯韦方程组与伽利略变换之间发生矛盾，于是就提出“以太”是不必要的.再由爱因斯坦的两个基本假设得到惯性系间时、空坐标的洛伦兹变换，由此变换求解一系列相关的问题．显然，这样的教学过程设计与实施距离《基本要求》是远远不够的.

在物理学的发展史上，“以太”一直是物理学家心中的痛．不仅电磁学需要借助于“以太”调和麦克斯韦方程组与伽利略变换之间的矛盾，就连力学、光学也同样呼唤“以太”．为了寻找它，有不少物理学家甚至为此“奋斗”终身．为什么呢？因为，谁也不敢想象没有“以太”的经典物理学会是什么样子．说到底，谁也不敢抛弃以太，谁也不敢创新．因此，谁也不可能成为爱因斯坦[1，2]！爱因斯坦的创新之路是传奇的．他提出狭义相对论(广义相对论也是如此)完全源于他对物理学理性美追求的冲动．他无法容忍同一种电磁现象用两种不对称的方法去解释．他坚持物理学理论一定遵循“内部完备、结构简洁、和谐对称”的科学思想[3].他继承了伽利略的相对性原理，并创新性地提出了光速不变原理，将相对与绝对的统一发挥到了极致．他的创新之路充满荆棘.他不被理解，甚至遭到恐吓.但他坚持自己的理论，直至一次次被科学事实所证实．围绕科学素质的培养，在教学过程穿插这些已整合过的珍贵史料介绍狭义相对论，引发同学对科学美学的体验，对科学精神的追求，对科学方法的神往，奋发向上、积极创新，这不正是实现培养具有良好科学素质的学生之目标所期待的吗！

2 着重强调过程方法——科学方法是核心竞争力

爱因斯坦曾说过：“教育给予人们无非是当一切已学过的东西都遗忘掉时所剩下的东西”．这种剩下的东西究竟是什么？笔者认为，从长远讲就是科学方法、科学思想和科学精神．其中的科学方法是受教育者走上社会的核心竞争力．

玻尔获得诺贝尔物理学奖的原因在于他“研究原子结构,特别是研究从原子发出的辐射所作出的贡献”，其实，请不要被获奖缘由所迷惑(正如爱因斯坦获奖的原因在于他“在理论物理学上的研究，特别是发现光电效应的定律”，而不是因为创立了相对论、受激辐射理论等所做的贡献)．事实上，玻尔的原子结构模型并不正确，是在不得已的情况下进行的一种假设，它没有抓住原子现象的基本特征，除氢原子外并不适用．但他的一系列理论其深刻意义：在于为经典物理通向量子力学架设了一道不可或缺的桥梁．除了将这一点告诉学生以外，更重要的是要让学生知道，这座桥梁的结构.玻尔创新性提出对应原理与互补原理．对应原理的科学色彩较为浓厚，而互补原理则不然．与其说互补原理是一条原理，倒不如说它是一种哲学，它甚至可以指导我们的生活和人生．玻尔指出：任何概念的确定与应用,都是对客体不同层次、侧面的部分正确的反映与概括, 因而都存在一定的适用范围和不完备性,只有通过互补方法才能达到完美无缺．玻尔并没有对互补原理作出定义式的说明, 想必他更希望人们自己得出互补性的结论,而不是由他本人给出定义强加给人们．以玻尔的互补方法来认识其互补原理, 这才是应采取的科学态度和遵循的方法论原则[4]．这就是科学方法，它对于提升我们的核心竞争力至关重要．

近代物理中充满了科学方法论，经典物理中也不例外，只是需要我们善于挖掘，需要教师潜心致力于科学方法论的教学．

笔者曾为物理系一位同学的“热学”课程答疑，面对他的质疑引发我的思考而设计的课堂讨论场景至今记忆深刻．这位同学课后问这样一个“简单”的问题：“一个内、外径分别为r，R的铁环，一个半径为r的铜球恰好不能通过铁环，现加热铁环，再放入铜球，试问此时铜球能否通过铁环？”我脱口而出，“铁环受热膨胀，铜球当然可以通过铁环”．这位学生仿佛有备而来：“铁环膨胀，R增大，r减小才对呀！铜球怎么会通过铁环呢．”笔者很惊讶，他讲得似乎也有道理．但问题究竟出在哪呢？我告诉他，容我思考，下次上课回答这个问题．在返回市区的校车上，我仍在思考这个问题，盘点解决问题的科学方法：从实验方法到理性方法，从美学方法到哲学方法……豁然开朗．

第二次上课，就这个问题笔者与全班同学展开了讨论．笔者首先设问：“铁环膨胀，R增大，r减小.铜球不会通过铁环考虑的是什么方向上的热胀冷缩？”同学们异口同声回答：“径向”．“仅仅考虑径向是否全面？”笔者接着问．思考片刻，有同学说：“圆周方向也应考虑热胀冷缩”.“这样的话，内外径均会增大．”有同学补充道．“铁环的径向膨胀真的会使R增大，r减小吗？”笔者接着问同学：“什么条件下棒受热会向两端膨胀”．“两端可自由伸展的棒”同学们答道．“圆环的径向可否自由伸展？”笔者紧追不舍．同学们恍然大悟……原来圆环的内圆周长度变长直接限制了径向受热向两端膨胀，即径向膨胀只能沿径向向外.

图1

如图1(a)所示，A，B均远离O点，且最终效应为AB只沿A向着B方向膨胀．最后，笔者趁热打

铁，要求同学们总结解决这一问题的科学方法．同学们几乎不约而同地说：将圆环分解成若干个宽度无限小的同心圆，如图1(b)所示；将圆环沿径向分解成若干根圆心角无限小的细棒，如图1(a)所示.分别考虑圆、细棒各自的热胀冷缩，再考虑圆环整体的热胀冷缩体现出的是分析综合法．笔者进一步提示：“仅考虑径向膨胀或仅考虑圆周方向的膨胀是否完整？认识是否准确？”同学答：“只有将圆周方向的热胀冷缩与沿径向热胀冷缩这两方面综合考虑才能对圆环热胀冷缩的本质做出完整的描述.”笔者追问：“这体现出一种什么思想？”“原来是玻尔的互补原理啊……”同学们恍然大悟.

这一貌似不是问题的问题在教师的一步步提示和引导下，学生积极主动参与课堂教学过程，最终寻求得到正确的解答，更重要的是他们同时经历了一次科学方法陶冶的过程．

3 结束语

课堂教学是神圣的，教师应珍惜每一次站在讲台上的机会，在传授内容和知识的过程中，不断地探讨怎样更多地承载其他东西，努力把握以知识为载体传递思想、方法[5]．在《基本要求》的指导下始终坚持将科学素质视为教学目标的重中之重．只要教师视人才素质培养为己任，为自己所选择的教育事业倾心付出，就一定会在训练大学生的科学心智历程中独树一帜．

参考文献

1 何圣静.物理定律的形成与发展.北京：测绘出版社，1988.349

2 戴念祖.爱因斯坦在中国及其创建狭义相对论的历史背景．物理，2005(7)：476～479

3 袁运开,王顺义.世界科技英才录(科学思想卷).上海：上海科技教育出版社，1998.196～202

4 陈建中.怎样科学地认识玻尔的互补原理.山西师大学报(社会科学版),1998(4):1～4

5 卢德馨.研究性教学20年.北京：清华大学出版社，2008.43～44