科学素养教育在大学理科教学中的实践

郭 惠 周诗文 庾名槐

(海南大学材料与化工学院, 海南 海口 570228)

·大学物理园地·

科学素养教育在大学理科教学中的实践

郭 惠 周诗文 庾名槐

(海南大学材料与化工学院, 海南 海口 570228)

中学阶段把新一轮物理课程改革的总目标定为“培养学生的科学素养”．因此,对于刚从中学考入大学的新生而言,大学公共基础课的教学要乘势追击,要以进一步提高大学生的科学素养为目标展开教学．大学物理是所有理科的基础学科的特点决定了它身兼科学素养教育的重任．本文通过静磁场教学实例来讨论如何实施科学素养教育目标．

翻转课堂；静磁场；物理学史；科学素养

1 引言

如今,丰富的在线学习资源,例如慕课资源等,使得学习变得更加方便易学．但从多年教学经验看来,无论教学资源的丰富与否,许多学生谈物理色变,使得物理学习变得了无生趣和被动．物理学是研究物质运动的科学,所揭示的是大自然的奥秘,与我们的生活实践、科学技术的发展紧密相关,是一门实验科学．如果教学中多和学生谈谈物理科学的研究过程,不是一味地搬运知识,而加强科学素养的培育,或能激发学生内在的学习兴趣．充分利用课下资源进行翻转课堂,先课前导学,后回到课堂把抽象的物理知识与实践结合,与生活实际结合,使之变成生动活泼的生活现实,从而使学生有效地掌握所学的知识,使得知识真正实现内化．

科学素养是一个很难确切说明的概念,具有非常深刻而丰富的内涵．英文中,科学素养是(scientific literacy),它指的是一种长期积淀下来的习惯、素养,是一种获得以及解决实际问题的具体知识和办法．[1]百度百科上给出国际上对科学素养的普遍定义,将科学素养概括为3个组成部分,即对于科学知识达到基本的了解程度;对科学的研究过程和方法达到基本的了解程度;对于科学技术对社会和个人所产生的影响达到基本的了解程度．目前各国在测度本国公众科学素养时普遍采用这个标准．只有在上述3个方面都达到要求者才算是具备基本科学素养的公众．

对于大学生而言达到基本科学素养只是基本要求,更应该提高科学素养．大学物理是大学理工科类的一门基础课程,通过课程的学习,使学生熟悉自然界物质的结构、性质、相互作用及其运动的基本规律,为后继专业基础与专业课程的学习及进一步获取有关知识奠定必要的物理基础．因此,大学物理课程的学习对于提高科学素养水平具有突出重要的作用．本文以静磁场一章为例按照科学素养的普遍定义来讨论科学素养教育目标实施方案．

2 静磁场翻转课堂中的科学素养培养

2.1 从物理学史话说物理知识,在知识传授中渗透批判质疑的科学精神与人文教育

通常学生读教材时很容易走入一个误区,认为教材里所说的都是正确的,很少有质疑的学生,有的学生从没有去想教材中是否有误.对于青年学生而言,如有敢于发出的质疑声音,应该被保护和鼓励起来．在授课中,除了正确的知识,可以讲历史上的错误的科学认识,让学生去感受人类认识的实质是螺旋发展的过程．

在学习电磁场知识的过程中,“场”概念的形成是困难的．一般教科书里采用的讲述方式和历史上研究发现的顺序不一样,实际上,电场和磁场,这些概念是后来人们逐步认识的．

例如，我们首先讲磁场和磁感应强度．在奥斯特的实验当中,磁针由于电流偏转说明电流与磁石一样它是磁源,它可以产生磁场,或者我们可以说电流在其周围产生了磁场,因为电流实际是定向运动的电荷,我们也可以推测运动电荷产生磁场,那么磁场到底有什么性质呢?

那么，这个学习目标是要讲磁场和磁感应强度,作为读者学完上述内容后将作何感慨呢?即便是一个刚学物理的新人而言,这样的物理故事听起来是很轻松的．而这些内容的学习可以在慕课模式下的微视频中讲授,让学生先行学完,在翻转课堂上,[3]我们可以通过以下问题设问,如请几个学生说说奥斯特发现电流磁效应的故事.磁感应强度为什么不能像电场强度一样直接叫磁场强度呢?从中使得学生加深理解磁感应强度概念的内涵,也能正确理解磁场强度概念．

人类探索和逐步认识物理世界的现象、结构、特性、规律和本质的历程中它们也存在错误的认识,也不是一步就走向真理的彼岸．那么,学生们的学习,又何尝不是这样的呢,在知识获得途中,要不怕出错．对于教师在课堂的教学中要能和学生去分享这个感受,以便达到科学素养教育目标．

2.2 用物理学家的科学思维帮助学生了解科学研究的过程,进而掌握科学方法

教学中的难点, 常常是科学发展史上难以攻克的科学难题;教学中的重点, 也正是科学发展史上关键性的突破和物理学大师们伟大贡献的精华所在．它包含了认识论和方法论的因素, 包含着深刻的物理思想和观念的变革, 包含着探索者的思索．

例如,关于毕萨拉定律及其应用的教学．毕萨拉定律其实是毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律．毕奥-萨伐尔做实验的思路其实是和库仑的想法是一样的．因为奥斯特发现了电流磁效应,他们就想假如要知道小的电流元产生的磁场的话,通过叠加原理就可以知道整段的电流产生的磁场.这个电流元是个矢量,其实就是电流上取的一小段,这是一个有方向的小段线段,它的大小等于通以的电流乘以这个线段长度，方向为电流的方向.那么，它在某一点产生的磁场应该是怎样的呢?假设这个电流元到这个场点的矢径是r,他们做实验时发现产生的磁场不是沿着这个矢径的方向,而是垂直于电流元和矢径构成的这个平面,毕奥-萨伐尔做了这个实验发现了其中的规律．可是他们没办法用数学表达式表示出来,因为这个规律比起库仑定律来说,还是稍微复杂的,由于拉普拉斯数学非常好,他帮助他们写出了数学表达式．[2]

毕萨拉定律是静磁场教学的重点,通过该定律可以求解稳恒电流激发磁场的强弱问题,然而,学生在学习时不明白电流元是什么.把该内容做成微课视频后,通过讲述物理学家研究该定律的过程的科学思维活动,学生们不仅能掌握科学知识,而且还能感受到科学研究过程中重要的类比方法．

再如,关于静磁场高斯定理的教学．经过逻辑推理后得到的磁场高斯定理揭示了磁场的基本性质,静磁场是个无源场．当然，这样讲述就完成了科学知识的讲授,可是课程却乏味无趣．于是就类比电荷提出了磁荷即磁单极子的概念．假如有磁荷,磁场的高斯定理右边也不应该是0,应该也有磁荷这一项．在1931年,狄拉克通过量子力学原理和电磁规范性质预言了磁单极子的存在．狄拉克还发现磁荷和电荷的乘积是普朗克常量的整数倍．[2]他就用这个式子来解释,为什么电荷是量子化的,但是计算的磁荷质量比较大,它一般不可能在加速器中产生,所以科学家们就期待在宇宙射线中兴许可以发现磁单极子．他们用超导线圈放在某个地方“守株待兔”,等磁单极子穿过这个超导线圈,磁单极子穿过超导线圈的时候,预计有电流跃变的信号,这个是可以计算出来的,曾经有斯坦福的几位物理学家激动过一次,他们声称探测过电流跃变的信号,但后来再也没有探测到过,别人也没有探测到过.所以到目前为止,认为实验上还没有发现磁单极子．这样讲授，不会使得学生感到课程枯燥无趣,自然可以推动有效学习．这个学习过程让学生明白揭示自然规律的重要方法,提出理论,实验证实．可见, 深入挖掘物理定律的认识史是提高大学生科学素养的一种重要载体．

2.3 应用物理理论技术引领学生经历科学素养的自我教育及其提高过程

在大学基础物理教学中将抽象难懂的物理知识与理论在科学技术中的应用,呈现在学生面前,十分有利于提高学生的学习兴趣,进而可引导学生自主进行相关知识的学习,从而使学生经历科学素养的自我提高和教育过程．

例如,关于霍尔效应的教学．霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现,它定义了磁场和霍尔电压之间的关系．这里要求学生在微课视频中学习原理,然后设计一些问题,在课堂上讨论最终让学生获得知识．像霍尔效应的研究进展怎样?实验条件是什么?学生通过讨论势必能拓展知识．

霍尔效应发现约100年后,德国物理学家冯·克利青等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应,这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一.为此,冯·克利青获得了1985年的诺贝尔物理学奖．之后,美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应,这个发现使人们对量子现象的认识更进了一步,他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖．这样的讨论不仅使学生了解了霍尔效应,而且也知道了量子霍尔效应和分数量子霍尔效应．

紧接着追问霍尔效应的应用技术有哪些?例如，测量半导体载流子种类;测量半导体载流子浓度;测磁场等．特别是随着纳米技术的发展,把霍尔元件做得越来越小,小到可以放在原子显微镜的针尖上,与AFM结合后,就可以得到样品表面局部的磁场分布．要认识这些先进的技术,学生必须进行自我教育,从而有效培养学生的学习主动性.

3 结语

综上所述,本文从科学认识本身的特点出发,探讨利用翻转教学的模式来渗透科学素养的教育.笔者建议，不仅在大学物理教学中需要研究、实施科学素养的教育目标,其他的理工科类的教学中也应该融入生动的史例、问题的探究和应用的拓展.这样，教学不仅能完成好科学知识的教学,而且也使得学生的科学素养进一步得到提高．大学理科基础教育不应成为应试的教育,应该鼓励理工科大学生发展创新思维,使他们在素质、能力和知识诸方面都得到发展．

1 叶禹卿.科学新课程与科学素质培养[M].北京： 中国纺织出版社,2002： 81.

2 赵凯华,陈熙谋.电磁学(第3版)[M].北京:高等教育出版社, 2011.

3 曾明星,蔡国民,覃遵跃等.基于翻转课堂的研讨式教学模式及实施路径[J]. 高等农业教育，2015(1): 76.

本文系海南省教育教学规划课题“大学物理案例教学探究”(课题编号： QJY1251516)； 海南省教育教学规划课题“基于物理文化的教育功能研究与实践”(课题编号： QJY125011)研究成果.

2017-01-11)