科学课程中的物理特征分析

科学课程中的物理特征分析肖磊，徐学福，西南大学教育学部（重庆400715）。

科学课程中融入适当的科学史对提升学生的科学素养有重要意义，尤其是有助于学生理解科学的本质。

然而，并非所有的科学史都有利于学生理解科学的本质。

正如科学教育专家杜克（R. A.Duschl）所指出的，“应用科学史于科学教学与评价之中是一个充满选择的过程，何种科学史、谁的科学史、为了什么目的而利用科学史都决定着课程、教学与评价的模式”。

调查显示，大多数科学教师受学科本位的影响，认为科学教育的目的就是传授目前科学共同体所公认的科学知识与方法，引入科学史则是为了加强科学知识教学，为科学理论提供历史背景；或是为了激发学习兴趣，减少学生的恐惧心理。

“当我们不是为了历史自身的缘故用它，而只是把它作为达到某种目的的手段时，历史很容易被歪曲和篡改”。

如此一来，科学史变为说服的工具，以说服学生去掌握目前教师所认为的“绝对真理”，这就是“辉格史”在科学史领域的变种，即“辉格式科学史”（whig history of science）。

这种科学史不是站在真实历史的视角去审视历史事件，而是以现代科学知识为衡量标准去评价历史事件对目前科学知识的贡献程度，那些没有导致目前科学知识的理论自然被视为是错误的。

它只承认一种科学是合法的，那就是现代科学，目前的科学被视为科学发展的最高级阶段。

这不利于学生理解科学的本质，容易使学生将现代科学理论看成是一成不变、最高权威的知识，只需理解与记忆就可以了。

因此在他们的头脑中就不存在“科学创新”的概念，创新人才的培养也就遥不可及。

故而，对科学课程中的辉格史进行批判性反思是十分必要的，也是十分紧迫的。

一、科学史之于科学教育的理想价值：本源价值之思有学者在对科学教育目标的演变进行梳理的基础上，将科学教育的目标分为四个层面，即认知目标、元认知目标、情感目标以及实践目标。

其中，实践目标指发展学生独立从事科学观察、数据分析、信息交流以及在实验室中同他人合作的能力。

学者们关于科学史对于发展学生的实践技能少有论述，即便有论述，其结论也是这方面的价值微乎其微。

故而，本部分将从科学史的认知价值、元认知价值与情感价值三个维度展开论述。

（一）认知维度1.科学知识的教学学生的许多相异概念与科学史相平行，教师通过将目前公认的科学理论同已被抛弃的历史上的理论相对比，可帮助学生克服相异概念，接受目前的科学观点。

2.科学方法的教学学生通过科学史而熟悉历史上的某些事件，可以在他们使用科学家曾使用过的方法去做实验以改进其理论时，更深入地理解这些方法，也即为科学方法的教学提供相应的背景。

3.问题解决技能的教学问题解决是指超越过去所学规则的简单应用而产生一个新的解决方案。

教学中向学生展现过去科学家是如何处理研究中所遇到的问题，可引发学生讨论继而深入思考他们在课堂中所遇到的相似问题。

如通过研究科学革命时期，可发现一些具体的程序被频繁使用，如类比思维与思想实验等。

这些问题解决策略促成了科学革命，呈现这些案例，有助于学生掌握这些策略并深入理解科学事业。

（二）元认知维度1.理解科学的本质（1）理解科学知识的本质。

学生对科学知识本质的正确理解程度是衡量其科学素养的一个重要指标。

杜克指出，现今科学教育强调的是把教学当成“为科学知识辩护”的过程，强调验证已知的，至于科学知识是如何产生的，则不大关心。

这可能会导致学生认为科学知 识的发展是一个常态的、线性累积的过程，也会让学生认为科学家经常都会有一定的共识。

呈现科学史中的革命性事件，可引发学生思索将科学视为绝对真理的传统教科书图景，使学生明白科学是一项不断发展变化的事业，科学知识的真理性是绝对性与相对性的统一。

（2）理解科学方法的本质。

科学方法往往被视为一套既成的有系统、有逻辑架构的程序，这种看法大体上来源于归纳法与经验论的哲学观。

事实上，不同的科学研究领域存在着不同的科学方法，没有哪一套特定的科学方法可被认定为所谓的科学方法。

只不过我们从科学家处理自然现象的过程中，可提炼出一些共同的基本程序。

实际研究中，科学家必须按照实际需要，去决定采取什么程序和技术，必要时甚至要发挥创造力去创新研究程序或技术。

科学史教学可使学生明白科学知识的发展在一定程度上正是科学方法不断革新的结果。

2.理解科学、技术与社会的关系（1）实用关系。

通过科学史，学生可了解到许多技术性产品的原理与操作方法。

（2）文化关系。

科学与其他文化相互作用的案例很多，如万有引力定律与相对论等如今都被视为人类文化的基本元素；而人类的其他文化也时刻影响着科学研究，尤其是科学家所处时代的哲学观念或宗教信仰对科学的发展往往起着巨大的影响作用，如哥白尼的“太阳崇拜”指引其提出日心说；一个基础性的形而上学的力不灭观念，使众多科学家着力于能量守恒定律的发现。

（3）民主与道德关系。

一项科学发现可造福于人类，也可变成毁灭性的工具，这就是科学技术的“双刃剑”功能。

如本意是解决人类能源枯竭问题而对原子能的研究成果，二战期间却被用做开发原子弹，除此之外还有诸如克隆技术与食品安全等问题。

这些问题触目惊心，不能不引起人们的深思，科学家的道德良心备受考验。

科学技术并不是一种没有方向、没有特性的中性力量，而是一种具有特殊力量的权威。

如何制衡科学的发展，使其朝着有利于人类的方向发展，已成为时代的难题。

基于此，有学者认为科学已经发展到需要公众参与的阶段，科学教育应促使公众理解科学，更明智地参与到科学的民主决策中。

就目前人类普遍关心的问题，历史上的科学家发表了许多言论。

公众为了更充分地表达个人意见，有必要了解这些观点，科学史则承担了传达这些观点的角色。

（三）情感维度增强科学教学的趣味性是科学史的功能之一，它将某些科学理论与相关历史故事相联系，使学习变得更有吸引力。

在科学史的以上三种教育价值中，科学史的元认知价值是其本源价值，其他两种价值则是其衍生价值。

因为在科学教育的认知目标达成方面，基本概念和基本原理的学习应承担主要的责任；情感目标的达成方面，教师课堂氛围的营造、探究学习的开展以及学生自身的兴趣爱好等因素相比较而言可能更为有效；唯独在实现科学教育的元认知目标方面，其他因素则不如科学史教学那么有效。

这一点在美国学者塞克（Hayati Seker）的博士论文研究中得到了证实。

所以，笔者认为科学课程中科学史的编制应有利于学生正确理解科学的本质以及科学技术与社会的关系，点滴培养学生的怀疑意识与批判精神。

二、从理想到现实：教科书中科学史现状扫描科学史的理想教育价值只是潜在价值，至于在现实教学中到底能不能发挥作用、发挥怎样的作用，则有赖于优秀教科书以及高素质的科学教师。

然而，笔者对部分科学教科书进行文本分析，发现其中的很多科学史已被歪曲，呈现给学生的是不真实的科学发展图景，即辉格式科学史。

分析这些辉格史案例有助于我们更好地洞察科学课程中辉格史的成因。

依突出重点的不同，教科书中的辉格史可分为三种类型：突出某种科学理论的辉格史、强调某种科学方法的辉格史与凸显某位科学英雄的辉格史（注：以下节选关于前两种类型的论述）。

当然，这种划分只是相对的，某个辉格史案例可能只是为了突出某种科学理论，也可能将以上三种类型全部展现。

（一）突出某种科学理论的辉格史在中学物理课本中通常会涉及“动力学”这一专题，导言部分往往会以亚里士多德与伽利略动力学理论作为讨论的开始。

其中，亚里士多德力学理论被视做阻碍物理学发展两千多年的罪魁祸首，而伽利略通过实验证明了自由落体下落速度与其重量无关，推翻了亚氏力学理论。

最终，牛顿在伽利略等人的研究基础上，总结出一条重要的运动定律，即“牛顿第一定律”。

一位物理学家将这种流行的观点总结为：“亚里士多德宣称物体下落速度与重量成比例。

很显然，每个人都知道这是不正确的。

没人敢反对亚里士多德，直到伽利略出现，才在实验基础上纠正了亚里士多德的错误认识。

”这种观点广为流传，总是在教科书中以更微妙的方式呈现给学生。

然而，近年来的科学史研究已经推翻了这种流行的观点。

我们需要重新审视亚氏运动理论与伽利略、牛顿运动理论之间的关系。

将亚里士多德、伽利略与牛顿联系起来的是理想状态下自由落体的运动规律，亚氏称这种状态为虚空（void），现代教科书则称之为真空（vacuum）。

亚氏对物质运动的研究集中于《物理学》一书，其中讨论了重物体比轻物体运动得快这一事实。

亚氏物理世界观的核心是虚空不可能存在。

在古希腊前苏格拉底时代，人们长期相信真空是存在的，然而亚氏对这个问题是这样论述的：“我们看到，一定重量的物体之所以被移动得快慢有所不同，是由于两个原因：或者因为移动所通过的介质不同；或者因为被移动物所具有的轻重不同，假如其他条件都相同的话。

”当伽利略涉及亚氏对此问题的解决时，这样说道：“亚里士多德猛烈抨击一种陈旧的观点，该观点认为真空是运动所必需的条件，没有真空运动不可能产生。

与此相反，亚里士多德揭示真空恰好是运动现象，这使得真空的概念站不住脚。

他的方法是，首先假设重量不同的物体在相同的介质中运动；然后假设相同的物体在不同介质中运动。

”他从第一个主题推得，如果真空存在，物体就会在相等的时间通过充满的和空虚的虚空，但这是不可能的，故而真空不可能存在；从第二个主题，他推得如果其他条件相同，有着或重或轻的更大动势的物体被移动着通过相等处所的速度也更快。

这应该就是伽利略和教科书所发现的“明显”错误的地方。

然而，亚里士多德既没有讨论自由落体运动，也未涉及任何加速运动。

亚氏自始至终都在围绕如下主题展开讨论：不同介质中某个给定速度的物体运动和相同介质中不同物体以不同速度运动。

这种运动可以规约为物体在介质中下落最终达到一个末速度。

教科书中经常讨论球体下落，空气阻力被视为与速度成正比，当空气阻力（bv）与物体所受引力（mg）相等时达到末速度。

小球的末速度或特征速度就等于mg/b，因而小球的速度就与其重力（mg）成正比。

所以，亚氏看起来是更加“明显的正确”而不是“明显的错误”。

应该清楚的是，如果对于教科书而言，物体在真空中下落与其重量无关是“显而易见的”，那么对于拥有一流智商的亚里士多德来说亦是如此。

通过仔细阅读原著，科学史家们发现，亚氏与伽利略、牛顿理论之间的根本分歧在于真空存在与否。

亚氏不承认真空的存在，“要么没有什么事物具有合乎自然的移动，要么有这种移动，而没有虚空”。

伽利略与牛顿却承认真空存在，也承认此种运动是不可能观察到的，但不承认它是不自然的。

甚至牛顿第一定律也是由亚氏首次表述的，只是他不承认在自然界中会有此种情形发生。

牛顿在《自然哲学的数学原理》中如此表述其第一定律：“Everybody continues in its states of rest, or of uniform motion in a right line, unless it is compelled to change that states by forces impressed upon it.”而亚氏在《物理学》中如此表述:“A body would either continue in its state of rest or would necessarily continue in its motion indefinitely, unless interfered with by a stronger force.”可见这两种描述几乎完全相同。