楊蓉 彭朝陽

培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)的公民是科學(xué)教育的教育目標(biāo),而科學(xué)本質(zhì)又是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。在我國,義務(wù)教育階段的物理課程培養(yǎng)目標(biāo)在《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)》中定位為:“提高全體學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)”。此外,為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生的終身發(fā)展,《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)》提出“要進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”。因此,培養(yǎng)并提高學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀就成為科學(xué)教育的重要目標(biāo)之一和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的核心成分之一。因此,在物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)并滲透科學(xué)本質(zhì),通過課堂教學(xué),有意識地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀就顯得尤為重要。

1科學(xué)本質(zhì)觀的內(nèi)涵

科學(xué)本質(zhì)觀即對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。對科學(xué)本質(zhì)的界定眾多,每個(gè)界定之間都有區(qū)別,但許多研究者通過對科學(xué)發(fā)展的歷史和科學(xué)研究的對象、過程、方法、科學(xué)研究的成果等方面的考察,認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)主要包括“科學(xué)知識的本質(zhì)”,“科學(xué)探究的本質(zhì)”和“科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)”三個(gè)維度。其各維度的特征如下。

1.1 科學(xué)知識的本質(zhì)

(1)客觀性?？茖W(xué)是對客觀世界認(rèn)識性的解釋。(2)暫定性?？茖W(xué)知識并非絕對真理,會隨新證據(jù)的出現(xiàn)而發(fā)生改變。(3)可檢驗(yàn)性?？茖W(xué)的正確性決定于觀察和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。(4)繼承性與創(chuàng)造性?？茖W(xué)是人類在已有理論基礎(chǔ)上通過合理的推理、想象和創(chuàng)造的。

1.2 科學(xué)探究的本質(zhì)

(1)多樣性?？茖W(xué)探究的過程及方法不是按部就班的,對同一問題可能有不同的解決方法。(2)理論滲透。研究者本身的理論滲透于科學(xué)探究的過程中。(3)可重復(fù)性。(4)觀察和推論。科學(xué)知識是建立在觀察和推論基礎(chǔ)之上的。觀察是通過人的感官或這些感官的擴(kuò)展收集的,推論是對這些觀察的解釋。(5)想象與推理。

1.3 科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)

(1)道德性?？茖W(xué)研究中有普遍接受的道德規(guī)范。(2)科學(xué)家研究風(fēng)格。科學(xué)家的社會文化背景會影響其研究風(fēng)格。(3)科學(xué)與技術(shù)?？茖W(xué)研究的是“是什么”的問題,技術(shù)研究的是“怎么做”的問題,科學(xué)的進(jìn)步推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,兩者不等同,會相互作用。

2“科學(xué)的轉(zhuǎn)折:光的粒子性”一節(jié)中體現(xiàn)的科學(xué)本質(zhì)觀

本節(jié)內(nèi)容中體現(xiàn)了當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)的九個(gè)方面:即科學(xué)知識的暫定性、客觀性、可驗(yàn)證性、繼承性與創(chuàng)新性;科學(xué)探究的可重復(fù)性,理論滲透,想象與推理;科學(xué)與技術(shù),科學(xué)家研究風(fēng)格和科學(xué)研究的道德性。

3“科學(xué)的轉(zhuǎn)折:光的粒子性”一節(jié)教學(xué)目標(biāo)的構(gòu)建

教學(xué)目標(biāo)對整個(gè)教學(xué)行為和教學(xué)認(rèn)識活動(dòng)的設(shè)計(jì)具有導(dǎo)向作用。已有研究表明,科學(xué)本質(zhì)理解是一種認(rèn)知性學(xué)習(xí)結(jié)果。因此,將科學(xué)本質(zhì)理解作為顯性教學(xué)目標(biāo)是進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的前提[1]。

本節(jié)的課的教學(xué)目標(biāo)可確定為以下幾個(gè)方面。

3.1 知識與技能

(1)通過實(shí)驗(yàn)觀察,了解是光電效應(yīng)。(2)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。(3)知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。(4)了解康普頓效應(yīng),了解光子的動(dòng)量。(5)知道光子的模型的建立過程及對康普頓效應(yīng)的解釋作用。

3.2 過程與方法

對光電子模型的產(chǎn)生方式進(jìn)行探究、反思和評價(jià)其合理性。讓學(xué)生領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧,發(fā)展學(xué)生對科學(xué)的好奇心與求知欲。

3.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

體會假說與模型建立在構(gòu)建立科學(xué)論知識中的作用。讓學(xué)生體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅,從而提升學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀。

4教學(xué)過程設(shè)計(jì)

已有研究表明,在教學(xué)活動(dòng)中通過顯性和反思性活動(dòng)能讓學(xué)生更近一步的理解科學(xué)的本質(zhì)。故教師在教學(xué)中應(yīng)恰到好處地不斷地重現(xiàn)合符科學(xué)本質(zhì)觀的語言,使學(xué)生漸漸建立科學(xué)本質(zhì)觀。例如:教師的教學(xué)語言中應(yīng)該經(jīng)常含有“觀察”、“推論”、“猜測”、“可能是”、“支持”、“提出”等詞語。在顯性活動(dòng)中,注意區(qū)別觀察和推論,注重知識的產(chǎn)生方式。在反思性活動(dòng)中,要讓學(xué)生清晰回顧知識學(xué)習(xí)的過程,對知識的產(chǎn)生方式進(jìn)行反思,綜合評價(jià)知識的合理性,使學(xué)生對于科學(xué)理論的本質(zhì)有一定的認(rèn)識[4]。

4.1 引入新課

光的干涉、衍射現(xiàn)象及麥克斯韋的理論都確定了光的電磁波本質(zhì)。然而,正當(dāng)人們以為光的波動(dòng)理論似乎非常完美的時(shí)候,又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說無法解釋的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)現(xiàn)象。這一現(xiàn)象及其相關(guān)問題的研究,使得人們對光的又一本質(zhì)性認(rèn)識得到了發(fā)展,這充分說明了科學(xué)理論具有暫定性,只要證據(jù)充分,原有的理論將會被修正推翻。

4.2 新課教學(xué)

4.2.1 光電效應(yīng)規(guī)律的探究過程

資料(1):1887年,赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶爾發(fā)現(xiàn),接收電路的間隙如果收到光照,就更容易發(fā)生電火花,這是最早發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。

資料(2):1902年,德國物理學(xué)家勒納德通過實(shí)驗(yàn)找到了光電效應(yīng)的兩條實(shí)驗(yàn)規(guī)律:①存在一個(gè)照射光的最長波長,只有短于這個(gè)波長的光的照射,才能將電子從金屬表面打出來;②光的強(qiáng)度只決定打出電子的數(shù)目,與打出電子的能量無關(guān)。這兩條實(shí)驗(yàn)規(guī)律無論用經(jīng)典的微粒說還是波動(dòng)說都無法解釋。

資料(3):英國物理學(xué)家J.J湯姆孫也做了光電效應(yīng)的研究,相繼證實(shí)了照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出。

[顯性語言]從光電效應(yīng)的首次發(fā)現(xiàn)直至被許多科學(xué)家關(guān)注并證實(shí)的這一過程充分體現(xiàn)了科學(xué)探究的過程的可重復(fù)性。但如果只在某一個(gè)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了某個(gè)現(xiàn)象,那這個(gè)探究稱不上是科學(xué)的探究過程[3]。

4.2.2 探究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

[方式]結(jié)合試驗(yàn),通過科學(xué)探究方式,讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程,進(jìn)而讓學(xué)生初步理解科學(xué)探究的本質(zhì)。

[內(nèi)容]光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律講解。

[討論]為什么經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律?

[顯性語言]在發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)后,光的電磁理論只能部分地解釋光電效應(yīng)。而接受了普朗克能量子假說的愛因斯坦卻是從光的粒子性角度來思考光電效應(yīng)現(xiàn)象,并提出了愛因斯坦光電效應(yīng)方程,使光電效應(yīng)中與實(shí)驗(yàn)的矛盾迎刃而解。這說明科學(xué)家具有的理論背景將在很大程度上影響研究者研究問題的視角和方式。對同一個(gè)自然現(xiàn)象,不同的科學(xué)家可能會有不同的觀察結(jié)果,科學(xué)探究的過程滲透著理論。

4.2.3 愛因斯坦光電效應(yīng)方程的建構(gòu)

資料(4):1900年,普朗克提出能量子假說。

資料(5):1905年,愛因斯坦提出光量子假說,建立光量子理論。

[顯性語言]愛因斯坦的“光子假說”是在繼承了前人普朗克的“能量子假說”,的基礎(chǔ)上進(jìn)行而提出的,這充分說明了科學(xué)知識本質(zhì)的繼承性和創(chuàng)新性。

[內(nèi)容]光量子假設(shè)的內(nèi)容及愛因斯坦光電效應(yīng)方程的知識講解。

[顯性語言]愛因斯坦利用光量子理論解釋了光的粒子性,是建立在赫茲、勒納德、湯姆孫等人實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上的,這也體現(xiàn)出科學(xué)知識的客觀性。

資料(6):從1907年起,美國物理學(xué)家密立根,花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn),結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)方程,h的值與理論值完全一致,又一次證明了“光量子”理論的正確。

[顯性語言]愛因斯坦提出光電效應(yīng)的解釋時(shí),實(shí)驗(yàn)測量尚不精確,加上這種觀點(diǎn)與以往的觀點(diǎn)大相徑庭,因此并未立即得到承認(rèn)。直到密立根通過實(shí)驗(yàn)才證明了愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋是合理的,這正體現(xiàn)了科學(xué)知識是可以被檢驗(yàn)的。而愛因斯坦由于發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的規(guī)律獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),也說明了科學(xué)知識需要接受科學(xué)大眾的檢驗(yàn)。

資料(7):1923年,康普頓做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外,還有比入射線波長更長的射線,其波長的改變量與散射角有關(guān),而與入射線波長和散射物質(zhì)都無關(guān)。

[內(nèi)容]康普頓效應(yīng)及光子動(dòng)量的知識講解。

[顯性語言]普朗克的能量子和愛因斯坦的光子并沒有被肉眼實(shí)際觀測到,這些假說的提出完全依賴于這些杰出科學(xué)家的想象和對觀察到的現(xiàn)象的推理?？茖W(xué)探究并非一定是按提出問題、分析數(shù)據(jù)等步驟進(jìn)行,科學(xué)家的思維具有跳躍性,想象和推理在科學(xué)探究的過程中起了很大的作用。但科學(xué)的想象和推理需建立在客觀事實(shí)的基礎(chǔ)上。

4.3 討論與反思性評價(jià)

(1)為什么愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋和康普頓對康普頓效應(yīng)的解釋能為大多數(shù)人所接受?

(2)愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋和康普頓對康普頓效應(yīng)的解釋是不是就是完美無缺的呢？

(3)分析光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)對光具有粒子性的解釋過程,你受到什么啟示?

4.4 作業(yè)設(shè)計(jì)

對于學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的評價(jià)性作業(yè)可以從以下三個(gè)方面來進(jìn)行:(1)評價(jià)學(xué)生對于科學(xué)內(nèi)容的理解;(2)評價(jià)學(xué)生對科學(xué)知識產(chǎn)生方式的理解;(3)評價(jià)學(xué)生對于科學(xué)知識合理性的理解[1]。按照教學(xué)目標(biāo),可以設(shè)計(jì)以下作業(yè)。

(1)描述光電效應(yīng)規(guī)律及愛因斯坦光電效應(yīng)方程;(2)描述康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量;(3)你能觀察到普朗克的能量子和愛因斯坦的光子嗎？你相信存在能量子和光子嗎？請說明理由;(4)你認(rèn)為光子模型的建立合理嗎?請你給出觀點(diǎn);(5)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)對光具有粒子性的解釋合理嗎？請你給出觀點(diǎn)。

4.5 課外知識補(bǔ)充

(1)介紹太陽能電池、光電管、光控繼電器的制作原理。讓學(xué)生體會科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別及相互關(guān)系;(2)介紹愛因斯坦、密立根及康普頓的相關(guān)生活背景,讓學(xué)生了解他們的科學(xué)研究風(fēng)格。

5結(jié)語

基于科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)不僅有助于學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解,還有助于學(xué)生理解科學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的批判精神和創(chuàng)造性思維。為了能在教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì),提升學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀,教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用多種教學(xué)方法和教學(xué)策略,但一堂課中不需要,也不應(yīng)該涉及科學(xué)本質(zhì)的所有方面,而應(yīng)該選取最適合這堂課內(nèi)容的相關(guān)方面進(jìn)行重點(diǎn)引導(dǎo)和闡釋。

參考文獻(xiàn)

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