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      自然建模:從定性到定量的科學(xué)實驗與教學(xué)研究

      2020-09-10 07:22:44朱壯麗
      關(guān)鍵詞:科學(xué)實驗

      朱壯麗

      摘要:自然是自然科學(xué)的天然內(nèi)涵,自然模型是自然現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的形式體現(xiàn),自然科學(xué)知識的學(xué)習(xí)生涯是在思維中建立自然模型的過程,即自然建模。定性與定量是自然建模的發(fā)展過程的兩個典型特征。早期的自然建模偏重于定性,具有一定的趣味性,往往發(fā)端于對自然現(xiàn)象的簡單觀察和經(jīng)驗積累,并直接投入到實際應(yīng)用。成熟的自然建模偏向于定量,是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實驗,是對自然規(guī)律的公式化抽象化表達。從查理定律/蓋-呂薩克定律的發(fā)現(xiàn)過程,可以看出,我國古代早期的自然建模思想偏向于定性;而西方近代社會的自然科學(xué)發(fā)展史,則更注重定量的自然建模分析。根據(jù)教育類型的不同,引入不同特征的自然建模思想,可以有效的提高教學(xué)效果,促進學(xué)生發(fā)展。

      關(guān)鍵詞:自然建模;定性與定量;科學(xué)實驗;科普教育與科研教育

      自然科學(xué),與社會科學(xué)、思維科學(xué)并稱科學(xué)三大領(lǐng)域,在某種程度上說,現(xiàn)代科技是自然科學(xué)發(fā)展的成果結(jié)晶,自然學(xué)科教育與學(xué)習(xí)是繼承與發(fā)展科技的重要方式??v觀歷史更迭、社會變革與教育發(fā)展,物理化學(xué)等自然科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科都扮演著至關(guān)重要的角色?!皩W(xué)好數(shù)理化,走遍天下都不怕”的坊間傳言一度甚囂塵上,好似“只有學(xué)不好理科的學(xué)生,才會選擇文科”。這些俚語雖有失偏頗,卻恰從側(cè)面說明了自然科學(xué)的重要性和學(xué)科難度。

      針對自然科學(xué)教學(xué)中長期存在的教學(xué)效率低、學(xué)業(yè)成績低、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等問題,有研究表明導(dǎo)致理科學(xué)習(xí)困難的最重要因素是缺乏生活實踐和學(xué)習(xí)方法。[1]佩里(William Perry)等人對課堂自然科學(xué)學(xué)習(xí)進行的一項開拓性研究表明,學(xué)生的學(xué)習(xí)困難除了缺乏學(xué)習(xí)動機、方法和能力,大多是狹隘的知識觀造成的:多年來,學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)已經(jīng)整理成知識體系的內(nèi)容并熟記,由此產(chǎn)生了學(xué)習(xí)便是增加我們知識體系中的一些事實材料和解決問題的幾套現(xiàn)成公式而己的錯覺,并相應(yīng)形成了以記憶事實為目的的學(xué)習(xí)策略。[2]這大大迎合了我國傳統(tǒng)的教授-苦學(xué)教學(xué)模式,從而導(dǎo)致了自然科學(xué)理論知識孤立與機械化,如饑似渴的學(xué)習(xí)著理論知識的學(xué)子們,漸漸弱化乃至失去了從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)并總結(jié)規(guī)律的能力;學(xué)科知識成為了教學(xué)的唯一結(jié)果,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升、學(xué)習(xí)信心的增強、學(xué)習(xí)潛能的開發(fā)、自主學(xué)習(xí)能力的形成,這些促進學(xué)生健康成長關(guān)鍵因素嚴(yán)重缺位。[3]這直接動搖了學(xué)生處理與自身關(guān)系的自信基礎(chǔ),撕裂了學(xué)生處理與自然關(guān)系的紐帶,阻礙了學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展。

      誠然,自然是自然科學(xué)的天然內(nèi)涵,自然模型是自然現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的形式體現(xiàn),那么自然科學(xué)知識的學(xué)習(xí)生涯必然應(yīng)是在思維中建立自然模型的過程,即自然建模。這是自然建模在自然科學(xué)教育與學(xué)習(xí)中的天然優(yōu)勢,且其更具趣味性和指向性,有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機;其更具有普遍性和聯(lián)系性,給學(xué)生提供了更多樣性的選擇和思考空間;其本身既是教學(xué)方法又是學(xué)習(xí)方法,有助于學(xué)生凝練學(xué)習(xí)方法和能力,并提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效果;同時,自然模型的聯(lián)系性多表現(xiàn)在自然學(xué)科之間的聯(lián)系性,從而打破了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)上的孤立性和機械化。

      一、查理定律/蓋-呂薩克定律的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

      十八世紀(jì)末,法國造紙商孟格菲兄弟發(fā)明了熱氣球載人技術(shù),其在歐洲掀起了氣球載人的飛天浪潮。八十年代,法國物理學(xué)家查理,在完成氫氣球載人升空試驗后,開始著手研究氣體膨脹性質(zhì)。他通過實驗證實:壓力一定時,氣體體積的改變和溫度的改變成正比。進一步實驗發(fā)現(xiàn),對于一定質(zhì)量的氣體,當(dāng)體積不變的時候,溫度每升高l℃,壓力就增加它在0℃時候壓力的1/273,這就是查理定律的由來。同時查理還用它作根據(jù),推算出氣體在恒定壓力下的膨脹速率是個常數(shù)。二十年后,法國物理學(xué)家、化學(xué)家蓋·呂薩克通過實驗證實了查理有關(guān)膨脹速率的猜想,并精確地計算出氣體膨脹系數(shù)的數(shù)值是0.00375或1/266.6,現(xiàn)代理想值為1/273.15,這便是蓋·呂薩克定律(或稱查理-蓋·呂薩克定律)的由來。半個世紀(jì)后,英國科學(xué)家開爾文,在此基礎(chǔ)上建立了熱力學(xué)溫標(biāo);這簡化了定律公式,得到了我們今天看到的公式形式,即查理定律:一定質(zhì)量的氣體,體積不變時,壓強與熱力學(xué)溫度成正比P/T=C,蓋-呂薩克定律:一定質(zhì)量的氣體,壓強不變時,體積跟熱力學(xué)溫度成正比V/T=C。

      二、我國對相關(guān)氣體規(guī)律的研究和應(yīng)用

      對比之下,我國的熱氣升空技術(shù)則要早得多,最早可追溯到公元前2世紀(jì)。據(jù)《淮南萬畢術(shù)》記載:漢代淮南王劉安在研究熱氣升空技術(shù)時,將雞蛋去汁,以艾燃燒取熱氣,使蛋殼浮升。公元2-3世紀(jì),天燈的發(fā)明,標(biāo)志著我國熱氣升空技術(shù)的成熟,并被運用到軍事領(lǐng)域,這就是我們所熟知的孔明燈。[4]另一方面,我國利用空氣膨脹規(guī)律的“拔火罐”技術(shù)更加大大提前,最早可追溯到先秦時期。[5]首先罐中空氣(質(zhì)量一定,大氣壓不變)受熱(溫度升高)膨脹,體積增大(蓋-呂薩克定律),隨后空氣(質(zhì)量一定)罐口封閉在患處(體積不變),溫度降低后形成負(fù)壓(壓強降低)(查理定律)。

      三、自然建模定性與定量的分析比較

      那么,為何近代自然科學(xué)在西方屢屢突破,而歷史更悠久,自然經(jīng)驗更加豐富的東方卻頻頻碰壁呢?原因恰恰就在豐富的自然經(jīng)驗上!東方注重的實用主義,往往將自然建模的過程偏向于定性,且在實際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快,這是中國古代社會可以引領(lǐng)世界潮流發(fā)展近千年的根本。我們欠缺的正是自然建模從定性到定量的引導(dǎo)和意識。而今天我們的自然科學(xué)教育在某種程度上正走上這條歧路,只不過從注重自然經(jīng)驗,轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅刂R經(jīng)驗。隨著自然科學(xué)知識的深入發(fā)展,理論體系化系統(tǒng)化的學(xué)科壁壘越加高深,這又衍生出了自然科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)的孤立性和機械化問題,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動機、方法與能力的缺失,造成了全球性的自然學(xué)科教育與學(xué)習(xí)的窘境。

      歷史實踐證明,科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和證明離不開實驗,科學(xué)理論尤其是自然學(xué)科的教育與學(xué)習(xí)離不開實驗教學(xué),自然建模作為一種更自然生動、更簡單易行、更物美價廉的科學(xué)實驗設(shè)計方案,尤其是在科學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計方面,具有得天獨厚的優(yōu)勢,因此,我們說要在教學(xué)上引入自然模型,一方面,教師應(yīng)該具有引導(dǎo)學(xué)生建立自然模型的能力,另一方面,學(xué)生在建立自然模型的過程中,掌握自然建模的方法,理解科學(xué)理論知識與自然規(guī)律的關(guān)系。同時,一方面,在低年級段或科普教育階段,偏向于采用定性的自然建模理念,用趣味性吸引學(xué)生,用實際應(yīng)用降低學(xué)生對知識的領(lǐng)悟難度,引導(dǎo)學(xué)生建立自然建模思想。另一方面,在高年級段或科研教育階段,偏重于于采用定量的自然建模理念,引導(dǎo)學(xué)生在已經(jīng)建立的定性自然建模思想上,進一步完善發(fā)展自然建模理念,培養(yǎng)科學(xué)探究精神和發(fā)展核心素養(yǎng)。

      注:Email:zlzhu@tjnu.edu.cn

      參考文獻:

      [1]王晶瑩.高中理科學(xué)習(xí)困難的量化研究——基于三?。ㄊ校┑膯柧碚{(diào)查[J]. 江蘇教育研究, 2014,(28): 34-37.

      [2]宋秋前.國外改進理科課堂學(xué)習(xí)的若干研究[J]. 外國教育資料, 1996,(06): 30-35.

      [3]方展畫,弓靜. “教”與”學(xué)”: 學(xué)校教育的博弈與回歸[J].教育研究, 2018, 39(10): 93-97.

      [4]劉延柱.從孔明燈到熱氣球[J]. 力學(xué)與實踐, 2010, 32(03): 133-134.

      [5]呂雙雙.拔罐療法的歷史源流探究[D]. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué), 2015.

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