重视物理学科中“关于科学的知识”的教育-曹宝龙公开课.pdf

中学物理教学论坛 年 月 第 期重视物理学科中“关于科学的知识”的教育曹宝龙（华东师范大学附属桐庐学校 浙江 桐庐）摘 要：“关于科学的知识”是 的一个重要概念，是科学素养的重要组成 物理教学中要认识“关于科学的知识”的概念，认识“关于科学的知识”的特征，厘清“关于科学的知识”与科学能力之间的关系 要重视培养学生的科学解释能力、基于数据的推理论证能力、物理量的定义能力和科学规则的理解能力；要重视培养学生的模型建构能力和模型解释能力关键词：关于科学的知识；科学素养；科学能力；模型建构能力；科学定义能力中图分类号：文献标识码：文章编号：（）作者简介：曹宝龙（），男，浙江富阳人，博士，教授，博士生导师，中学正高级教师，物理特级教师，研究方向：学科教育与心理发展、教学管理与研究 把科学知识分为“科学的知识”（）和“关于科学的知识”（）“科学的知识”主要是物质科学、生命科学、地球与空间系统和技术系统组成的科学内容体系，它是组成科学课程的内容体系；“关于科学的知识”是研究科学本身的知识，主要由科学探究和科学解释组成 例如，科学是什么，如何研究科学，如何运用科学，科学与技术、社会、环境等的关系等“关于科学的知识”是科学素养的重要组成或核心体现 评价的结果表明，我国学生在“关于科学的知识”方面的表现并没有像“科学的知识”表现那样优秀，而且顶尖学生（）的比例也并不高“关于科学的知识”的概念“关于科学的知识”的基本意义为了培养学生的科学素养，培养学生的科学探究、科学解释的能力，近年来，国际科学教育界非常重视对学生科学学习过程和学习方法的研究，重视对科学素养和科学本质问题的研究 国际学生评价计划（，）对科学能力（）的定义有以下几方面：（）从相关的科学问题中识别问题、获取新知识、解释科学现象、从证据中得出结论的知识和这些知识的运用；（）理解科学的性质是人类知识和探究的一种形式；（）关注科学是如何改变我们的物质、精神和文化背景的；（）愿意关注科学相关问题、科学的思想，做反思型的公民 在 的基础上，对科学素养的框架做了重新改进，保留了 的科学素养的整体思想，但对科学能力中“关于科学的知识”作了分解，关注程序性知识的同时，强化了学生的与元认知相关的认知性知识 对科学能力从以下几个方面定义：（）科学地解释现象，即识别、提供和评估一系列自然和技术方面的现象解释；（）评估和设计科学探究，即描述和评价科学探究，并提出科学地解决问题的方法；（）科学地解释数据和证据，即用各种表达方式分析和评价数据、主张和论点，并得出合理的科学结论 以上定义的三个方面都聚焦于“关于科学的知识”，因此重视“关于科学的知识”对于发展学生的科学素养尤其重要 把 的“关于科学的知识”分解为程序性知识（）和认知性知识（）科学的程序性知识是科学探究需要的探究方法和实践程序的标准，是解决如何进行科学探究的程序问题的；认知性知识是对一般科学探究实践的理论解释的理解，是对科学过程的主动理解、反思和调整的高阶能力，例如建立理论、假说和数据的形成等的要求和意义解释 程序性知识和认知性知识对于科学探究非常关键，主要是为了确定探究问题的适合性，判断使用的探究程序是否适当，并能从价值性、经济性和可能性等方面考虑探究问题的合理性 “关于科学的知识”与科学能力的关系从 认知要求的框架看出，“关于科学的知识”是科学素养中知识与能力相结合的关键教育要素重视物理学科中“关于科学的知识”的教育：表 科学素养的要素联系 能力知识 科学地解释现象评价和设计科学探究科学地解释数据和证据内容知识寻找知识与内容的对应性运用知识构建与检验探究方案运用原理或规则推理数据或证据的合理性程序性知识“解释”的推理或论证程序评价假设的合理性，设计可行性的探究方案用数据解释主张或结论的论证程序认知性知识评估解释的可靠性和合理性，并改进完善监控与评判探究方案的价值、可行性，发现问题进行改进与调整检验证据、数据与结论之间的关系的合理性 表 中阴影部分表示“关于科学的知识”在科学探究过程中的高阶能力，是保证科学探究顺利有效进行的重要能力 因此，科学能力或科学素养的核心是在理解科学内容知识的基础上，科学探究的程序性应用能力和反思、检验与改进程序的能力“关于科学的知识”的特征分析“关于科学的知识”的特征有助于教师认识它的本质，在教学实践中注重科学探究能力的培养，突出科学的本质教育，提高学生的科学素养的水平 “关于科学的知识”是科学探究能力的核心从表 可知，“关于科学的知识”包括了科学能力的三个主要方面（科学地解释现象、评价与设计探究、证据推理）的程序性规则与运用、反思认知性方法与应用等，共六个方面 从探究的表现形式来说，它包括了能力的所有形式，从探究的过程性控制来说，它包括探究的过程性即时程序和反思性调整程序两个方面的能力 因此，“关于科学的知识”是科学能力的核心，是探究成败的关键，也是科学素养的最关键要素 “关于科学的知识”是跨学科能力的核心学科能力的发展决定于在学科概念、规律学习的基础上对学科基础问题的解决策略和方法的应用 跨学科能力则是融合运用多学科知识，与解决具有实际情境的综合性问题的方法和策略直接相关的；跨学科解决问题的方法具有多学科融合的特征 一个综合性物理问题的解决往往需要涉及除物理之外的综合性知识，还会运用一般性科学问题的解决方法“关于科学的知识”正是具有科学本质特征的综合能力培养的基础 “关于科学的知识”是科学实践和项目综合的关键来自于实践的项目或综合性的任务，往往要用跨学科的理念解析问题的本质特征、寻找解决问题的基本思路、使用跨学科的一般性的科学方法等来解决例如，系统的方法、模型的方法、物质和能量的观念、结构分析和功能分析等理念和方法都是跨学科的，都是建立在具体学科之上的具有科学研究的一般性意义 因此，“关于科学的知识”对学生解决综合性问题、实践性任务起到关键作用“关于科学的知识”在物理教学中体现物理学是科学的基础性学科，也是科学的领头学科，“关于科学的知识”在物理学的学习中更富有教育意义 物理学中主要培养学生的科学解释物理现象的能力、评价与设计探究方案的能力和基于证据进行推理论证的能力 科学解释能力的培养科学解释能力包括三个方面：在某一情境下运用科学的知识；科学地描述和解释科学现象并预测变化；鉴别合理的描述、解释和预测 科学解释的核心是在给定的问题情境中能运用已有的知识进行描述、解释，预测变化（规律）科学解释是对观察到的现象进行合乎科学逻辑和现有科学原理的解释 如果我们处于 世纪之前，人们还没有进入远航时代，太阳的“东起西落”现象可用地球中心说解释，认为太阳是绕着地球“东起西落”地转动的，这样的解释与当时观察到的现象是吻合的，在当时这样的解释已经“够科学”的了 但大航海时代的到来，人们根据天象来辨别方向的时候发现“地球中心说”遇到了越来越多的难以解释的现象，用天象也无法准确导航了 在这种情况下，用太阳“东起西落”的“地球中心说”解释就不再是“科学地解释”了，因此在大量的天文观察数据的基础上，哥白尼提出了“太阳中心说”就很好地解决了很多“地球中心说”难以解释的问题科学解释是基于原理对科学事实的分析与论证，或是基于大量的现象或事实寻找科学概念或原理 例如，原子的汤姆生（；）原子模型是在当时的实验事实基础上提出的，能够成功地解释原子的电中性、原子的发光原理、估计原子的大小等现象和事实，因此汤姆生模型成功地解释了之前发现的实验现象 但 粒子散射实验的事实就无法用汤姆生模型解释了，说明汤姆生模型是有局限性的，甚至错误的 这就要求科学家重新建构新的模型来解释中学物理 年 月 包括 粒子散射实验在内的所有事实和证据，这是卢瑟福（；）模型的构建原因或重要意义所在 卢瑟福构建的核式结构模型的关键是用 粒子散射实验的结果数据进行推理与论证的科学解释需要进行必要的比较、推理和论证 例如，肥皂泡为什么是球形的，而不是方形的？荷叶上的大水珠为什么是偏球形的，但小草上的露珠为什么是球形的？回答这些问题，既要考虑同体积下球形表面积最小的原理，又要考虑球的体积与直径的立方成正比、球的表面积与直径的平方成正比的关系比较只有把这些因素综合考虑，进行推理论证才能解释这些问题 这些问题的解释方法也可以类推到其它类似的问题 例如，房屋的能耗与其形状和大小有什么关系？房屋的能耗与其结构与布局有什么关系？要解决这些问题均属于科学解释范畴因此，科学解释的基本方法是：（）运用已有的原理或公理对事实证据做出合理解释；（）根据事实证据建构新的理论或模型来解释证据；（）运用已有的理论，运用合理的方法推测可能发生的事件或现象 基于证据的推理与论证科学是可推理、可论证的，能运用证据或数据推理论证的方法获得主张或结论的，或者运用已有的结论和推理论证的方法预见可能的事件或现象 基于证据是科学的本质特征，也是“关于科学的知识”的重要组成 高中物理有大量的以证据为基础进行推理与论证的案例“月地检验”是典型的推理论证的案例 假设地球与月球间的作用力与太阳与行星间的作用力是同一种力，它们的表达式也应该满足 月地 根据牛顿第二定律，月球绕地球做圆周运动的向心加速度月月 地（式中 地是地球质量，是地球中心与月球中心的距离）进一步假设地球对苹果的吸引力也是同一种力，同理可知，苹果的自由落体加速度苹苹苹 地（式中 地是地球质量，是地球中心与苹果间的距离）由以上两式可得月苹（月球与地球中心的距离 约为地球半径 的 倍）如果测得月球绕地球的向心加速度是地球上重力加速度的，则假设成立 这就是推理论证的魅力所在黑体辐射现象中用经典理论不能同时解释实验与理论之间的高频段与低频段的差异 如果假设组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍，即承认振动着的带电微粒的能量是量子化的，最小能量 ，关于黑体辐射强度与波长之间的关系的分布规律，理论计算与实验结果在黑体辐射的高频段与低频段都吻合得很好 这就是改变原有的观点使证据与观点之间符合逻辑推理的典型案例 物理量的定义能力的培养研究物质的运动和相互作用及其规律时，物理学要研究物质的本质属性，并对它们进行定量研究，这时往往需要定义一些物理量来准确地描述它们 定义物理量的科学思维和科学实验过程是理解科学本质的重要环节 以简单实用原则定义基本单位物理学有七个基本单位 基本单位是对某一个物理量感知基础上的“一个单位”大小的规定，这样的规定也是一种定义 基本单位的大小是人们对物质世界的运动和相互作用的观察、研究的基础上形成的对于物质世界量化认识的基础 例如，“米”的长度小于成年人的身高，但大于婴幼儿的身高，我们可以看成是与人的平均身高接近 为什么人们这样定义呢？其实这样定义会给我们的人类生活带来最大的便利，因为我们接触的大量的日常用品或物件都是这个数量级的 假设蚂蚁是地球上的智慧物种，它们定义的长度基本单位不太可能是“米”的长度，可能会把它们的基本长度单位定义在厘米或毫米的长度附近 同样，定义“秒”作为时间的基本单位也是基于方便，因为人们在交流什么是 秒时，可以说“嘀嗒”一下即为 秒假设把小时作为时间的基本单位交流时间概念就不方便了，且我们较难说清楚 小时是什么样的一段时间 同样，因为我们平时使用的物件和接触的工具等大多是千克这个量级的 因此，物理学定义的基本单位是与我们的生产生活感受量级最接近的 物理量的定义能反映其本质特征从科学本质的角度来说，物理量的定义是人们对物质、运动和相互作用的某种特性分析研究后获得一定认识基础上，寻找出对这种本质特征的定量研究和比较的定式 物理量的定义需要厘清这个量的本质特征、问题研究的基本思想和基本方法、定义式的基本意义等要素重视物理学科中“关于科学的知识”的教育：表 物理量定义的要素例说物理量本质特征研究问题的基本方式定义的意义密度描述物质疏密程度的量 例如，一条 米长的电线上有 只鸟、只鸟，其密度不一样，这是线密度 ；同样有面密度 和体密度 当然，描述 米长的电线上停着 只麻雀或 只天鹅，密度则用 比较合理；同样有面密度 和体密度 前者是关于个数的密度，后者是关于质量的密度主要研究关于质量的体密度（）密度的基本意义是描述物质的疏密程度；（）线密度、面密度、体密度；（）关于质量的体积密度及其相关量；（）定义密度 ，并设计测量方法密度是描述物质随空间分布关系的一个量，是理解物质观的重要概念 可以用微粒说来形象描述物质在空间分布的疏密程度压强描述一个面上受到压力的多少，是单位面积上受到的压力 其本质可以认为是“压力的面密度”主要研究压力的密集程度与效果关系（）压力大面积小、压力小面积小、压力大面积大等各种情境下，解释压力大小与受力面大小两个因素决定受力效果；（）用“压力密度”方法来定义物理量的物理意义是“压力效果”压强的大小是单位面积上受到的压力的大小，表示了某一表面受到的压力的密集程度电场强度描述电场中的每一份电荷受到的力的大小，是电场对电荷作用力的效果体现，其大小等于单位电荷受到的力的大小 与比较形象的“风力强度”可以类比可以把抽象的“电场强度”与形象的“风力强度”类比（）风力的大小是一个确定的值，但同样的风，一个大的受力面积受到的风力大；（）一个确定的面在小风中受到的风力小，在大风中受到的风力大；（）描述风本身的量应该是 ；（）同样的方法可以定义出电场强度 电场强度是描述电场对电荷作用的力的性质，它表示了一个单位电荷在电场中受到的力的大小 显然与压强和风力强度中“单位面积”一样，“单位电荷”是一种公平比较的手段电容导体容纳电荷的本领 一个导体上积累的电荷越多，它的电压就越高 容纳一定的电量的情况下，电压升高越小，说明这个导体容纳电荷的本领越大可与水桶容纳水的本领比较 水桶容纳一定的水量的情况下，水的高度升高越小，说明它容纳水的本领越大 同样一个电容器，容纳一定的电量的情况下，电压升高越小，说明其容纳电荷的本领越大 因此可以用 来定义电容大小 的意义是升高或降低 的电压的情况下，电容器能够充电或放电的电荷量，其大小是改变单位电压所对应的充、放电荷的量比热容分清楚热容与比热容两个概念很重要 热容是物体容纳热量的本领 一个物体吸收的热量越多，它的温度升高越高 因此，升高相同的温度的情况下，吸收的热量越多热容就越大 而比较物质容纳热量的本领就得用单位质量的某种物质，在温度升高相同的情况下，比较吸收热量的多少 即用单位质量的某种物质，在升高一个单位温度时，吸收热量的量越大，比热容就越大这个定义的关键是解决如何描述物质的比热容（）如何比较两个物体容纳热量的本领大小？（提示：吸收或放出同样的热量，比较温度变化，变化大者本领弱）（）如何比较两种物质容纳热量的本领大小？（提示：公平比较的方法是两种物质都用一个单位的质量（）来比较，升高或降低相同的温度，比较吸收或放出同样的热量的多少 吸收或放出热量多者容纳热量的本领强，比热容就大）比热容是物质的基本特性，反映物质容纳热量的本领大小 比较时用单位质量和单位温度改变量，但它与质量和温度变化无关（均相，且没有相变）加速度描述速度变化的快慢的物理量，即其大小等于单位时间内的速度变化量用运动速度变化快慢不同的案例作为研究问题的背景 研究如何描述和比较这些物体运动速度变化的快慢从运动快慢的描述到运动速度变化的快慢的描述是对物体运动的更深层次描述角速度描述转动快慢的物理量，即其大小是单位时间内转过角度的大小物体在相同转动半径和不同半径的轨道上转动，如何描述和比较转动的快慢？可为转动物体的旋转快慢作出判断 物理概念的建立需要对大量的物理现象作出分析与判断，寻找共同特征来概括物质、运动或相互作用等方面的本质特征，这种建立概念的过程是学生获得物理观念的重要途径 例如，在表 中，密度、电容和比热容是反映物质的本质特性的，是建立物质观的重要学习内容；压强、电场强度是反映力的作用性质的，是建立相互作用观的重要学习内容；加速度和角速度则是建立运动观所必须的 物理量的取值应数值简单、方便运用物理学研究需要规则来确立关于物理空间、时间和序列等的反映数量、质量和性质等物理量 这种对于规则的定义应该使系统变得可从质和量两个方面中学物理 年 月 来研究 一些具有矢量特性的物理量，例如位移、速度、加速度、力、电场强度、磁感应强度等，如果分布在一条直线上，就可规定一个正方向，如果这个量的方向与规定的正方向相同，那么其值取正，如果它与规定的正方向相反，其值取负 这种规定使得一条直线上的矢量可化解成代数方式来计算 例如，与 这两个速度哪个大？显然，比较这两个数据要分清楚正负号表示物体的运动方向，而绝对值才表示运动的快慢摄氏温标下，取标准大气压下冰水混合物的温度为，水的沸点为，那么比冰水混合物温度低的温度值就是负数，例如 和 哪个温度高呢，显然是前者，因为此处的零点表示某一个温度值，取这个零点可以使日常生活中的温度的数值都在与接近的、比较方便、合理的数值范围内 如果我们用热力学温标表示日常生活中的温度，则大量的温度都在 附近，这样交流起来就不太方便了 因此，物理学研究中所用的规则应该使我们所研究的系统变得更简单，使用和交流更方便 构建模型可使问题解释和问题解决更简明物理模型是人们对物理研究对象、物理过程和研究结果的表达 模型能够表达研究对象、过程和结果的本质特征 例如，船头为什么没有做成平板型，而是做成尖尖的流线形呢？我们可以用运行过程中船头附近水的流线模型来解释 如图、图 所示，两种形状的船在航行过程中必须“推开”前面的水才能向前走 图 中因为船头是平的，推开的水的面积很大，所以船的运行需要的能量就大，船的速度就不可能大，船的运动耗能也大；图 中推开的水的面积明显较小，所以船行进需要的能量就小，船的速度就可以大流线模型对解释这类问题简单直观，并且容易理解法拉第引入电场线、磁感线后也使很多问题解释变得非常简单了其实日常生活中也有大量模型 体重指数（）就是一个模型 为什么可以用描述人的体型呢？如果我们把人简化成一具圆柱形（忽略了很多次要因素），人的体型就可以用来表示，如果这个系数越大，说明这个人越胖 而人的横截面积 是很难测量的，身体不同的部位 不一样，而且很难取得 的平均值 但数学上可以做换算，我们可以做如下推理：（我们可以假设所有人的密度 为常量）从上面的推理可以知道用和是一样的，无非是系数不同，这并不妨碍反映“体型”这个本质特征而 和 不一样，是很容易测量的物理量，因此一般不用作为体型指数，而是用更方便如果远处有一个灯，我们感受到的灯的光亮度与距离之间存在什么关系呢？这是一个生活中经常出现的问题，其本质是一个有源的辐射点，在距离为 的球面上的辐射（光）强度，这就是中心辐射模型 我们可以设想辐射源在单位时间内辐射出的总量为，则在半径为 的球面上接收到的辐射的强度（面密度）为：辐射总量球的表面积，即球面上的辐射强度与半径的平方成反比其实任何一个中心辐射的模型的强度都具有这个性质，如图 所示 物理学上有一些公式符合这样的规律：（）点电荷的场强公式 ；（）地球上离开地球中 心 距 离 为 的 重 力 场 强 度 是：无限长的线型辐射源附近辐射强度又是如何的呢？如图 所示，我们可以设想线型辐射源发出的辐射量与灯管：的长度成正比，则辐射总量圆柱体曲面的表面积即无限长的线型辐射源附近某点的辐射强度与该点到轴心的距离的一次方成反比科学是人类探究自然现象中形成的具有独特的思想和方法的知识体系，科学的魅力在于其探究过程中所运用的方法、人类所创造的科学探索的思想，因此“关于科学的知识”的教育是科学教育的重中之重物理学是科学的领头学科，物理学所创造的科学思想和科学方法也是物理学习的关键所在“关于科学的知识”在物理教育中，尤其是物理探究与实践中是必不可少的参考文献：吴昱，曹宝龙 科学论证能力及其培养 中学物理，（）：张娜，王玥 科学素养优异学生特点比较 基于 中国四省市、美国和日本学生的数据 教育发展研究，（）：曹宝龙 学习与迁移 杭州：浙江教育出版社，（收稿日期：）中学物理教学论坛 年 月 第 期（）教育中国化的多学科参与教学理论分析及教育实践邓先君，赵婷婷 乔翠兰（武汉市第三十九中学 湖北 武汉；武汉市英格中学 湖北 武汉；华中师范大学 湖北 武汉）摘 要：从（）教育的发展演化角度切入，在教育形式和教育理念两方面分析了其教育进化的积极意义和不足：实用主义教育倾向和降解机制与机械揉和的教育困境 结合我国新课程改革的科学素养追求价值导向，从课程标准、教材、教育监测、附带基于科学真实情境真实数据的教育素材转化等多个方面讨论了（）教育中国化问题在（）教育中国化视角下求同而非取异的多学科立体参与教学在教育理论和教育实践中的必要性和可行性，指出：在基于静态教材的动态教育展开时，科学真实情境真实数据的基础教育素材转化是会有一定的（）教育项目区间分类意味，但这种分解和分类在新的课程改革体系下是为了形成多学科的教育合力，是单一学科教材之外的重要教育素材补充 从课程实施到教育监测和评估的多元素融合角度来理解（）教育、多学科立体参与的教学能丰富主体科目课程展开样式和课程实施形式，当然也对教师培养和教师继续教育提出了挑战，以科学真实情境教育转化为基础背景做多学科立体教学的教育案例关键词：（）教育中国化；学科参与；基于标准的课程改革；教育案例中图分类号：文献标识码：文章编号：（）基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（项目编号：）作者简介：邓先君（），男，湖北广水人，硕士，中学一级教师，研究方向：教育教材比较、科学真实数据教育转化、物理课程与教学论等方面的研究；赵婷婷（），女，湖北武汉人，硕士，中学一级教师，研究方向：复杂网络、中学物理教学；乔翠兰（），女，湖北荆门人，博士，副教授，研究方向：大数据环境下的教育创新、信息技术与课程整合、中外教材比较研究 （）教育形式和教育理念分析从（、几个单词的缩写）教育概念自身的发展来说，起源于“（、的 缩写）”的“”教育一而贯之地体现了西方教育实用主义的价值取向 在高度发达的工业社会背景和高度紧张的国际工业资源分配分工竞争压力下，基于科学与技术的教育实用主义开启了科学、技术、工程、