融人文素养于科学教育之中

融人文素养于科学教育之中 ──谈牛顿第一定律的教学一百多年前，马克思就指出：“自然科学往后将包括关于人的科学，正像关于人的科学包括自然科学一样，将是一门科学”。他又说：“自然界的社会现实，和人的自然科学或关于人的自然科学，是同一个说法。”当今现实已经证实了马克思的预言，自然科学与社会科学统一，科学整体化发展已经成为不可抗拒的潮流。所以在自然科学的教学中如何贯穿人文素养教育，而不仅仅是具体学科知识的传授，现象的罗列……深刻挖掘教材，融人文精神于科学精神之中，笔者做了初步尝试，以牛顿第一定律的教学为例加以论证。 牛顿第一定律是牛顿经典力学体系的开篇，也是继续学习牛顿第二、第三定律的基础。牛顿第一定律在初中阶段学生已经学习过，但学的比较简单，对概念的理解也很肤浅；所以在高中阶段再次学习这个内容时，不仅要在知识上有所突破，而且还要从科学的研究方法和认识论上有进一步的提高。为此，笔者在教学中对教材在以下几个方面做了突破： 一、在科学知识的讲授中，适当穿插科学发现和发明的历史以及科学家的故事 从人类开始思考力和运动的关系到形成牛顿第一定律历时两千多年，这其中凝聚了无数人的心血，也走了一些弯路。了解它产生的历史背景、形成和发展的过程，了解它的来龙去脉，能够更深刻地理解它们的本质。而且历史上物理学家对某一物理现象、概念或规律的发现，其思维过程与今天学生认识这一问题的思路往往有类似之处，现在学生头脑中认识这一问题还存在“亚里士多德”式的错误。所以借助于物理学史料可以启发学生思维，澄清认识。 （一）教材上物理学史的教学设计有以下不足： 1．课本上引述了一段亚里士多德的话“必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来”。这是对力和运动的一个错误认识。高一《物理》教材上对亚里士多德的介绍几乎没有，谈到他的时候都是引用他的一些错误观点，这样很容易给学生造成一种误解。我们应当对在人类历史长河中有卓越贡献的人物有一个客观公正的论述。 2．把牛顿第一定律当成一个不变的、终结性的东西。对牛顿之前，讲了从亚里士多德以来近两千年的历史，而对牛顿之后却只字未提，这就使学生对牛顿第一定律的领悟有一种僵化的感觉。事实上惯性定律是人类理性在两千多年的历史长河中发展的产物，它不仅在牛顿之前经历了曲折的发展历程，在牛顿之后也有了很大的发展。 （二）教学中对不足之处做了如下改动： 1．增加对亚里士多德的介绍：（Aristotle公元前384－前322）古希腊著名的哲学家、教育家、文学评论家、物理学家、生物学家、教育家、伦理学家和教师。他的讲课被认为是古希腊思想的百科全书。 引用黑格尔的话：“亚里士多德乃是历史上最多才、最渊博（最深刻）的科学天才之一，他是一个在历史上无与伦比的人……柏拉图的著作被广泛地阅读，亚里士多德则直到最近还未被认识，所流行的乃是关于他的一些最错误的偏见”。 2．增加牛顿之后思想家们对惯性及惯性定律的研究成果：在牛顿之后，爱因斯坦与诺特尔对惯性定律的发展所做的创造性工作，特别是爱因斯坦在创建了广义相对论以后，使得惯性定律变得更具包容性。主要事件有： （1）1905年，爱因斯坦的“相对论”揭示了空间与时间是有联系的…… （2）1927年，“量子力学”的发展表明，基本粒子的性质与对称性有极大关系…… （3）1956～1957年，杨振宁、李政道提出了“宇称不守恒”，吴健雄用实验验证了这一理论…… 3．另外还要说明在科学上前人虽然已经取得了辉煌的成就，但目前已知的仅仅是很少的一部分，还有无数的未知之谜留待后人去探研；而前人所得到的结论，也决非金科玉律、不能变更。 教学实录在课堂上，还出现了一个意想不到的小插曲：在讲述物理学史的过程中，为了增加同学们学习的兴趣，我展示了几个物理学家的头像。每一个头像都会引起学生一阵小小的骚动。当我把其中一个科学家的头像展示之后，一女同学大声地说：“真对不起观众啊，怎么长这样呀？”她的话引起全班同学的哄堂大笑。我仔细一看，哦！这个女生长得眉清目秀，怪不得敢这样肆无忌惮的说话。 我稍微停顿了一下，没有理睬她，继续讲述这个科学家的成就和贡献，只不过对他的介绍更加丰富细致了，慢慢地教室里静了下来，同学的眼神也慢慢地变得严肃起来。介绍完了之后，我指着头像说：“现在咱们同学再看看他感觉如何”？没有人说话，我又继续说：“同学们想没想过我们现在学习的知识，学到的每一个公式、定律凝聚了多少科学家们的心血和汗水，承载着多少曲折和艰辛；我们面对他们的时候，感到的应该是幸运和感恩，他们是你成功的基石，前进的云梯，你要想看得更远，必须站在巨人的肩膀上，而他们就是巨人。”我讲到这里，一男生小声地嘀咕：“从没有那么想过”。我接着补充道：“那就从现在开始，用一种全新的目光去审视我们现在所学的知识及创造这些知识的科学家”。 没有人再笑了，同学们听的很认真…… 所以物理学史的引入还可以让同学们重新审视我们所学的知识，因为它承载了太多人的心血与汗水。 二、科学教育要激发学生对科学的兴趣 科学知识，包括概念规律方法等，不是死板的，而是从活生生的自然现象中分析、抽象、总结出来的，是“有血有肉”的。 1．在介绍伽利略反驳亚里士多德的关于力和运动的观点时，设计了如下三个梯度： （1）通过生活中的现象，分析现象的本质。 演示实验：一辆小车从不同斜面的同一高度下滑，在粗糙程度不同的水平面上滑行，得出结论：小车停下来的原因是小车受到了阻力，所以驳斥了“无力则停”。当水平面摩擦力越小，小车停下来要走的路程就越长，当小车不受阻力时，小车将永远运动下去，从而驳斥了“有力则动”。 （2）通过课件介绍伽利略的理想实验。 （3）通过气垫导轨模拟物体间没有摩擦的理想情况。该实验提供了阻力很小的条件，它的原理是气泵给气垫装置打气，从而在滑块与导轨间形成一层空气薄膜，滑动时阻力很小。可以验证滑块的速度近似匀速。 2．惯性定律的实例分析 分析惯性在不同情况下的表现时，课上举了大家司空见惯的现象，刹车时人的上身倾斜，而脚却可以在摩擦力的作用下和车一起减速。引导大家一起分析，得出结论：物体不受力时，物体的惯性维持原来的静止或匀速直线运动的状态不变；物体受力时，物体的惯性使物体的运动状态的改变需要时间。 3．培养学生科学的人生态度和思维发展现 面对牛顿第一定律要使学生明白：任何一个概念和规律的形成都要经历长期和复杂的过程，同时凝聚了许多科学家的心血，我们要抱着一种崇敬、感激和严肃的态度来学习，为将来的研究打下基础。只有站在巨人的肩膀上，我们才能站得更高、看得更远，才能在继承的基础上发展和创新。 三、引导学生掌握科学的思维方法 物理学在长期的发展过程中形成的科学方法，不仅对物理学的研究，而且对整个自然科学甚至社会科学的研究都有重大影响。 从亚里士多德对事物表面的粗糙的认识到伽利略把实验和科学的推理引入到科学研究中，这是一个伟大的飞跃。爱因斯坦曾这样评说“伽利略的发现及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，它标志着物理学的真正开端”。而伽利略的这两种方法，在本节课中都有体现。实验的重要性不言而喻。理想实验的方法要多费些笔墨，所谓理想化的方法就是设计合理的实验，研究理想的物理过程，从而形成概念，提取规律。而伽利略的实验正是设置了一个理想化的装置，认为水平面不具有摩擦。用理想化方法研究物理现象，从中提取反映物质运动内在的、本质的、相对稳定的规律。 伽利略理想实验分析： 伽利略理想实验将可靠的事实和理论思维结合起来，能更深刻地反映规律，有关实验程序如下： （1）两个对接的光滑斜面，使静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面。 （2）如果没有摩擦，小球将上升到释放的高度。 （3）减小第二个斜面的角度，小球在这个斜面上仍要达到原来的高度。 （4）继续减小第二个斜面的倾角，最后使它处于水平位置，小球因为永远也到不了原来的高度，所以沿水平面将永远的运动下去。 事实（1）→推论（2）→推论（3）→推论（4） 四、建立正确的认识论、发展观 牛顿第一运动定律（惯性定律）的建立，具有深刻的物理哲学意义，它告诉人们惯性是所有物体具有的本性，打破了地上运动和宇宙空间运动的人为界限，统一了宏观与微观物质世界的运动，并提出了处理任何运动的单一模式。由此出发可顺利研究物体运动状态改变的原因，它是牛顿第二、第三运动定律的基础。 1．形成正确的认识论 由于人们是在有限时空范围内认识无限发展变化的物理现象，所以人们对物理概念的认识也经历了一个由浅入深、由简到繁、由表及里的过程。换句话说，一个完整的概念往往是不可能一次了解清楚的，讲概念就要联系到一个发展过程。 毛泽东在《实践论》中对感性认识和理性认识的关系做出如下的论述：“感性材料固然是客观外界某些真实性的反映，但他们仅是片面的和表面的东西，这种反映是不完全的，是没有反映事物本质的。要完满地反映整个的事物，反映事物的本质，反映事物的内部规律性，就必须经过思考，将丰富的感性材料加以提炼，去粗取精、去伪存真、由此及彼，由表及里的改造制作过程，造成概念和理论的系统化。就必须从感性认识跃进到理性认识。” 2．用变化和发展的眼光看问题 事实上，任何一个物理概念的形成都经历了一个动态的、历史的阶段，都有一个从感性到理性、从低级到高级、从粗糙到精密的产生、发展和演变的过程。讲物理概念，应从历史发展过程来讲，讲怎样反复纠正错误的概念，现在的概念是什么，使学生懂得所学的知识是发展的，变化的。这样就把概念讲活了。否则，学生就以为物理概念是天经地义的、绝对不能破坏的，从而形成一种僵化的思想。事实不是这样，物理学永远是在不断前进、不断发展的。没有任何一个物理概念、定律可以被视为终极真理，人们在有限时空范围内获得的物理知识只能是近似的、相对的真理、物理学大厦只能完善，却永远不会封顶。 用变化的、发展的观点，结合物理概念发展史讲解物理概念，既符合人类的认识规律，又有着故事趣味性，自然会加深学生对物理概念的理解，同时还有助于消除学生对物理概念来源的“神秘感”。当物理课的人文因素被充分挖掘出来之后，干巴巴的知识立刻变得充实、丰满和有趣，再也不是平铺直叙地罗列事物的现象，就事论事地分析事物的机制和规律，机械枯操地进行逻辑的推理，而是让学生体会到物理在其发展的过程中凝聚的丰富的人文精神，人的求真精神，人的勇敢乃至献身精神，人的审美追求，人对人类的关爱与善待，这些珍贵的人文精神在物理史上闪耀着光芒。教师要十分自然地将这些展示在学生面前。在这个过程中教师和学生一样受到了熏陶，使自己的教学过程也充满了激情，学生在快乐而情绪紧张的气氛中，获取知识。