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物理教材與新的科學觀教育論文
摘要：新的高中物理課程改變了以往過分強調知識與技能的做法，明確規定了“三維”課程目標。課程教材研究所物理課程教材研究開發中心組織編寫的《普通高中課程標準實驗教科書·物理(必修)》在落實三維課程目標方面作出了努力，旨在幫助學生通過學習形成豐富的、立體的、正確的科學觀，促進學生對科學本質的理解。
關鍵詞：新課程；物理；教材；科學觀
一、教科書要為落實三維課程目標服務
《基礎教育課程改革綱要(試行)》(以下簡稱《綱要》)對課程目標的具體要求包括：“改變課程過于注重知識傳授的傾向，強調形成積極主動的學習態度，使獲得基礎知識與基本技能的過程同時成為學會學習和形成正確價值觀的過程。”[1]中華人民共和國教育部制訂的《普通高中物理課程標準(實驗)》(以下簡稱《課程標準》)根據這個要求明確地把高中物理課程的具體目標分為“知識與技能”“過程與方法”“情感、態度與價值觀”三個方面，[2](8)即“三維”課程目標。
三維課程目標的提出，旨在改變以往過分注重知識傳承的課程實踐，是這次課程改革的重大突破，是對教育本質認識的一次飛躍。它為培養“具有初步的創新精神、實踐能力、科學和人文素養以及環境意識；具有適應終身學習的基礎知識、基本技能和方法；具有健壯的體魄和良好的心理素質，養成健康的審美情趣和生活方式”[3]的一代新人奠定了基礎。我們必須對三維課程目標的含義以及三者之間的關系有一個比較清晰的認識。本文將結合課程教材研究所物理課程教材研究開發中心組織編寫的《普通高中課程標準實驗教科書·物理(必修)》(于2004年9月供實驗區試用)，對物理教育中三維課程目標的設置、實施、落實等方面的問題做些探討。
二、加強過程與方法的教學
這套教科書不追求以“簡明、輕快”的方式給出知識的結論，而是努力把得到知識的過程適當展現給學生。關于得到知識的過程，它有兩方面的含義。一方面是學生個體在學習中的活動過程、思維過程；另一方面是人類認識某一規律時科學家群體的活動過程、思維過程。關于第一個方面，可以用“勻加速運動的速度與時間關系”的教學為例做些說明。
如果只考慮知識的掌握，那么，從加速度的定義出發，經過代數式的變形，馬上就可以得到，于是就能用來解題了。然而，教科書賦予了這段內容更多的教育意義。教科書的思路如下。
通過實驗忠實記錄小車在重物牽引下運動時，時間與對應的速度的數據
↓
作出速度與時間關系的圖象
↓
發現存在著這樣一種運動，它的圖象是一條傾斜的直線
↓
發現直線圖象所代表的運動，是加速度不變的運動，給出勻變速運動的定義
↓
通過圖象一般性地研究勻變速直線運動，得出
書中這段內容雖然不與人類對此問題的認識過程完全一致，但對于作為個體的人，它卻是一個學習、認識科學規律的好例子。它強化了從實驗得出規律的一般性過程，練習了用圖象分析問題的通用方法，邏輯線索清晰。它在價值觀及科學過程、科學方法上的教育價值比較高。
再如，拋體運動的教學是另一個例子。
過去課程的著眼點在“知識點”，《教學大綱》沒有把斜拋運動寫在上面，教科書就不能討論斜拋的問題。《課程標準》與過去不同，要求“會用運動合成與分解的方法分析拋體運動”，也就是說，新課程對“方法”給予了更多的注意，而對于方法的載體──知識，沒有苛刻的限制。因此，教科書在研究了直線運動后，把拋體運動當做一個實例，目的是討論在平面中應用牛頓運動定律解決問題的一般性方法。指出這個問題與直線運動問題的不同點是，需要在x、y兩個方向上分別作出受力分析，在兩個方向上分別應用牛頓運動定律和運動學的規律。對于拋體運動在兩個方向上運動的具體規律，不像現在的課程那樣強調，對于平拋與斜拋兩種運動，也不刻意區分。
教科書中的“思考與討論”“說一說”等欄目，目的也在于展示學習過程中的思維活動。
“科學足跡”等欄目則介紹了歷史上科學家群體認識自然規律的過程。在呈現這些歷史材料時，編者把它放到當時的大的社會背景中去，從當時社會的經濟、文化環境去認識科學史中的事件。
三、重視情感、態度與價值觀的教育
什么樣的人具有較高的科學素質?這不僅要看他的科學知識的多少，而且要通過言行觀察他對科學本質的認識，對科學過程、科學方法的領悟，特別是他的價值觀在多大程度上與科學的價值觀相一致。對那些以后不去研究物理學的學生來說，后者可能是中學物理課程更重要的教學目標。
e=宋體>愛科學的前提是要懂科學。編者最基本的努力是要使學生學懂科學，從而達到理解科學的目的。
(一)層層鋪墊，不斷深入
學生有時說某部分內容難，其實不是處處都難，而是存在著一兩處“思維障礙”，難以突破。編者研究了學生的思維特點，力圖把困難的地方找準，在那里多搭幾個矮一點的臺階。編者認為，在一定程度上可以帶些夸張地說，“沒有不能攀登的高山，只有上不去的臺階”。因此，我們采取層層鋪墊，不斷深入的方法。學生學懂了，才能滿足他們的好奇心，體會到學習的樂趣，才會有成就感，才會察覺到科學中美好的東西。例如，第六章第六節“分析勻速圓周運動的加速度方向”，教科書分5步走，特別把矢量的運算分得很細，引導學生得出正確認識。第五章第五節“探究彈性勢能的表達式”，也是把一個比較困難的問題分解成了若干簡單的問題。
(二)滲透辯證唯物主義思想
這套教科書對于極限概念的處理，既有加強過程與方法教育的考慮，也有加強情感、態度與價值觀教育的考慮。
在現代科學中，動與靜、曲與直、變與不變、整體與部分等辯證關系，都需要用極限的思想去理解。在信息技術中，把模擬信號變為數字信號時的取樣、幅度分級，就是極限思想的一個例子。這是一種重要的思想方法。對于樹立辯證唯物主義的世界觀、避免形而上學的思維模式都有積極作用。在高中物理適當引入極限思想的出發點就在于此。
有一種意見認為，學生將來在大學會系統地學習這些內容，中學沒必要學。編者的意見是，學習的內容可以按性質分為兩類，一類是知識性的，一類是方法性和觀念性的。對于前者，如果以后有機會學，沒必要重復；而方法性的、觀念性的東西，需要多次接觸，才能逐步深入地領悟。人們缺少的知識可以在一生中的任何時刻補充，而方法性的東西，特別是觀念性東西的學習，在成長過程中時機的選擇，是非常重要的。
(三)強調理性思維和邏輯線索
物理學是一門成熟的精密科學，實驗事實是它的基礎，邏輯關系構成了它的理論結構，兩者缺一不可。在高中階段，我們要在可能的程度上按它本來的面目展現給學生，使學生看到，這是人類三百多年來創造的一個有代表性的學科，它為我們奠定了現代文明的物質基礎。我們不能不負責任地給學生造成一種假象，好像科學是一些支離破碎、經不起推敲的知識堆砌。
人的科學素質表現之一是“說話要有根據、說話要合乎邏輯”。教科書力求一步一個腳印地走，事事不馬虎。凡是由于知識基礎、實驗條件等需要跳過的邏輯環節，教科書中都明確指出。這樣做的目的，是讓學生也養成這樣的習慣。
例如，關于做勻速圓周運動物體的加速度的方向問題，本來可以只從小球在水平桌面運動時的受力體驗出發，得知做勻速圓周運動的物體受力的方向，由此推斷一切做勻速圓周運動物體的加速度的方向。但是，這個思路是從個別實例得出一般性的規律，有以偏概全之嫌，得出的結論并不可靠。我們不應該使學生在不經意間形成這樣的思維習慣。為此，教科書利用加速度和矢量運算的知識，在普遍情況下得出做勻速圓周運動物體的加速度的方向，這樣得出的論斷才具有一般性。在這之后，根據牛頓第二定律得出的物體受力方向，也才具有一般性。
需要指出的是，第六章第六節是以“思考與討論”開始的，請學生通過兩個實例的分析，思考做勻速圓周運動的物體的加速度方向。盡管不能由此得出普遍的結論，但這樣的實例卻對問題的答案給出了明確的提示，在進行普遍性的討論中，它給我們指出了方向。因此這些實例不是可有可無的。這樣處理經驗與邏輯的關系，是科學方法的體現。在第二章第三節“勻速直線運動的位移與時間的關系”中也有類似的處理。
對于許多將來不以科學技術為職業的學生，也許勻速圓周運動的知識將會忘記，但一次又一次這樣的邏輯訓練將長留心中，成為他們的潛意識和價值觀。學生將會思維有條理，看問題不片面，善于認識新事物。類似的教學設計，將對學生這樣思維習慣的形成起到積極作用。
應該說明的是，諸如勻速圓周運動的加速度方向等問題的討論，并不要求學生獨立地復述，更不要求用這樣的方法解決其他問題。只要學生能跟下來，認為說得有理，編者的目的就初步達到了。這樣做，更多的是著眼于情感、態度與價值觀方面的教育。經歷過這樣的學習過程與沒經歷過是不一樣的，按教科書這樣學習，學生會感到物理學是“說理”的。
教科書堅持用事實說話。編者特別注意，一切概念、規律的得出都要有實際事物做根據，概念規律的引入都從生活、技術或實驗中的實例出發。一切論述都要合乎邏輯，不出現似是而非的說法，不與已有的認識相矛盾。為此，這套教科書比較強調邏輯的線索。
(四)拓展科學精神的教育
教科書不止一處提到通過實驗得出結論需要“勇氣”，這是否鼓勵學生莽撞行事，而與我們提倡的科學精神不符呢?不，人類的知識不是通過演繹得來的，單純的演繹不能得到新的認識。普遍性的規律也不是通過簡單的歸納得來的。猜想與假設、對自然規律某些特征所持的信念，這些才是創造性思維中最活躍的因素。這是編者寫下這些文字時的思想基礎。
例如，在實驗研究物體的加速度與它受力的關系時，幾次實驗的aF直線都不會完全經過原點，但會十分接近原點。當然可以采用更精密的實驗手段，但那時我們對精確度的要求應該更高，于是它還不會完美地經過原點。適當的時候就要敢于相信，真正的自然規律應該是a∝F。在談到伽利略把沿斜面下滑物體的運動規律外推到自由落體時，在把作用于行星與太陽間的引力推廣到地球與月球、地球與地面物體，甚至推廣到任何物體之間時，以及在確定物體動能的表達式時，教科書從思路到行文都做了類似的處理。
過去我們關于科學精神的教育主要是辛勤與嚴謹，這兩方面的確是不可缺少的，現在還要進行這些教育。但是，如果僅僅是這些，那么對于任何形式的創新都是不夠的。因此，教科書做了上述努力，希望它在激發學生的創新活力方面起到積極的作用。這種活力不限于物理學的研究和學習，它會表現在學生未來生活的方方面面。
章前富有針對性的名人語錄都能畫龍點睛地在情感、態度與價值觀方面起到很好的教育作用。例如，第七章第四節學過萬有引力定律的應用后，適時引用的李政道關于物理規律普適性的話語，第七章第一節引用梁啟超關于科學與藝術關系的見解，以及緒言“物理學與人類文明”引用的莊子的話，讀起來都會有震撼的感受。
四、為教學中的科學探究提供方便
《綱要》多次指出科學探究在教學中的重要性，《課程標準》則在“內容標準”中明確規定了對科學探究的教學要求。[2](10)這套教科書在科學探究方面進行了嘗試。
科學探究是一種精神，這套教科書從整體上說是以探究的思路展開的。探究式學習與接受式學習的本質區別，在于學習過程中后者的結論是已知的，或由教師、教科書直接告知的，而前者的結論是通過學生自己的活動由自己獲得的。在這個思想指導下，書中課堂實驗、演示，都不像過去的教科書那樣把現象甚至結論和盤端出，而是用啟發性的語言引導學生自己觀察、發現與思考，自己提出問題并尋找問題的答案。“思考與討論”“說一說”，以至全書的語言風格都是為引導學生探索而確定的。
(一)體現科學探究方式的多樣化
高中物理教學中的科學探究不全是實驗探究，這點需要明確。通過自己的探索，變未知為已知，這樣的教學活動就是科學探究。它們與初中階段的實驗探究具有相同的特征，但研究的手段不完全是實驗或者完全沒有實驗。
在這種思想指導下，編者安排了幾個典型的、沒有實驗活動的科學探究。例如，第五章第五節“探究彈性勢能的表達式”，第六章第六節“探究向心加速度大小的表達式”，等等。
第五章第五節“探究彈性勢能的表達式”的主要目的并不是讓學生學習這個關系式，而是讓學生經歷一次探究的過程。關于探究性學習，無論是實驗性的還是非實驗性的，書上是否寫出了結果，將來是否要求對結果的掌握，其教育意義是很不一樣的。《課程標準》沒有提及彈性勢能的表達式，這套教科書對這個關系也不作要求，因此學生和教師都可以放下包袱，一心體驗探究的過程，而不必過分擔心其結論。
有些實驗探究性很強，這一點在實驗的標題中都明確地標示出來了。例如，第二章第一節“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”，第三章第四節的實驗“探究求合力的方法”等。
探究性實驗的結論是未知的，這樣就增加了實驗的難度。編者對此進行了研究，在適當環節給出提示，幫助學生沿正確的方向前進，但又不直接給出結論，以保持學習的探究性，例如第三章第四節實驗“探究求合力的方法”等。對于不涉及實驗的探究活動，教科書也用提示的方法，既使學生能夠不太困難地走下去，又保持了教學內容的探究性。
科學探究的活力在于每個具體的探究都與另一個不一樣，它不是僵死的教條，無論是科學研究中的探究還是科學課程中的探究都是這樣。因此，編者在教科書中不追求某種探究的“模式”，也沒有設立一個欄目叫做“探究”。如果這樣做，好象不是這個欄目的內容就不是探究了。
(二)改變學生的學習方式
應該說，這是本次課程改革的一大任務。“改變學習方式”的核心是讓學生不做被動的“受教育者”，而是做一個主動的“探索者”。
教科書中的“思考與討論”欄目是重要的教學環節，教學中不要為了趕進度而用一兩句話把結論告訴學生。例如，第一章第二節的“思考與討論”，要求學生從一個實例出發思考矢量相加的法則，這時學生不大可能說出完整的平行四邊形定則。沒有關系，說不出來也不要告訴他們，學生只要結合實例認真考慮了，即使說不出來，也一定會有某些領悟。在教科書的安排上，這時還不要求學習矢量相加的法則，這個法則要在以后接觸更多的矢量之后才正式學習，但這里的思考會埋下一顆種子，到適當時刻就會萌發。
再如，第一章第五節圖1.53的“思考與討論”，教學目的是介紹圖象的傾斜程度與運動加速度的關系，但這里不是由教師正面講述，而是從一個問題出發，即從直線的傾斜程度出發進行討論。這樣不僅促進了學生的主動學習，而且有利于學生形成勤于思考、勇于質疑的習慣。
(三)實驗教學與概念、規律教學相融合
《課程標準》加強了實驗的教學，體現之一是它把實驗與其他教學內容緊密地結合在一起，而不再規定所謂的“必做”實驗。例如《課程標準》規定：“通過實驗，探究加速度與物體質量、物體受力的關系”“通過實驗，理解力的合成與分解”……凡是《課程標準》作出這樣要求的，教科書都安排了實驗。
還有一點與過去的《教學大綱》不同：《課程標準》沒有對實驗的具體做法、使用的器材等作出硬性的規定。這樣就可以使師生因地制宜地進行實驗教學，便于提出不同的實驗方法，使師生更注重實驗中的科學思想，而不是背誦實驗的器材、步驟等條文。鑒于課程標準規定的寬泛性，這套教科書盡可能地對同一個實驗推薦不同的實驗方案，供師生選擇，例如第六章第三節探究平拋運動特點的實驗等。
這套教科書中，節的標題中有“實驗”二字的，如“實驗：驗證機械能守恒定律”，是全體學生都必須完成的。這些實驗的規模比較大，而且多是定量的。節中的“實驗”欄目，也是要求學生自己動手做的，但多是定性的實驗，可以做隨堂實驗處理。“演示”欄目也是實驗，往往由于器材等原因，只能由教師做給學生看。“做一做”欄目也是實驗，但大多屬于擴展性內容。
《綱要》指出：課程改革要“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合”。[1]用信息技術改造某些已有的實驗、增加原來不能做的實驗，這是課程時代性的體現之一，教科書要促進這項工作。但是，由于發展不平衡，也由于我國在這方面還缺少經驗，所以不能搞“一刀切”。《課程標準》的提法是：“重視將信息技術應用到物理實驗室……諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據、分析實驗結果等。”[2](64)
遵照以上精神，教科書在“做一做”欄目中多次介紹了信息技術在實驗中的應用。例如，第二章第一節“用計算機繪制圖象”、第四章第五節“用傳感器研究作用力與反作用力的關系”等。
從全國范圍看，用信息技術改造某些已有實驗的工作剛剛起步，各個廠家的產品型號、使用方法不盡相同。因此，教科書只介紹基本原理，不涉及具體的操作，主要目的是指出某某實驗有應用信息技術進行改進的可能性，指出技術方向，而具體的實驗安排還要教師結合具體情況進行再創造。
五、加強選擇性和開放性
教科書的“選擇性”是近年來議論比較多的，也是編者力求解決的。“選擇性”要在兩個層次上考慮。高中各科新課程的共同特點是它們的選擇性和模塊結構。物理課的共同必修內容只有兩個模塊、80課時。學完共同必修內容后，學生就可以選學不同特點的物理，而在此之后更可以決定是否繼續學物理或學習哪種特點的物理。這些是在過去的《教學大綱》框架下所無法做到的。這種安排在根本上保證了選擇性的實現。
從另一個層次上考慮，在物理課程內部，無論在必修模塊還是在選修模塊中，都有一些彈性教學內容。例如，“說一說”“做一做”，它們不是每個學生一定要做、必須掌握的，學生和教師可以根據具體情況安排。
每冊書的后面都介紹了若干課外讀物，這也是過去的教科書所沒有的。學生們可以根據自己的學習情況，以及所能找到圖書的多少，選擇閱讀。每冊書都有“課題研究”，不同學校、不同學生也可以按照自己的情況靈活安排。
教科書中設置了“說一說”“做一做”“課題研究”，這些欄目大多是開放性的，并沒有確定的要求。例如第三章第一節，在學過電磁相互作用后，提出了“說一說”中的問題：“既然質子帶正電，原子核中的質子應該互相推斥，但它們卻緊緊地結合在一起，可能是什么原因?”學生會猜想，可能有一種更強大的力使它們結合在一起，這為強相互作用的引入做了鋪墊。但是也可能有的學生知道萬有引力，因而認為萬有引力使核子結合在一起。這沒有關系，可以存疑，可以有模糊認識，不斷學下去問題就逐步解決了。存有這樣的疑問反而會使后面的學習效果更好。又如第四章第五節，大力士與別人“掰腕子”的問題，可能有多種不同的解釋，都會有道理。教師不要充當裁判員，裁定誰的解釋正確。生活中、科學中總會有一時不能解決的問題，有的甚至一生都找不到滿意的答案，這樣我們才會有一個不斷提問的心境，我們的認識才能不斷前進。
上面的例子是對學生個體的學習的開放性。這套教科書還注意了學科的開放性，即物理學盡管是成熟的科學，但它仍然不能為一切問題找出答案，舊的問題解決了，新的問題又提出了。例如在物理2教科書的最后，關于時間和空間到底是什么、關于黑洞的探索，以及最后的問題：“相對論和量子力學是哪一種更廣泛理論的特殊情形呢？我們現在還不知道……”其目的都不在于讓學生對這些問題有什么了解，而是讓學生感到，我們不會終極一切真理。
此外，實驗提出了多個方案由學生依具體情況選擇，書后推薦課外讀物，等等，這些都是這套教科書為開放性所做的努力。
總而言之，對于過程與方法，情感態度與價值觀的要求高了，勢必影響大容量知識的教學。而三維課程目標是《綱要》和《課標》所要求的，是這次課程改革的精髓。無論教科書編者還是教師、學生都要在落實三維課程目標上面下工夫，這是必須付出的代價。在過程與方法、情感態度與價值觀方面多花費了力量，留給解題操練的時間必然會少，這一點不必回避。有所得必有所失。關于這一點，《高中物理課程標準解讀》中的以下一段話很能說明問題：
“任何改革，包括現在進行的基礎教育課程改革，都會以傳統意義上的某種質量的“降低”為代價。五四運動是一次偉大的思想革命和文化革命。在提出‘科學’與‘民主’的同時，還提出了摒棄文言文、提倡白話文的主張。由此，我們今天六七十歲以下的人，要想寫一篇文言文或者作一首古詩詞之類的東西，真是不像樣子了。會寫文言文，會作古詩，會填古詞，當然是一種優點。但是我們因此而在中小學語文課上去大講‘詩詞格律’，大教青少年怎樣作古詩、寫古文，豈不就是缺點性的優點了嗎!”[3]
參考文獻：
［1］中華人民共和國教育部.基礎教育課程改革綱要(試行).2001.
［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗)［S］.北京：人民教育出版社，2003.
［3］廖伯琴，張大昌，等.普通高中物理課程標準(實驗)解讀［M］.武漢：湖北教育出版社，2004.
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