物理学科教学 [试论物理学科教学中科学精神的培养]

DOI :10. 15977/j . cn ki . cn32-1555/g4. 2005. 03. 016

2005年9月扬州教育学院学报第23卷第3期Journal of Y angz hou College of Education

Sept . 2005

Vol . 23, N o . 3

试论物理学科教学中科学精神的培养

杨　发　文

(扬州教育学院物理系, 江苏高邮　225600)

　　摘　要:科学精神与科学知识、科学方法一样, 是构成科学素养不可缺少的要素, 也是当前科学教育最缺少而又是人们最需要的素养。文章论述了在物理学科教学中应怎样从求实精神、理性精神、怀疑精神等三个方面对学生进行科学精神的培养。

关键词:科学精神; 认识规范; 求实; 理性; 怀疑

中图分类号:G 632. 0　文献标识码:A 　文章编号:1008-6536(2005) 03-0057-04

　　从认识论层面上讲, 科学精神教育是以科学的认识论规范为基本价值取向的教育。我们知道, 科学作为一项探索真理的事业, 在它的长期发展过程中形成了一套行之有效的认识规范, 主要包括“求实、理性和有条理的怀疑”[1]。这种认识规范一方面约束着科学家的科学行为, 另一方面在他们的科学实践中被内化、积淀、凝聚、提升为一种自觉的科学意识和普遍的信仰体系, 这就形成了通常所说的科学精神。科学精神是人类科学文化的重要财富, 也是民众科学素养的重要组成部分。美国面向21世纪人才培养的“2061计划”在《面向全体美国人的科学》一书中就将“科学需要证据; 科学是逻辑和想象的融合; 科学不仰仗权威”[2]作为美国基础教育中科学世界观的构成要素; 我国正在进行的新一轮高中课程改革也明确将科学态度与科学精神列为科学教育的重要目标。其目的就是要使科学教育超越公式与符号, 使学生成为真正具有科学素养的人。因此, 科学精神与科学知识、科学方法一样, 是构成科学素

养不可缺少的要素; 也是当前科学教育最缺少, 而又是人们最需要的素养。

1. 求实精神的培养

17世纪, 自伽利略用实验叩开了自然科学的大门之后, 物理学便开始了它的“求实”规范和传统, “经验是一切可靠知识的母亲, 那些不是从经验中产

收稿日期:2005-05-09

生, 不接受经验检定的学问, 那些无论在开头、中间或末尾都不通过任何感观的学问是虚妄无实, 充满荒谬的。”[3]正是这种求实规范, 自然科学摆脱了中世纪经院哲学的桎梏, 形成了物理学以实验为基础的意识; 也正是这种求实规范才使科学理论的真理性得以保证, 形成了科学之所以成为科学, 科学区别于一切宗教、迷信和伪科学的标准。可以说科学的求实规范是近代科学的创立基础, 也是科学教育必须传承的科学文化。

1. 1　亲历科学过程, 体验求实规范

科学教育是学生个体的科学再认识和再创造过程。因此科学教育就其认识过程而言与科学家的科学研究在本质上是相似的, 即遵循着“问题———假设———验证———理论”的探究思路。这样的探究思路总体上符合科学的求实规范, 也符合学生的认知特点。然而, 问题在于学生以怎样的方式经历这样的探究过程。在当前科学教育中似乎流行着一种以科学探究思路为线索的, 称之为“顺杆爬”的科学教育

模式, 即教师根据学生的知识基础和思维水平设计出最简捷、高效的探究路径, 而后, 学生在教师的启发、诱导下, 以“听”、“看”、“思”为主要活动方式, 追随教学设计思路顺藤摸瓜地观察、理解、消化、获得结论。虽然, 在这样的教学中, 学生经历了所谓的科学探究, 但这种从问题发现到假设提出, 再到验证方

作者简介:杨发文(1955—), 男, 江苏宝应人, 扬州教育学院高邮校区副教授。

法、步骤, 甚至连表格都设计好的探究并不反映科学探究的真实过程和高度复杂性; 在这里没有挫折, 无需反复; 没有怀疑, 无需争论; 没有尝试, 无需验证。它只是科学探究的形似, 而没有神似。学生从中体验不到科学的求实规范, 也不利于学生求实精神的培养。正如我国著名地质学家丁文江所说的“这种心境只有拿望远镜仰望过天空的虚漠; 用显微镜俯视过生物的幽微的人方能领会透彻”[4]。这就是说, 只有亲历科学过程, 才能体验科学规范, 领悟科学精神。因此, 我们应该变革这种顺杆爬式的科学探究, 变“看科学”、“听科学”的形式探究为“做科学、体验科学”的亲历性探究, 让学生在亲历科学的探究过程中体验科学的求实规范, 领悟求实精神。

1. 2　突出实验验证, 强化实证意识

科学就其产生过程而言, 主要有两种途径:归纳和演绎。归纳是从有限的个别事例中推断出一般规律的过程, 归纳推断的基础是假设将来事实与现有事实有相似性。从这个意义上讲, 一切由归纳得出的规律原则上是可错的, 它还只是一个需要进一步实证的假说。演绎是从一般推出个别的过程, 从形式逻辑角度讲, 只要前提为真, 推理正确, 演绎结论就有逻辑的必然性; 但从辩证逻辑角度来看, 演绎推理正确性的前提是一般性(共性) 与个别性的统一。然而事实上, 在科学抽象中获得的一般性并不保证包括所有个别性, 个别性也并非全部纳入一般性。例如:“热胀冷缩”的一般规律就不包括水的“反膨胀现象”; 以光的直线传播为基础的“小孔成像”规律也不涵盖小孔足够小时的衍射现象; 尤其是以理想化模型为基础获得的一般规律更难以概括一切同类个别事物。从这个意义来讲, 从一般性出发并非一定能揭示个别事物的特征; 即符合逻辑的并非一定是真实的。真正能检验演绎结论真实性的仍然是事实。因此, 科学必须讲究证据,“科学的本质是通过

[2]观察验证”。强调通过观察、实验来验证理论, 既是

许证实, 也应允许证伪, 让学生在实验中真正体验物理实验的实证力量, 强化学生的实证意识, 培养实证精神。

2. 理性精神的培养

科学不是经验材料的堆积, 而是用“理性的思维去整理经验的东西”; 如果缺少理性, 科学就不可能从现象深入到本质, 形成概念, 发现规律。因此, 理性是科学的灵魂, 是科学的精神基础, 也是科学最核心的认识规范。自然科学教育应该充分发掘科学的理性资源, 培养学生的理性精神, 促进理性发展。

2. 1　崇尚科学理性, 树立科学信念

从科学史实来看, 科学的历程从来都不是一帆风顺的, 而是一个个充满艰辛的智力跋涉。能否到达理性的彼岸, 不仅取决于正确的科学方法, 更取决于坚强的毅力和坚定的信念。焦耳四十年测定热功当量, 法拉第十年探究电磁感应。支持这些科学大师们数十年磨一剑的就是无比坚定的科学信念, 正如爱因斯坦所指出的, “要是不相信我们的理论构造能够掌握实在, 要是不相信我们世界的内在和谐, 那就不可能有科学, 这种信念是, 并且永远是一切科学

p . 318)

创造的根本动力”[5](。可见, 培养理性首先要

教育学生崇尚理性、树立信念。因此, 我们在物理学科教育中应该让学生在亲历科学的跋涉中体验科学理性的价值, 树立崇尚理性的信念。如“楞次定律”教学就是一个这样的例子

。

“楞次定律”是判断感应电流方向的规律, 从该定律所反映的物理过程来看(如上图) , 在电磁感应现象中探索楞次定律是一个大跨度的智力跋涉过程, 其中所涉及的因素之多, 关系之复杂, 现象和本质的联系之隐蔽, 对中学生的理性能力与科学信念都是极大的挑战与考验。因此, 我们在教学中一方面要让学生懂得只有通过经验材料的理性思考, 才能理顺各物理量之间的关系, 逐步从现象深入到本质; 另一方面, 在学生碰到困难和障碍时, 我们只要鼓励学生坚持“事物间符合规律性和可理解性”的信念, 坚持对“特殊蕴涵普遍, 普遍统辖特殊”的自然法则的信念, 并以这样的信念坚持不懈, 战胜困难, 直到理性的彼岸。简言之, 在物理教学中, 让学生亲历一个有难度但又能让人尝到果实的课题, 将有助于他们感受理性的价值, 树立崇尚理性的信念, 培养理性精神。

科学教育自身的内容和要求, 也是体验求实规范、培养求实精神的重要途径。

在物理教学中突出验证性实验, 首先要破除学生对物理概念、规律的迷信态度。在教学中要注意渗透这样的意识, 原则上讲, 任何从有限事实中归纳出的(或从已有规律中推导出来的) 结论, 都是具有或然性的假设, 是可错的, 对它们的确认和推广还需要更广泛的事实来证明, 而验证性实验就是进一步实证的重要方法。因此, 我们应该重视对新规律(假设) 的验证工作。其次, 在验证性实验过程中要本着实事求是的态度, 充分尊重学生的验证成果, 既要允

2. 2　大胆假设, 小心求证

科学理性不仅需要坚定的理性信念, 而且要掌握丰富的理性方法, 包括比较与分类; 分析与综合; 抽象与概括; 归纳与演绎, 假设与求证。其中, 假设与求证是科学最具特色的理性方法。正如前文所述, 科学认识的道路不是一帆风顺的, 虽然在科学探究中我们坚信“特殊蕴涵普遍, 普遍统辖特殊”的自然法则, 但在实际认识过程中, 我们并非总能顺利地从特殊中整理出普遍来, 许多时候, 我们占有的经验材料往往是不充分、不纯粹的; 而事物的现象与本质、特殊与普遍的关系又往往是十分隐蔽, 此时从经验到本质, 从已知到未知之间的逻辑通道也就不十分清楚, 中间常常缺少必要的推理依据与环节, 这时我们对未知领域的探索就变得迷惘和停滞。解决这种迷惘的科学方法就是充分发挥学生的主观能动性, 大胆假设, 并在假设的指引下继续探究。假设虽然具有或然性, 但它可以消除迷惘, 使人的认识带有一定的自觉性, 是理性把握有限事实的有效方法, 也是科学创造不可缺少的方法。事实上, 科学也正是在无数次假设中产生与进步的。正因为如此, 恩格斯曾高度评价假设是科学发展的重要形式。当然, 这种具有尝试意义的假设是否具有真理性, 还须由客观事实来检验, 从这个意义上讲“大胆假设, 小心求证”, 正是科学最具特色的理性方法。

在实际教学中培养学生掌握假设与求证的理性方法, 就是要注意引导学生运用这种方法获取知识, 解决问题。在物理教学中这类例子是很多的。例如, 在探究“共点力合成”规律的教学中, 当学生从实验中获得合力与分力的数据之后, 在尝试以标量运算方式探究合力与分力关系未果而又缺乏矢量运算概念时, 学生对问题的探究就可能陷入迷惘, 缺少思考的方向和逻辑通道。解决这种迷惘的方法就是鼓励学生大胆想象, 尝试假设; 合力与分力可能是乘除关系, 可能是某种函数关系, 可能是几何关系, 等等。然后在反复的求证中验证假设。只有大胆假设, 创造性地假设, 并在假设的引导下认真求证, 我们才可能走出迷惘, 找到规律。当然在这样的假设与求证过程中, 教师的启发、指导甚至纠正是不可缺少的, 但值得注意的是, 教师的指导并不是对学生的假设能力(即使是失败的假设) 的否定, 更不是对学生敢于假设的积极性的挫伤, 而恰恰是科学探究需要相互启发、相互协作的具体表现。总之, 在物理教学中, 当学生在观察和实验(或在一定的理论) 基础上获得关于该知识的有限材料时, 我们就应该鼓励学生在理性思考的基础上, 大胆提出自己的假设, 并在

假设指导下进行求证, 以培养学生的假设与求证的理性意识, 培养理性精神。

3. 怀疑精神的培养

科学不是一经建立便成永恒不变的知识体系, 它是在不断的批判中完善和发展的。而批判的基础是怀疑, 没有怀疑就不会有批判, 没有怀疑就不会有新的追求进步。英国皇家学会的会徽底座上印的是学会的拉丁文格言“Nullius in verba ”, 意思是“如未亲自实践, 不要轻易相信任何事物”。正如波普尔(Karl Raimund Popper ) 指出的“科学家之所以成为科学家, 并不在于他们掌握了无法反驳的真理, 而在于他们采用无所顾忌的批判态度和坚持不懈地对真理的追求”[6]。从这个意义上讲, 对已有理论保持批判性的怀疑是科学又一种重要的认识规范和精神。

在当前科学教育中培养学生敢于怀疑的精神, 最迫切的是要允许和鼓励学生个性发展。因为科学的怀疑就是要求人们不轻信、不盲从, 更不迷信地对待科学, 而是通过自己的独立思考去判断各种理论、观点的真伪。与这种基本的科学精神相对应的品格, 则是学生的独立个性, 只有具备独立个性的学生才能不畏权威, 敢于与众不同, 标新立异, 敢于违反常规地提出与主流观点不同的见解。因此, 培养学生的怀疑精神需要教师改变传统的教育观念, 提倡教育民主, 为学生个性发展提供良好的教育环境。

首先, 教师应该淡化“传道、授业、解惑”的权威感。教师的职业是崇高的, 教师肩负着为社会培养合格人才的使命, 正是这种使命感培养了教师的教育责任感。同时也赋予教师在教育中享有的权威和尊严,“师者, 传道、授业、解惑也”, “一日为师, 终身为父”。然而, 也正是这种具有浓厚“君、臣、父、子”色彩的“师道尊严”, 一旦失去约束时, 就可以演变为一种教育专制, 教师便成为知识圣坛上的教主, 而学生则成为听从教诲的臣民, 这与“科学不仰仗权威”的本性是相违背的。在这种专制下的教育必定是“唯书、唯上、唯师”的奴性教育, 是压制学生个性发展的强制教育, 由此不可能培养出敢于怀疑的萌芽。因此, 我们应该淡化教师在教育中的权威感, 弱化对课堂教学的控制欲, 放下架子, 尊重学生, 不强求统一, 以促进学生的个性发展, 培养学生敢于怀疑的精神。

其次, 鼓励学生敢于挑战权威。完整的科学发展史表明, 在任何一个学术领域, 在任何一个问题上, 都存在着大量的不同观点, 如物理学上的光的波动说与光的粒子说, 哲学上的唯名论和实在论, 心理学上的行为主义与精神分析学说等等。不同观点之

间存在着激烈的争论, 从总体上推动科学事业繁荣与进步。不了解这些, 就不能正确地对待不同学术观点的人, 就会从根本上窒息科学的精神, 阻碍科学的进步。

目前, 物理教材中所描摹的科学家形象及所表现的科学家品质也存在着不少问题。首先就是对科学家少年时代“特异行为”的渲染。其实, 不单是这些大科学家们在少年时代有些特异行为, 不少小孩子在少年时代都会有类似基于浓厚探究兴趣的特异行为。把科学家们少年时代的特异行为与他们后天的科学成就联系起来, 只能助长科学研究方面的“天才论”, 或引诱无数青少年的刻意模仿。其次, 把专心与刻苦作为科学家的主要品质, 在很大程度上遮蔽了科学家之所以成为科学家更为重要的专业性品质:对权威的理性怀疑、对既有结论的批判、对不同观点的尊重与宽容、思维过程的严谨与开放以及严格遵从科学伦理等等。最后, 教材中对科学家形象的描绘过于理想化、道德化, 甚至有些泛道德化。从科学史上看, 科学家中不乏品德高尚之人, 他们在做人和科研方面都堪称人类的楷模。但是, 也有一些科学家与一般百姓并无明显差别。片面地把科学描绘成道德楷模, 可能会影响青少年学生学习的积极性和自信心。科学家也是人而不是神, 既有人性的光辉与伟大, 也有人性的弱点与失误。科学家不是神, 学生才可能走近他; 科学家是人, 学生才可能以后成为科学家。科学教育应该给学生介绍一个个全面的科学家。

第三, 鼓励学生敢于向教师的教学过程挑战, 敢于向成熟的解题方法挑战, 甚至向书本的知识体系挑战。我们知道, 中学物理教材选取的内容主要是以牛顿定律为基础的经典物理学。然而, 即使是这样一种比较成熟的知识体系, 也不应该成为禁锢学生思想的教条。在经验约定主义科学大师昂利·彭

加勒(Henri Poincare ) 看来, 由于自然界的真实对象的真正关系的科学理论就只是代替真实对象的同构

影像, 但这样的同构影像并非只有一种, 因而科学理

[5](p . 254)

论应当是多元的。那么从这个意义来讲, 描

述低速宏观的机械运动规律的运动学是否也应该是s 多元的呢? 例如, 我们可以用v (单位时间内的

t

位移) 来描述物体运动的快慢及方向, 那么是否也可以用v (单位位移所用的时间) 来描述物体运动

s

的快慢及方向? 我们可以用“任意相等时间内速度的增量相同”来定义匀变速运动概念, 那么是否也可以用“任意相同位移内速度的增量相同”来定义? 诸如此类不胜枚举。由此, 我们是否还可以构建另一个新运动学知识体系呢? 当然, 这样的构想可能不符合逻辑简单性, 也可能过于天真, 但这并不能否定它所孕育的敢于挑战权威的质疑精神, 而事实上, 科学往往就是在这样或那样的天真幻想中创新的。因此我们在教学中应该鼓励学生敢于挑战权威, 要有“我爱我师, 我更爱真理”的精神。这样才能将培养学生怀疑精神的教育落到实处。

[参考文献]

[1]　邢志华. 国内科学精神研究近况[J ]. 哲学动态,

2000, (4) .

[2]　美国教育促进会. 面向全体美国人的科学[M ]. 北

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[3]　张宪魁. 物理科学方法教育[M ]. 青岛:青岛海洋大

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[4]　丁文江. 玄学与科学[M ]. 沈阳:辽宁教育出版社,

1998. 49-50.

[5]　李醒民. 科学的精神与价值[M ]. 石家庄:河北教育

出版社, 2001.

[6]　(美) 波普尔. 科学发现的逻辑[M ]. 上海:上海译文

出版社, 1986. 280-281.

Cultivation of Scientific Spirit in the Teaching of Physics

YANG Fa -wen

(Depar tment o f P hy sics , Yangzhou College of Education , Gaoyou 225600, China )

Abstract :Just as scientific knowledge and scientific approac h , scientific spirit is an indispensable element of scientific quality , and is badly needed in both scientific education and human quality . T his article expounds the cultivation of students " scientific spirit in realism , rationalism and skeptic ism in the teac hing of physics . Key words :scientific spirit ; cognitive standard ; realism ; rationalism ; skeptic ism