物理教学中科学素养培养例谈

朱崇军

科学教育承担着培养公民科学素质的重任. 提高科学素养是义务教育物理课程的基本理念之一，是课程设计的宗旨. 由“课程标准”可以看出，教育的顶层设计对提高学生“科学素养”的重视，但我们的课堂教学和一些教师自身的科学素养，却不能适应这一要求. 相关学者研究表明，我国理科教师对科学本质的认识不足，教学中非科学和伪科学的行为普遍存在.[1]根据笔者对课堂教学的长期观察似乎也印证了这一观点.

鉴于科学本质是科学素养的核心命题，我们就有必要了解“什么是科学”. 从事科学研究，遇事问个为什么，不满足于古老的神话传说，而是采用一定的方法，通过一定的途径，系统性地连续提出问题，进而解决问题——这就是古希腊时欧洲理性文化的诞生.[2]笔者有这样的体会，对于很多事情，不问，似乎还觉得清楚，越问反而会觉得越糊涂. 对于“科学”也大体如此. 当不深究“什么是科学”时，自信自己已清楚了“什么是科学”，但当要清晰地回答“什么是科学”时，却又感到自己十分浅薄. 相关的阅读使笔者认识到，要寻找“确定的答案”本身，也许就是非科学的. 对于科学本质，尽管不同领域的专家对其内涵存在争议，但仍有这样一些共识：科学知识兼具持久性和暂时性；科学知识依赖于观察、实验证据、合理的争论即怀疑态度；科学不存在一种普适的按部就班的方法；科学是解释自然现象的一种尝试；科学思想受到社会和历史背景的影响等.

应试教育使我们缺乏时间和精力去围绕“什么是科学”这类问题作深度的阅读和研究，因此，科学素养意识也就难以建立，从而也就使教育丧失了培养公民科学素养应发挥的作用. 如以下几个示例，在部分教师看来也许毫无价值，但在笔者看来却有利于对学生科学素养的培养.

示例1 结论其实有时并非定论

某课堂上，在《利用体重计和方格纸测量人站立时对地面的压强》[3]活动中，按照图示及所给方法求出脚底所占的面积. 老师提名要求的八位同学给出的面积分别是：153、154、157、162、163、165、165、178.课后，笔者又以另一班学生为样本，做了测试，情况也大体如此.

出现这种情况，教师一般采取三种办法. 其一是要求学生“再认真数”，以期得到教师期望得到的结果；其二是在数据差距不大情况下，将其当成误差来处理；其三是教师给出一个“标准答案”. 这三种方法都有一个潜在的目的——尽快得出结果，以便应用公式求出“人对地面的压强”.

面对同一对象，却出现如此不同的众多数据，这是一个有趣的话题，是一个能激发学生兴趣的话题，也是一个可以拓展的深邃话题. 面对这种情况，如果急于得出一个结果，并应用这个结果去解题，这就不是科学态度；如果，问个“为什么”，我们就在引导学生走近科学. 有关认识论的研究指出，个人对于知识本质的信念会影响其认知学习和对信息的诠释. 在进行议题的判断决策时，一个认为知识不变的人，会仅以记忆中的经验知识做决定，无法接受多元观点并做深入思考；相反，了解知识不确定性和可变性的人，则倾向于做高层次的思考，并能从多元角度分析事件的争论点. 因此，以议题决策为中心的教学，可以培养学生反思和主动学习、参与讨论的过程，有效提升学生的批判思考能力.

示例2 本源其实是信念

如铁屑分布与磁感线之间的关系.

一般认为，教材中《几种常见的磁场》这部分内容，是没有难度的，是通过对实验现象的观察容易得到结论的内容，其实并不尽然. 有一次在省级骨干教师培训班上，有一位老师以此为课题，执教一节教学观摩课. 课上，学生分组做了探究《通电直导线周围磁场分布》实验. 从操作的层面看，这个实验并不难，难就难在能否在实验现象与实验结论之间建立一种令人信服的联系.

实验的结果是，硬纸板上出现了应该出现的正常的铁屑分布，学生当然也不难观察到铁屑的分布规律. 当老师问磁感线的分布情况时，学生干脆回答是“圆”. 将铁屑分布等同于一系列同心圆，和从铁屑分布现象抽象出磁感线是一系列同心圆，从理性角度讲，它们都是生硬的. 应该说，这里有猜想与假设、对自然规律所持的某些信念参与其中. 怀特海在《科学的起源》中指出，如果没有一种本能的信念，相信事物中存在着一定的秩序，尤其是相信自然界中存在着秩序，那么，现代科学就不可能存在.[4] 对于这个实验，信念也许就是“磁感线应该是简洁、对称和美的”. 从无数铁屑的分布现象中选择不同的有限数目的铁屑，它们可以组成圆、椭圆、中心不在导线处的圆等图形，只有将对称性判断与铁屑分布现象相结合，才能较好地解释得出的结论. 考虑到对称性，我们也才能较好地解释，为何要将硬纸板放在与直导线垂直的位置上这个潜在问题，考虑到对称性，通电直导线周围磁场的立体分布才不难想象.

又如描点作图是我们寻找规律的重要手段，但从描点到图象的形成又似乎并不那么简单. 当一个规律表现为因变量是自变量的二次函数时，在剔除“异常点”之后，再用平滑曲线连接有限的实验数据点，这样的曲线就是要寻找的规律；而当一个规律表现为因变量是自变量的一次函数时，则要在剔除“异常点”之后，用一直线去尽量靠近所有的实验数据点，让实验数据点尽量平均分布在这条直线的两侧，这样的直线就是要寻找的规律. 这样的作图法，隐含着这样一个深刻的疑问，即实验数据点竟与“规律”不吻合，而人为画出的“曲线”或“直线”竟然是“规律”？

这“曲线”或“直线”看似来自于实验，实际是来自于假设和概括. 每一种概括在某种程度上都隐含对自然界的统一性和简单性的信念. 任何事实都能够以无限的方式概括，它是一个选择问题. 选择只能够受简单性的考虑的引导.[5]蒯因把人类的知识或信念比做一个力场. 它的边界是经验，离经验最近的是关于经验的概括命题，其次是最为普遍的自然定律，最中心的是逻辑学知识和本体论信念.

科学即是提供系统的解释，但解释有极限. 如果将这极限称为本源，可见本源是不可解释的，当然本源又是可变的. 本源可以是规定、公理和信念等. 哥白尼革命是全部科学史中最为迷人的事件，它标志着近代物理学的诞生，它也是一个信念在科学发展中发挥作用的典型范例. 相对于托勒密的地心说，哥白尼向新世界观的转变，只不过是在那时复兴的柏拉图主义的鼓舞下，把复杂的几何迷宫在数学上简化为一个美丽、简单、和谐的体系的结果. 在哥白尼的日心说革命遇到重重困难时，为了反对那些重要异议，他只能声明，他的观念把天文学事实抛入了一个比较简单、和谐的数学秩序之中，把托勒密体系中的84个本轮减少到了自己体系中的34个. 数学在哥白尼这里是以信念和审美的身份出现的.[6]

示例3 探究无定式

一位教师执教《自由落体运动》中的一个片段.同学们注意，下面我做这样一个游戏（可视为一个实验，也可视为一种幽默）：我捏着这张十元面额的新纸币的上端，让纸币自由下垂. 大家推荐一位反应敏捷的同学到台前，将手放在纸币的最下端，做好捏住纸币的准备，眼睛看着我捏纸币的手指，当发现我松开手指的时候，这位同学就立即捏纸币，谁能捏住，这张纸币就归谁. 操作办法和规则介绍刚完毕，个个都跃跃欲试，被推荐反应敏捷的也不是一个人选. 老师指定A同学. A同学，带着极端的兴奋和几分自豪走到台前. 操作开始，A生全神贯注. 当没有捏住时，他就说自己还没有准备好，并要求再来；当捏住时，下面同学的意见又有分歧：有的说A违反规则，有的又说A遵守了规则.

一个简单的操作，出现了两个对立的结果，即捏住和捏不住. 捏不住，A同学认为自己准备不够充分；捏住了，在全体同学中又出现了“守规”和“违规”两种对立的判断. 对立就是矛盾，矛盾带来争论，消弭争论就需寻找对策.

对策之一是依赖知识，知识提供给我们的依据是，一般人的反应时间大约是0.2秒，而十元纸币自由下落的高度达到它的长度时所需的时间大约是0.17秒. 以此作为判断的依据，若捏住，A同学是违规的. 但0.2秒是统计的结果，而参与操作的A同学的反应时间极有可能小于0.17秒，所以，要判断A同学是否违规，我们还要做更多的工作. 看来应用科学知识来解决问题，并不能生搬硬套，而是要具体情况具体分析.

对策之二是多次测试（即实验），但次数越多，就如抛掷硬币一样，其捏住和捏不住的概率就越趋向50%，即使是70%或30%，似乎也不足以消除争论.

对策之三是依赖票决，即多数同学认为A同学违规，A同学即违规. 但看到的又未必是真实的，即科学问题是不能采取票决的. 因此，票决在这件事上也行不通.

我们往往认为探究有一定的程式和固定的要素（或部分要素），在课程标准中可以找到依据，并在教科书中有相关且是重要命题时才进行探究. 其实，只要我们能创设适宜的情境，给学生自主和自由的时间与空间，减轻知识和习题教学的压迫，相信学生（有关研究者认为，教师对学生能力的有限性看法是进行以学生为中心进行教学的障碍，在进行新课程开发的时候，应该确定和考虑教师已有的信念结构[1]），探究是随时随地都可以发生的.

也许有人认为，类似以上的事例只是在浪费学生的宝贵时间，但卢梭说：“误用光阴比虚掷光阴损失更大，教育错了的儿童比未受教育的儿童离教育更远.”[7]我国科学课堂中对科学本质认识的迷思（表现为四个方面：演绎和推理的强化训练、僵化地认识科学、个人主义的观点、排他的分析观），非常不利于学生科学素养的形成，第八次中国公民科学素养调查的结果已证明了这一点. 托马斯·库恩指出，在科学的诸多方面中，教学形式比其他任一方面都更能决定我们关于科学本质的形象以及发现和发明在科学进展中的作用等问题的看法. 我们真应该好好反思自己的教学行为对学生科学素养形成的影响.

参考文献：

[1] 王晶莹. 科学探究论[M]. 上海：华东师范大学出版社，2011：17，94，9，89，86，84，105，94.

[2] 汉斯·波塞尔. 科学：什么是科学[M]. 李文潮译. 上海：三联书店，2002：1，29.

[3] 刘炳升.物理（八年级下册）[M].南京：江苏科技出版社，2007：78.

[4] 怀特海. 科学家的辩白[M]. 毛虹，等译.南京：江苏人民出版社，1999：162.

[5]昂利·彭加勒. 科学与假设[M].李醒民译. 商务印书馆，2006：121.

[6]托马斯·库恩. 哥白尼革命[M]. 吴国盛译.北京：北京大学出版社，2003：178.

[7]周国平.人生哲思录[M]. 上海：上海辞书出版社，2011：447.

[8] 托马斯·库恩. 科学革命的结构[M]. 金吾伦译.北京：北京大学出版社，2003：129.