科学课程中的物理特征分析_教学参考-查字典物理网

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。通过仔细阅读原着,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 motio

n 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。从库恩科学革命即范式转换的视角看,亚氏力学与伽利略、牛顿力学是两种不同的范式,对各自的评价应深入到范式内部去考察。虽然以后见之明的眼光看,牛顿接受了伽利略假设的真空而拒绝接受亚氏对物理真空的否定,促进了科学的发展,但认为这种发展战胜了亚氏明显错误的观点却是对事实的极大歪曲。很明显,对亚氏理论的贬抑是为了突出伽利略、牛顿力学理论,以说服学生掌握现代科学理论。

(二)强调某种科学方法的辉格史

教科书在讲述蒸汽机时经常会提及英国发明家瓦特,赞扬其爱好观察的品质,将其描绘成首次发明蒸汽机的人。有课本是这样描述的,“瓦特小时候曾反复观察烧开的水顶动壶盖的现象,他想:‘壶盖是被水蒸气推动而上下跳动的,既然一壶水能够推动一个壶盖,那么用更多的开水,不就可以产生更多的水蒸气,推动更重的东西了吗?’经过刻苦钻研和不懈的努力,瓦特终于发明了蒸汽机,从而推动了社会的发展。”并且在这则故事结尾处加上了爱因斯坦的名言:观察和理解的乐趣是自然界赋予的最美好的礼物,意在赞扬瓦特对这两种科学方法的运用,这不存在什么问题。但关键的是,蒸汽机却不是由瓦特首次发明的。在瓦特之前,法国工程师巴本在其发明的蒸煮器的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机。继巴本之后,英国工程师萨弗里又发明了蒸汽泵。蒸汽机的下一步改进则是由英国工程师纽可门完成的。接着,才是瓦特的改良蒸汽机。诚如有教科书所指出的,“其实,蒸汽机的发明与应用并不是这样简单,人类伟大的发明,很少只是一个人的天才创造”。我们认为,这才是对待历史所作出的公允评价。

密立根(R. A. Millikan)的油滴实验与元电荷的值密切联系在一起,他经此实验确定了基本电荷值。教科书通常将这个实验描述成完美无缺的,但许多科学史家质疑密立根故意挑选某些数据以符合他的预期结果。科学史研究表明,密立根的油滴实验原始笔记所记录的共有175个油滴数据,然而在其发表的论文中仅报告了58个完全符合他所期望的油滴数据。密立根却在他的着作中声称,他发表的研究报告没有遗漏任何油滴数据,密立根为何会如此做呢?富兰克林(Allan Franklin)曾用其实验笔记记录但未公开发表的油滴数据重新计算,所得的元电荷值并没有太大的出入。那些被舍弃的数据是密立根认为受其他因素影响而不具代表性的,例如两个油滴挤在一起或者油滴太大。密立根是根据实验经验、直觉判断而舍去了部分油滴数据,科学方法并非就像教科书中所说的一系列步骤——观察、假设与实验。

综上所述,无论是突出某种科学理论的辉格史、强调某种科学方法的辉格史还是凸显某位科学英雄的辉格史,都存在着不可分割的联系。这些科学史本身都服务于一定理论知识的学习,例如教科书通过歪曲亚里士多德力学的实际背景去凸显伽利略、牛顿力学的绝对真理性,以说服学生掌握目前的科学理论;或者意在调动学生学习的积极性以及投身科学的热情,而将某项发明完全归功于某位科学家,并突出科学发现所带给科学家的声誉与地位,其终极目的仍是服务于科学知识的传授。结合科学史的教育价值来看,科学史的认知价值与情感价值或许可以在某种程度上实现,然而其元认知价值一定是落空的,因为辉格史歪曲了科学的发展历程,给学生呈现的是虚假的科学形象。其实,以过去科学理论的介绍作为认知背景,引发学生的认知冲突或激发学生的学习兴趣,这未尝不可。然而,在此同时我们应兼顾科学史的元认知价值,这不仅是科学史自身的价值体现,也是时代对人才培养的要求。

三、偏差归因:哲学层面的检讨

(一)教育哲学中的知识中心主义

现代社会不仅要求劳动者掌握一定的知识与技能,而且能够适应多种职业的变换,这就要求教育培养善于创新的人才。课程与教学如何通过知识传授培养学生的创新能力,已成为摆在我们面前的时代课题。然而,长期以来学界未能就知识传授与能力培养达成共识,这就造成了实践中的偏差与失误。这种情况在我国表现得尤为突出,“由于传统文化的影响、‘应试教育’的束缚,在我们当今学校教育中,重知识、轻能力,重记忆、轻思维的现象还普遍地、严重地存在”。具体反映在科学课程中科学史的编排上,就表现为着重强调其为科学知识合法性辩护的功能,而其元认知价值却落空或被忽视。

中国教育开始现代化时期所引进的是西方成形于18、19世纪,在知识本位课程观基础上所形成的课程。此时恰逢形式教育论与实质教育论激烈论争之后,实质教育论占主导地位。实质教育论根据当时社会发展状况,认为形式教育论倡导的以能力为目标、远离生产和科学的课程,通常服务于理性、智力的培养,而这些能力却是无法检验、没有实际意义的。实质教育论者注重实用知识和世俗知识,及时反映科学知识的进步。前苏联教育学界试图调和形式教育论和实质教育论的冲突,认为掌握知识和发展能力必须统一在学生学习系统科学知识的过程中。但他们简单地认为知识与能力的统一可自然而然地实现,掌握知识越多能力就越高。这样一来,能力的发展就成了知识的选择问题,又回到了实质教育论的老路上。这种课程观在我国以其特殊形式对基础教育产生影响,这就是“双基”论。凡此种种课程观的共同点是,课程注重知识的逻辑性和严密性,能力的发展被架空。现在我们已经认识到,知识和能力既有相互联系和转化的一面,又有相互独立的一面。知识的学习需要一定的能力为基础,没有绝对“灌输”式的教学;能力的发展也离不开一定的知识为依托,无知必然无能。然而,知识并不能自然而然地转化为相应的能力,知识丰富未必能力就高。因为“求知的目标和评价标准是对世界本质和规律认识的结果;求能的目标和评价标准则是学习、发现、创新和应用知识的方式及其智力和实践技能,是发现问题、分析问题和解决问题的思路”。当然,目前知识与能力的关系研究仍相当薄弱,能力发展机制问题仍不甚明了。学界比较认同的观点是,必须对知识进行专门的选择和改革学习方式。

科学课程的功能在于通过教学有效提升学生的科学素养。而科学素养不单单指涉科学知识与技能,而且包括理解科学的本质、形成科学思维的能力以及灵活运用科学知识和思维方法去处理个人与社会问题。这就要求课程编制者处理好知识传授与能力培养的问题,在编制课程时既要关注知识的逻辑性与严密性,也要兼顾知识的安排有利于激发学生的怀疑与批判精神。教科书不能为了单纯强调现代科学理论而妄加贬斥古人,因为任何知识都是在一定社会条件下认识的结果,永远不可能穷尽事物的真理。既然如此,那么现在的科学理论就是可怀疑、可批判的。应当以科学史中蕴涵的怀疑与批判精神去引导学生看待目前的科学理论,以科学家诠释现象的思路与方法引导学生提出自己的看法并验证之,而不应该仅以便于知识传授为鹄的。

(二)科学哲学中的素朴经验论

人们对科学的总体看法决定着科学课程的内容选择与编制方式。如果教育者的科学观与科学发展的实际状况不相符,那么,这种科学观必然会以某种方式反映在课程中,影响学生正确科学观的形成。笔者赞同这样的观点:科学课程应“实事求是地反映人们对科学活动和科学知识性质的新认识,从而使学生从小树立起一种正确的科学观和科学方法论”。

然而,从教科书中的辉格史案例,我们可以洞见目前教材编写者的科学观在很大程度上是歪曲的,与科学发展的实际情形相去甚远。其大体上表现为以下几个方面。(1)科学知识是观察与实验的结晶。这是培根方法论的核心内容。培根认为,科学知识是科学家在观察与实验的基础上归纳得来的绝对可靠的知识。表现在科学史中就是,将观察与实验和归纳法夸大为科学的唯一可行的方法。例如,不自觉地将伽利略力学描述为培根方法论的结晶,认为伽利略力学是建立在实验的基础上、经实验证实了的绝对可靠的理论,以此去说服学生掌握这些知识。(2)科学的发展是线性的、不断累积的过程。既然科学知识是经实验证实了的绝对可靠的知识,那么科学史家的任务就是记录这些成果,“确定出当代科学的每一事实、定律和理论是何人何时发现或发明的;另一方面,他必须描述和解释阻碍现代科学教科书诸成分更迅速地累积起来的错误、神话和迷信”。因此,教科书表现出来的科学发展形象就必然呈现出线性与不断累积的特征。(3)科学家是客观公正、心胸开阔的。我们往往认为,“科学家在认识自然时,只与认识对象的客观属性和自身的认识能力有关,而与科学家的性别、种族以及所持的意识形态无关”,因而科学知识是客观中立的;科学家把自己的全部都献给科学事业,无任何私人利益掺杂其中,对待与自己观点不同的人往往是心胸开阔的,因而被认为是“真理的代言人”。教科书就这样塑造了一个连科学家自己都难以做到的高高在上的“圣像”。正如美国学者洛温所指出的,“教科书通过英雄化这一过程把有血有肉的人变成了虔诚的、完美的造物,他们没有矛盾,没有痛苦,没有人情味,也没有可信性”。

伴随着现代科学元勘研究不断走向深入,人们对科学知识的产生机制、科学与社会的互动机制以及科学家的形象有了新的更全面的认识。具体表现在:(1)科学并非传统经验论者所说的始于观察,而是始于问题。因为没有问题指导的观察是盲目的、随意的,而随意的观察根本不会引起科学研究。科学史研究表明,科学理论不是归纳与演绎的产物,而是假说演绎方法的结晶。简单的基于事实直接归纳出的科学定律是低层次的,通常是关于事物属性的断言,那些高度抽象的科学理论是不可能直接从事实陈述中推导出的;而演绎推理不能产生任何新知识,因为三段论不是从已知到未知的推论,所得的结论已包含在大前提中。(2)科学发展的线性、累积的特征已被推翻。库恩认为,不同科学理论所赖以建立的范式不同,科学的发展是通过范式转换实现的。比如化学领域的燃素说与氧化说,天文学领域中的地心说与日心说等。这些科学革命应如实地呈现给学生,而不是像库恩指出的教科书往往有很好的理由重塑历史。“科学教科书只会提到部分过去科学家的工作,即那些很容易看成对书中范式问题的陈述和解答有贡献的部分……早期科学家所研究的问题和遵守的规则,都被刻画成与最新的科学理论和方法上的革命的产物完全相同。”这就不可避免地隐瞒了革命的作用,以至于造成“革命是无形的”。(3)科学家生活在特定的社会中,研究过程会不可避免地受社会上各种价值观念、哲学信念的影响。它们有时会引导科学家形成较符合客观实际的理论,如太阳崇拜指引哥白尼提出“日心说”;有时则会阻碍科学家的发现,如N射线事件以及李森科事件等。除此之外,科学家在很多情况下同常人没有什么区别,也会为争夺优先权而奔波、为自己的理论受到攻击而恼怒,这恰恰表明了科学的人性一面。

(三)历史哲学中的移时史观

“历史”包含两个层面的意义:其一是过去发生的事情,即本体论层面的历史;其二是史学家书写的历史,即认识论层面的历史。认识论层面的历史总是要受本体论层面历史的制约,但史学家不可能一下子穷尽过去事情的真相,总是根据现有历史材料、自己的

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