体现科学本质的物理探究教学
——以“理想气体的状态方程”为例

陈新华 刘霁华

(1. 常州市第一中学,江苏 常州 213003 2. 常州市教育科学研究院,江苏 常州 213000)

1 问题的提出

2017版普通高中物理课程标准在基本理念部分提出“注重体现物理学科本质,培养学生物理核心素养”,[1]明确了通过体现科学本质来培养学生物理核心素养的方式．对于如何在教学过程中体现科学本质及物理学的学科本质,教学中往往会存在这样的误区:总认为经过科学探究的过程,学生就能潜移默化地理解科学本质和物理学科本质．实践表明,对科学本质的认识和内化是一个非常困难的过程,仅靠潜移默化效果微乎其微．要能达到课程标准对于科学本质的教学要求,教师需要重新思考和审视已有的教学,在教学过程中把对科学本质的理解和思考显性化．

2 对科学本质的认识

科学本质,是指科学本身所固有的、决定科学性质、面貌和发展的根本属性,[2]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等3个维度的内容．科学本质回答了科学是什么的问题,主要说明了科学知识是如何产生、发展及在新的条件下失去合理性,说明科学不仅是静态的知识和结论,也是动态的、具有自我更新功能的科学认识活动,包含暂时性、创造性、观察和推理、主观性、理论和定律的作用及二者的关系、社会嵌入和文化嵌入性、基于实证等7个方面．[3]

科学是知识,更是一种方法,科学探究的过程比科学的结论更有用．因为科学结论是暂时的、个体的,只有科学方法是可以迁移的,放之四海而皆有用的．所以,在教学中显性化体现科学本质,是培养学生科学思维和科学探究能力、形成科学态度与责任的基础．目前来讲,对科学本质显性化的教学,主要有两种途径,一种以科学探究的教学来促进学生对科学本质的理解,另一种以科学史、哲学史等内容融入教学来增进学生对科学本质的理解．[4]

本文以人教版高中物理选修3-3第8章第3节“理想气体的状态方程”一课为例,尝试在探究教学过程中显性化体现科学本质、培养学生的核心素养．

3 体现科学本质的物理教学案例

片段1:情境引发思考,提出科学的问题.

情境1:瘪掉的乒乓球(图1),如何很便捷地修复?(用热水捂或电吹风吹)

图1

情境2:热的空玻璃杯倒置插入冷水中(图2),液面很快上升,似乎水杯能“吸水”．是玻璃杯很特别吗?还是什么原因?

图2

思考1:看似不同的情境,有时会蕴藏着相同的规律．上面两个情境中,引起乒乓球复原或液面上升的直接原因是什么?(密封气体压强的变化)

思考2:密封气体的状态参量都发生了怎样的变化?初末态之间是否会存在某些定量关系?

思考3:这个过程是等温、等压、等容过程吗?用气体实验定律能直接解决吗?(看似简单的过程,因为3个量同时变化,已有认知结构不能解决,形成思维冲突,引发学生的思考)

提出科学的问题:我们能研究什么问题?(密闭气体3个状态参量都发生变化时,是否存在一定的规律?如果有,遵循怎样的定量规律?)

点评:科学的问题大多数都是源于生活情境,不同的情境表象,有时候可能会遵循同样的规律．面对现象,我们可能提出很多的问题,常见的包括“是什么”、“为什么”、“怎么样”,有些是现象的描述,有些是规律的描述,还有些是本质的探索和模型建构．什么是科学的问题呢?科学问题应该是能聚焦于普遍的自然规律,用来理解和解释自然世界,可以通过观察、实验、推理等的方法多角度验证,从而得出结论．

小结:提出问题有时候比解决问题更为重要,教学中创设恰当的情境,引发学生思维的冲突,引导学生去提出科学的问题.在此过程中既能培养学生发现问题的能力,还能培养学生的创造力．点评过程就是显性化地让学生理解怎样的问题才算是“科学的问题”,引起学生对科学本质的思考．

片段2:探究科学规律,体验科学知识的发展性.

图3

探究1:如何在p-V图上表示出3个状态参量?(加等温线)如何建立两个状态之间的联系?(找路径)可能有哪些路径?(如图3,①、②、③、④等)选取哪些路径比较方便推理?(3个量都在变化,可以用控制变量法,只让两个量变化,就能纳入原有知识体系,用原有知识解决新问题)

质疑1:通过一条特殊路径得到的两个状态之间的定量关系,是否就能说明这个结论符合所有情况?我们算是得到确切的结论了吗?(不能,还需要再找些过程来验证)

图4

质疑2:6个过程都得到了相同的结论,就能说明任意路径一定满足这个规律了吗?(不能,只能说明这些路径满足这一规律,但是这些路径都是特殊路径,一般路径是否符合,还需要进步证明．)那是否说明我们的推导没有意义?(不是,能说明一些规律,只是有可能还不完善．)

点评:从有限路径归纳得出结论叫不完全归纳法．不完全归纳的过程体现了人类对于客观世界认识从特殊到一般、逐步加深的过程．科学研究有一条原则,“非同寻常的主张需要非同寻常的举证”．理论推导得到的结论,还需要经受事实的不断拷问和验证,有些被证实了,有些被证伪了．我们的这个结论能经受得了拷问吗?我们还能如何去验证它?(通过实验数据)

小结:寻找路径的过程,是通过构造性的尝试去摸索、寻找科学规律的过程,让学生从中体验规律探究的创造性．不完全归纳的过程,既体现了人们对客观世界认识过程中的抽象概括性,也反映出了科学的主观性和不完善性．通过特殊路径两次得到结论,教师两次质疑,引发了学生对结论适用条件的思考,也是在这样的过程,让学生体会到 “猜测和假说”的科学本质．

片段3:设计探究实验,体验科学的实证性.

制定实验方案:我们想通过实验解决什么问题?要测量哪些量?需要哪些器材?可能有哪些困难?(要找一个不是特殊路径的一般变化的过程,3个状态参量都发生变化,看看是不是满足刚才的结论．需要测定3个状态参量在不同状态的值．可以用传感器测定．可能的困难:漏气,状态不稳定,读数不准确等,最好能实现多次测量)

图5

研究实验装置:如图5,一定质量的气体密封在导热性和气密性都非常好的气缸中．温度传感器和压强传感器内置于气缸,具体数值可通过软件直接读出．旋动活塞连杆,可上下移动活塞以改变体积,体积的具体数值可从体积标度杆直接读出．同时改变3个状态参量,就可通过实验来验证理论推导的结论．

表1

点评:实验举证的过程体现了科学实证性的本质．理论推导和实验验证是科学规律确认过程中相互依存、缺一不可的两个方面．判断一个结论是否科学有两个依据: “简洁性”和“可预测性”．我们得到的这个规律符合简洁性吗?能预测实验结果吗?说明了什么?(规律既简洁,又能较好地预测实验结果,实验证实了规律的可靠性．)

小结:为了适应高中生的认知水平,本部分内容不管是理论推导还是实验论证都是通过有限次过程得出的实验结论,从本质上来讲都是不完全归纳．本节课让学生设计实验后,借助于传感器帮助学生实现了定量实验,不仅让学生真切地体验到实验对理论结论的验证,更是引导学生去发现理论推导对实验结果的预测作用．在此基础上,显性化介绍结论是否科学的判断依据和方法,让学生在科学探究的一般过程中,体验科学判断的方法和科学实证性的本质．

片段4:讨论实验条件,体验科学的自完善性.

进一步质疑:特殊路径和不完全归纳法得到的结论,被实验证实了,是不是就能说明这个结论适用于所有情况了呢?(质疑引发学生的进一步思考)

数据分析:科技的发展使实验条件的范围扩大了很多,表2是科学家们研究一定质量的He气体,在温度为0 ℃时,体积随压强变化的实验数据．

表2

思考:从表中数据,你发现了什么问题?可能是什么原因?能得到什么结论?

点评:科学结论的准确性是受限于当时的认识水平的,一般都只是一段时间内或一定范围内的准确．但科学发展同时也具有自我纠正和更新完善的能力,实验条件的扩大,促使人们对气体实验定律适用范围展开思考,也促使人们对理想气体这个微观模型所对应的宏观条件有了更完善的认识:压强不太大、温度不太低．

小结:这部分内容在人教版教材中是放在本节内容的开始,通过实验数据说明气体实验定律的适用条件,并初步提出理想气体模型．笔者把这个内容调整了顺序,体现出物理学发展过程中测量技术发展对实验的重大贡献,突出了人们对客观世界的认识是一个逐步深入和递进的过程,而科学本身也具有不断地自我完善的机制．

4 体现科学本质教学的策略与展望

科学是一种观念,体现了人们看待世界的眼光．科学不仅是系统化的知识体系,也是一种不断发展和自我矫正的探究过程．[5]目前所公认最“科学”的科学观是:“科学是一种假说”,体会到这一点,学生就能不迷信于权威,敢于尝试和探索,敢于对已有的结论提出质疑,敢于用创造性的方法去面对和解决问题．

教学过程中体现科学本质,是涉及所有科学学科教学的系统性工程．从物理教学来讲,要有整体意识,从学期计划、到单元计划、到章节计划,有计划、步骤、有重点地在教学过程中体现科学本质．目前比较可行的一个策略是:研究物理学和物理学史,设计体现科学本质的教学;在探究过程中,任务驱动,让学生体验科学本质;教师点评与引导,使学生对科学本质的理解显性化．科学探究主要包括提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行试验与收集数据、分析与论证、评估交流与合作等7个环节,在解决问题的探究过程中,学生对科学研究的一般方法及科学的假设性、实证性、验证与预测性等本质都会有深刻的体验,教师如再能精心设计探究过程,进行恰当引导和点评,必能体现科学本质．本文的教学设计案例就是体现了这一策略．

教学过程中显性化体现科学本质,培养学生的核心素养,也不可能一蹴而就．一方面,依赖于教师本身的科学素养和对科学本质的理解及实施水平,需要教师不断地学习和自我学习．另一方面,体现科学本质的物理教学,从长远来看,有利于培养学生的创造力、质疑精神,促进学生更好地理解科学本质;但从短期来看,不一定能立刻提升学生的学习成绩．需要我们用平和的心态,坚持不懈地努力,着眼于学生科学素养的提升,静待花开．

希望我们对科学本质教学的不断尝试和努力,可以让我们的学生:用科学的眼光审视世界,用科学的精神面对问题,用科学的方法解决问题、改变世界．