本站原创培养具有科学素养的公民是科学教育的教育目标,而科学本质又是科学素养的重要组成部分.在我国,义务教育阶段的物理课程培养目标在《全日制义务教育物理课程标准(实验稿)》中定位为:“提高全体学生的科学素质”.此外,为了实现学生的终身发展,《普通高中物理课程标准(实验稿)》提出“要进一步提高学生的科学素养”.因此,培养并提高学生科学本质观就成为科学教育的重要目标之一和培养学生科学素养的核心成分之一.因此,在物理课堂教学设计中体现并渗透科学本质,通过课堂教学,有意识地培养和发展学生的科学本质观就显得尤为重要.
1科学本质观的内涵
科学本质观即对科学本质的认识.对科学本质的界定众多,每个界定之间都有区别,但许多研究者通过对科学发展的历史和科学研究的对象、过程、方法、科学研究的成果等方面的考察,认为科学本质主要包括“科学知识的本质”,“科学探究的本质”和“科学事业的本质”三个维度.其各维度的特征如下.
1.1 科学知识的本质
(1)客观性.科学是对客观世界认识性的解释.(2)暂定性.科学知识并非绝对真理,会随新证据的出现而发生改变.(3)可检验性.科学的正确性决定于观察和实验的检验.(4)继承性与创造性.科学是人类在已有理论基础上通过合理的推理、想象和创造的.
1.2 科学探究的本质
(1)多样性.科学探究的过程及方法不是按部就班的,对同一问题可能有不同的解决方法.(2)理论渗透.研究者本身的理论渗透于科学探究的过程中.(3)可重复性.(4)观察和推论.科学知识是建立在观察和推论基础之上的.观察是通过人的感官或这些感官的扩展收集的,推论是对这些观察的解释.(5)想象与推理.
1.3 科学事业的本质
(1)道德性.科学研究中有普遍接受的道德规范.(2)科学家研究风格.科学家的社会文化背景会影响其研究风格.(3)科学与技术.科学研究的是“是什么”的问题,技术研究的是“怎么做”的问题,科学的进步推动技术的发展,两者不等同,会相互作用.
2“科学的转折:光的粒子性”一节中体现的科学本质观
本节内容中体现了当代科学本质的九个方面:即科学知识的暂定性、客观性、可验证性、继承性与创新性,科学探究的可重复性,理论渗透,想象与推理,科学与技术,科学家研究风格和科学研究的道德性.
3“科学的转折:光的粒子性”一节教学目标的构建
教学目标对整个教学行为和教学认识活动的设计具有导向作用.已有研究表明,科学本质理解是一种认知性学习结果.因此,将科学本质理解作为显性教学目标是进行科学本质教学的前提[1].
本节的课的教学目标可确定为以下几个方面.
3.1 知识与技能
(1)通过实验观察,了解是光电效应.(2)了解光电效应的实验规律.(3)知道爱因斯坦光电效应方程以及意义.(4)了解康普顿效应,了解光子的动量.(5)知道光子的模型的建立过程及对康普顿效应的解释作用.
3.2 过程与方法
对光电子模型的产生方式进行探究、反思和评价其合理性.让学生领略自然界的奇妙与和谐,发展学生对科学的好奇心与求知欲.
3.3 情感态度与价值观
体会检测说与模型建立在构建立科学论知识中的作用.让学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦,从而提升学生的科学本质观.
4教学过程设计
已有研究表明,在教学活动中通过显性和反思性活动能让学生更近一步的理解科学的本质.故教师在教学中应恰到好处地不断地重现合符科学本质观的语言,使学生渐渐建立科学本质观.例如:教师的教学语言中应该经常含有“观察”、“推论”、“猜测”、“可能是”、“支持”、“提出”等词语.在显性活动中,注意区别观察和推论,注重知识的产生方式.在反思性活动中,要让学生清晰回顾知识学习的过程,对知识的产生方式进行反思,综合评价知识的合理性,使学生对于科学理论的本质有一定的认识[4].
4.1 引入新课
光的干涉、衍射现象及麦克斯韦的理论都确定了光的电磁波本质.然而,正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候,又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象.这一现象及其相关问题的研究,使得人们对光的又一本质性认识得到了发展,这充分说明了科学理论具有暂定性,只要证据充分,原有的理论将会被修正推翻.
4.2 新课教学
4.2.1 光电效应规律的探究过程
资料(1):1887年,赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现,接收电路的间隙如果收到光照,就更容易发生电火花,这是最早发现的光电效应.
资料(2):1902年,德国物理学家勒纳德通过实验找到了光电效应的两条实验规律:①存在一个照射光的最长波长,只有短于这个波长的光的照射,才能将电子从金属表面打出来,②光的强度只决定打出电子的数目,与打出电子的能量无关.这两条实验规律无论用经典的微粒说还是波动说都无法解释.
资料(3):英国物理学家J.J汤姆孙也做了光电效应的研究,相继证实了照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出.
[显性语言]从光电效应的首次发现直至被许多科学家关注并证实的这一过程充分体现了科学探究的过程的可重复性.但如果只在某一个科学家的实验室里发现了某个现象,那这个探究称不上是科学的探究过程[3].
4.2.2 探究光电效应的实验规律
[方式]结合试验,通过科学探究方式,让学生体验科学探究过程,进而让学生初步理解科学探究的本质.
[内容]光电效应的实验规律讲解.
[讨论]为什么经典理论无法解释光电效应的实验规律
[显性语言]在发现光电效应后,光的电磁理论只能部分地解释光电效应.而接受了普朗克能量子检测说的爱因斯坦却是从光的粒子性角度来思考光电效应现象,并提出了爱因斯坦光电效应方程,使光电效应中与实验的矛盾迎刃而解.这说明科学家具有的理论背景将在很大程度上影响研究者研究问题的视角和方式.对同一个自然现象,不同的科学家可能会有不同的观察结果,科学探究的过程渗透着理论.
4.2.3 爱因斯坦光电效应方程的建构
资料(4):1900年,普朗克提出能量子检测说.
资料(5):1905年,爱因斯坦提出光量子检测说,建立光量子理论.
[显性语言]爱因斯坦的“光子检测说”是在继承了前人普朗克的“能量子检测说”,的基础上进行而提出的,这充分说明了科学知识本质的继承性和创新性.
[内容]光量子检测设的内容及爱因斯坦光电效应方程的知识讲解.
[显性语言]爱因斯坦利用光量子理论解释了光的粒子性,是建立在赫兹、勒纳德、汤姆孙等人实验研究的基础上的,这也体现出科学知识的客观性.
资料(6):从1907年起,美国物理学家密立根,花了十年时间做了“光电效应”实验,结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程,h的值与理论值完全一致,又一次证明了“光量子”理论的正确.
[显性语言]爱因斯坦提出光电效应的解释时,实验测量尚不精确,加上这种观点与以往的观点大相径庭,因此并未立即得到承认.直到密立根通过实验才证明了爱因斯坦对光电效应的解释是合理的,这正体现了科学知识是可以被检验的.而爱因斯坦由于发现了光电效应的规律获得1921年的诺贝尔物理学奖,也说明了科学知识需要接受科学大众的检验.
资料(7):1923年,康普顿做X射线通过物质散射的实验,发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外,还有比入射线波长更长的射线,其波长的改变量与散射角有关,而与入射线波长和散射物质都无关.
[内容]康普顿效应及光子动量的知识讲解.
[显性语言]普朗克的能量子和爱因斯坦的光子并没有被肉眼实际观测到,这些检测说的提出完全依赖于这些杰出科学家的想象和对观察到的现象的推理.科学探究并非一定是按提出问题、分析数据等步骤进行,科学家的思维具有跳跃性,想象和推理在科学探究的过程中起了很大的作用.但科学的想象和推理需建立在客观事实的基础上.
4.3 讨论与反思性评价
(1)为什么爱因斯坦对光电效应的解释和康普顿对康普顿效应的解释能为大多数人所接受
(2)爱因斯坦对光电效应的解释和康普顿对康普顿效应的解释是不是就是完美无缺的呢?
(3)分析光电效应和康普顿效应对光具有粒子性的解释过程,你受到什么启示
4.4 作业设计
对于学生科学本质理解的评价性作业可以从以下三个方面来进行:(1)评价学生对于科学内容的理解,(2)评价学生对科学知识产生方式的理解,(3)评价学生对于科学知识合理性的理解[1].按照教学目标,可以设计以下作业.
(1)描述光电效应规律及爱因斯坦光电效应方程,(2)描述康普顿效应和光子的动量,(3)你能观察到普朗克的能量子和爱因斯坦的光子吗?你相信存在能量子和光子吗?请说明理由,(4)你认为光子模型的建立合理吗请你给出观点,(5)光电效应和康普顿效应对光具有粒子性的解释合理吗?请你给出观点.
4.5 课外知识补充
(1)介绍太阳能电池、光电管、光控继电器的制作原理.让学生体会科学与技术的区别及相互关系,(2)介绍爱因斯坦、密立根及康普顿的相关生活背景,让学生了解他们的科学研究风格.
5结语
基于科学本质理解的教学不仅有助于学生对科学本质的理解,还有助于学生理解科学内容,培养学生的批判精神和创造性思维.为了能在教学中渗透科学本质,提升学生的科学本质观,教师在进行教学设计时可以采用多种教学方法和教学策略,但一堂课中不需要,也不应该涉及科学本质的所有方面,而应该选取最适合这堂课内容的相关方面进行重点引导和阐释.