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摘 要科学模型是人们通过科学思维对自然界中的原物的抽象描述,科学模型方法具有趣味性和实用性,是科学研究的重要工具。在科学教育中,认识、学习、研究、应用这一方法,对于科学教师的教育工作具有极大的实践价值,科学建模能力已成为师生教与学水平的集中体现。
关键词科学模型;方法教育;科学建摸
中图分类号 G633.7文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)111-0144-02
纵观科学发展史,许多重大的发现与结论,都是由于科学家们经过大胆的猜想构思,创建出科学的理想化的模型,并通过实验检验或实践验证,模型与事实基础很好吻合的前提下获得的,从这种意义上讲掌握科学方法比学习科学文化知识更为重要。因此向学生渗透和灌输模型思想,培养学生的科学模型能力不仅是学好科学知识的需要,也是素质教育的必然结果。在教育过程中,籍科学模型方法教育,有机的渗透其他科学方法能更好的发展学生思维,完善学生认知结构,提高学生的科学素质。
1 科学模型概述
模型,在西文中源出于拉丁文的Modulus,意思是尺度、样本、标准;中文原意指依据实物的形状和结构按比例制成的物品,引伸意义为规范。科学研究对象是极其复杂的,对于每一个研究对象来说,它涉及的因素是相当多的。因此,为研究科学问题的方便和易于探究科学问题本质而从复杂的科学现象和过程中抽象出研究对象的简化描述或模拟称科学模型。它不仅具有高度的抽象性,还具有广泛的代表性,其主要特征是:抽象性和形象性的统一、科学性与假定性的统一。
1.1 科学模型分类
这里为便于理解和应用,现根据科学模型的特点及其结构分为如下二类,其中理想模型更为多见。
理想模型:是据研究对象和问题的特点,舍弃次要非本质的因素,抓住主要的本质的因素,建立起来的易于研究且能反映研究对象主要特征的新形象,是高度科学抽象与概括的结果。理想模型作为理想化的图景,一般说来在现实中找不到。但是理想模型是建立在可靠事实基础上是对客观事物的一种近似的反映,在科学中具有不可替代的作用,据各自特点可大致分为以下五类:概念模型(对象模型)、条件模型(状态模型)、过程模型、数学模型、现象模型。
理论模型:是在观察和实验的基础上,经过科学思维,对某一客体和研究对象的结构、内在联系、运动规律等所做的一种简化和具体描述。这种模型通常以假说的形式出现,它能解释某些物理现象和实验事实,指明进一步研究的方向,反映研究对象的特征。当然,其正确性要由科学实验来检验,并且随着认识的深入和科学的发展而不断修正和完善。如:安培的分子电流假说、卢瑟福的原子结构模型、光的波粒二象性模型等。
1.2 科学模型的作用
作为一种现代科学认识手段和思维方法,科学模型具有两方面的作用:抽象和具体作用。
一方面,可从原型出发,根据某一特定目的,抓住其本质特征,将原型抽象、简化、纯化构建成能反映其本质特点的科学模型,对科学模型进行研究,为形成和检验理论建立基础。另一方面,高度抽象化的科学理论要来处理实际问题时,必须具体化为某个特定的模型,才能发挥理论指导实践的作用。
2 科学模型方法教育的作用
科学模型方法在科学发展史上有着极其重要的地位和作用,它是理论知识的一种初级表现,理论的研究实质上就是对科学模型的研究。因此,在科学教育中,模型方法也有着独特的、甚至是不可替代的作用。
2.1 促进学生认知水平的发展
人的认识发展过程是从生动的直观到抽象的思维,并从抽象的思维再到实践的过程。科学教育应当促进学生认知水平的发展,将学生的认知水平从具体运算提高到形式运算水平,即让学生逐步由具体向抽象过渡,能对抽象的假设或命题进行逻辑转换。这一过程离不开从具体到抽象的过渡训练,而这种既能联系具体、又能联系抽象的性质,正是模型所特有的。模型一方面提供了这种教学的情境,另一方面又使学生在这种从具体到抽象的认识过程中发生认知冲突,从而促进认知水平的发展。
2.2 激发学生的学习动机
模型教育可以使学生体验到理论知识的作用,而且会使他们产生跃跃欲试的兴趣,并使他们对探索活动成功后的喜悦感、自豪感产生稳定的学习兴趣,进而产生良好的学习动机。例如,当学生第一次看到“浮沉子”实验时,不禁被其能自如地上下浮沉所吸引,产生了一种迫切的求知欲;当他们在教师的引导下学习了影响物体浮沉条件的模型,了解了浮沉子浮沉的原理后,进而自己动手做一个“浮沉子”;当学生看到通过自己探索学习亲手做的浮沉子在水中自如地上下浮沉时,不禁产生喜悦和自豪感,极大程度地激发了学生的学习动机。
2.3 开发学生的研究能力
模型的建立是根据目的和任务抽象出被研究对象的本质特征、舍去许多次要的细节和非本质的属性,把要研究的现象、问题从纷繁复杂的交错关系中明确、清晰地显示出来,使问题得以简化和明确化,并制订出解决问题的程序,从而充分地发挥思维的能动作用,达到认识原型的目的。因此,模型的建立过程就是一个科学研究过程。在这一过程中,需要学生自己确定研究对象,设置已知量和未知量,运用科学规律,选择研究方法,检验模型是否与实际相一致,这对学生研究能力的培养有着很好的作用。
2.4 培养学生的科学精神
科学精神与科学知识、科学方法,都是科学教育的基本要素。模型方法教育中蕴含着独特的科学精神教育。模型建立的实质是要在原型背后揭示出所包含的科学规律。这样,模型的建立过程就必然是一个艰苦的探索、发现过程,这一过程来不得半点虚假,需要有严谨、诚实的科学态度。模型的得来也绝非一蹴而就,往往要使认识主体经历一个“苦其心志,劳其筋骨”的认识过程,需要有坚韧不拔的意志。同时,科学中每一个模型的建立与发展都蕴藏着丰富的哲学内涵,它是教学过程中对学生实施辩证唯物主义教育的好材料。
3 培养学生科学建模能力
科学模型不是凭空产生的,它是思维的产物、离不开抽象思维、形象思维和直觉思维,一般而言,抽象思维和直觉思维对建立模型更为重要。科学建模过程实际上是一种创造性的脑力劳动过程,观察和实验是构造科学模型的基础,抽象分析和形象想象是构造科学模型的基本手段,其一般思维流程可以概括如下:
从“自然客体”到“模型准备”是感知——作好准备阶段;从“模型准备”到“认知结构”是酝酿--寻找结合点阶段;从“模型建立”及“问题解决”是灵感--思维高度升华阶段;“实验论证”是求证--体会其科学实质阶段。由此可知:培养学生科学建模能力的教学实践活动是熔学科知识、科学方法和物理思维能于一体的复杂的教学过程,要构建“学习--模仿--创新”的教学模式,使这种模式贯穿于建模能力培养的教学过程中每一个环节。
学习--是指教师在科学教学过程中采用显性化的教学方法将教材中出现的科学模型明示给学生,并适当介绍些有关模型知识,运用模型方法分析一些简单的物理问题。
模仿--是指教师在教学过程中,依据学生掌握的一些模型知识和学生了解的一些建模思维方法,引导学生对一些简单实际问题进行建模分析,领会建模要领,让学生亲自体验建立科学模型的过程。
创新--是指学生在经过“学习”、“模仿”以后,对有关的一些模型知识和模型方法有了比较清楚的认识,具有了一定的建模能力。在此基础上,可以处理一些比较复杂的科学模型问题,这实际上是一种较高层次的迁移能力。
“学习”、“模仿”是培养科学建模能力的初级层次,而“创新”则属于科学建模能力的高级层次,但他们不是相互隔列开的,而是贯穿于科学建模过程的始终,是有机地结合在一起的,教师应在教学中积极探索科学模型建构能力培养的途径。
3.1 帮助学生形成大量的科学图景表象
(1)生活图景转换成科学图景。生活图景是指学生在日常生活中所形成的自然常识、信息及经验。在科学教学中,可以通过多种形式,将生活图景更换为科学图景,将科学形象根植于学生的大脑,从而提高他们的科学图景形象思维能力。如,可以帮助学生将生活中的跳高、跳水转换成竖直上抛运动图景,跳远、掷铅球转换成斜抛运动图景,从而寻找到解决生活中实际问题的方法,同时使学生在头脑中贮存大量的科学图景。
(2)利用实验、模型、挂图等展示科学图景。在实际生活中有些生活图景对学生来说很熟悉,但也有大量的现象、事实不一定存在于学生周围,学生对它们不熟悉,同时在生活中也不一定观察得到,所以可以将生活中不常见、学生不了解的现象用实验、模型、挂图等来展示,使学生对抽象的科学现象、事实形成形象、生动的科学图景。
(3)利用多媒体手段模拟科学图景。科学中的研究对象除了生活中比较熟悉的以外,它的研究对象大至宇宙天体、小至微观世界,在教学中不便演示、展示或实验。于是可用现代计算机技术模拟这些现象和内容,以立体的信息输入学生的大脑,帮助学生形成生动、立体、形象的科学图景。如用“几何画板”软件制作的“α粒子散射实验”动态的模拟,可以使学生理解科学实质,加深对规律的理解。
3.2 引导学生建构科学模型图景
(1)从已有图景展开形成新图景。当学生在头脑中贮存了一定量的科学图景时,在遇到比较复杂的问题时,就可以通过唤起已有的科学图景展开形成新图景,便于从整体上认识问题。例如,当学生对平抛运动的规律比较熟悉后,在遇到“匀速飞行的飞机在相等的时间间隔内扔炸弹,选地面为参照物和选飞机为参照物,炸弹的运动如何?”时,可以引导学生先想象飞机扔一个炸弹的图景,然后在此基础上展开第二个、第三个……炸弹下落的新图景,从而使学生理解如果以飞机为参照物,炸弹是在其正下方作自由落体运动;以地面为参照物,炸弹在作平抛运动,从而利用其规律来解决问题。
(2)图景之间的等效转换。如果两个科学现象的效果相似,就可引导学生将其中一个科学图景转换为另一个科学图景来处理,从而可以得出结果。例如,在电磁感应现象中,在磁场中作切割磁感线运动的那部分导体相当于电源,于是可将这一图景等效为电路,然后用闭合电路的欧姆定律来处理。
(3)图景之间的类比转换。当两个科学现象的部分属性有相似之处,可以用联想和比较的方法,抓住不同现象的相似之处进行类比,找到解决问题的方法。例如,当质量为M的金属杆1从高为H的倾斜的光滑导轨滑至导轨的水平部分,水平部分有竖直向上的匀强磁场B且有一静止在水平导轨上的金属杆2。如果金属杆1、2不会相碰,求它们最后的运动速度。这一过程比较复杂,可以引导学生避开事物局部非相似表象,从整体上作模糊相似处理,那么,金属杆1进入水平导轨部分后与金属杆2作用的动态过程,跟子弹击中放在光滑水平面上的木块相互作用过程很相似,这样就可以用子弹击木块的动态变化图景来类比金属杆1、2的相互作用过程,从而找到本题的解题方法。
(4)图景与语言之间的转换。科学语言有两种类型:文字表达和数学形式。首先,在遇到用文字表达的物理问题时,我们要在头脑中构想出科学图景,实现语言与图景间的转换;然后将头脑中的图景形象思维外化,用图形、文字、数学形式来表达,实现图景与语言间的转换。这两者间的转换能力培养可以通过在教学中有意识地减少练习中的原始图形,改用纯文字表达,要求学生在此基础上构想图景,画出示意图,并在求解科学问题时,视具体问题,将图象和文字表达、数学表达相结合,寻找最佳的表达方式和解题途径。
综上所述,科学模型图景的建构,实际上是从整体上把握问题的实质,通过形象构思寻找出表征问题方式的过程。能否快速地构建起清晰、准确的科学图景的能力并不是一朝一夕就能形成,这要依靠在平时的教学中不断地琢磨,采用多种方法、多角度地渗透构建科学图景的方法,同时,还要注意避免错误的科学图景表象的误导及负迁移。
参考文献
[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛海洋大学出版社,2000.
[2]封小超.物理课程与教学论[M].北京:科学出版社,2005.
[3]王振宇.“理论-范型-创造”教学模式析[J].课程●教材●教法,1999,5期.
[4]张秀双.浅谈物理教学中的理想模型物理教学探讨.物理教师,2003,4.
作者简介:
徐敬标(1969-),男,汉,江苏睢宁人,副教授,硕士,主要研究方向:科学教育。
关键词科学模型;方法教育;科学建摸
中图分类号 G633.7文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)111-0144-02
纵观科学发展史,许多重大的发现与结论,都是由于科学家们经过大胆的猜想构思,创建出科学的理想化的模型,并通过实验检验或实践验证,模型与事实基础很好吻合的前提下获得的,从这种意义上讲掌握科学方法比学习科学文化知识更为重要。因此向学生渗透和灌输模型思想,培养学生的科学模型能力不仅是学好科学知识的需要,也是素质教育的必然结果。在教育过程中,籍科学模型方法教育,有机的渗透其他科学方法能更好的发展学生思维,完善学生认知结构,提高学生的科学素质。
1 科学模型概述
模型,在西文中源出于拉丁文的Modulus,意思是尺度、样本、标准;中文原意指依据实物的形状和结构按比例制成的物品,引伸意义为规范。科学研究对象是极其复杂的,对于每一个研究对象来说,它涉及的因素是相当多的。因此,为研究科学问题的方便和易于探究科学问题本质而从复杂的科学现象和过程中抽象出研究对象的简化描述或模拟称科学模型。它不仅具有高度的抽象性,还具有广泛的代表性,其主要特征是:抽象性和形象性的统一、科学性与假定性的统一。
1.1 科学模型分类
这里为便于理解和应用,现根据科学模型的特点及其结构分为如下二类,其中理想模型更为多见。
理想模型:是据研究对象和问题的特点,舍弃次要非本质的因素,抓住主要的本质的因素,建立起来的易于研究且能反映研究对象主要特征的新形象,是高度科学抽象与概括的结果。理想模型作为理想化的图景,一般说来在现实中找不到。但是理想模型是建立在可靠事实基础上是对客观事物的一种近似的反映,在科学中具有不可替代的作用,据各自特点可大致分为以下五类:概念模型(对象模型)、条件模型(状态模型)、过程模型、数学模型、现象模型。
理论模型:是在观察和实验的基础上,经过科学思维,对某一客体和研究对象的结构、内在联系、运动规律等所做的一种简化和具体描述。这种模型通常以假说的形式出现,它能解释某些物理现象和实验事实,指明进一步研究的方向,反映研究对象的特征。当然,其正确性要由科学实验来检验,并且随着认识的深入和科学的发展而不断修正和完善。如:安培的分子电流假说、卢瑟福的原子结构模型、光的波粒二象性模型等。
1.2 科学模型的作用
作为一种现代科学认识手段和思维方法,科学模型具有两方面的作用:抽象和具体作用。
一方面,可从原型出发,根据某一特定目的,抓住其本质特征,将原型抽象、简化、纯化构建成能反映其本质特点的科学模型,对科学模型进行研究,为形成和检验理论建立基础。另一方面,高度抽象化的科学理论要来处理实际问题时,必须具体化为某个特定的模型,才能发挥理论指导实践的作用。
2 科学模型方法教育的作用
科学模型方法在科学发展史上有着极其重要的地位和作用,它是理论知识的一种初级表现,理论的研究实质上就是对科学模型的研究。因此,在科学教育中,模型方法也有着独特的、甚至是不可替代的作用。
2.1 促进学生认知水平的发展
人的认识发展过程是从生动的直观到抽象的思维,并从抽象的思维再到实践的过程。科学教育应当促进学生认知水平的发展,将学生的认知水平从具体运算提高到形式运算水平,即让学生逐步由具体向抽象过渡,能对抽象的假设或命题进行逻辑转换。这一过程离不开从具体到抽象的过渡训练,而这种既能联系具体、又能联系抽象的性质,正是模型所特有的。模型一方面提供了这种教学的情境,另一方面又使学生在这种从具体到抽象的认识过程中发生认知冲突,从而促进认知水平的发展。
2.2 激发学生的学习动机
模型教育可以使学生体验到理论知识的作用,而且会使他们产生跃跃欲试的兴趣,并使他们对探索活动成功后的喜悦感、自豪感产生稳定的学习兴趣,进而产生良好的学习动机。例如,当学生第一次看到“浮沉子”实验时,不禁被其能自如地上下浮沉所吸引,产生了一种迫切的求知欲;当他们在教师的引导下学习了影响物体浮沉条件的模型,了解了浮沉子浮沉的原理后,进而自己动手做一个“浮沉子”;当学生看到通过自己探索学习亲手做的浮沉子在水中自如地上下浮沉时,不禁产生喜悦和自豪感,极大程度地激发了学生的学习动机。
2.3 开发学生的研究能力
模型的建立是根据目的和任务抽象出被研究对象的本质特征、舍去许多次要的细节和非本质的属性,把要研究的现象、问题从纷繁复杂的交错关系中明确、清晰地显示出来,使问题得以简化和明确化,并制订出解决问题的程序,从而充分地发挥思维的能动作用,达到认识原型的目的。因此,模型的建立过程就是一个科学研究过程。在这一过程中,需要学生自己确定研究对象,设置已知量和未知量,运用科学规律,选择研究方法,检验模型是否与实际相一致,这对学生研究能力的培养有着很好的作用。
2.4 培养学生的科学精神
科学精神与科学知识、科学方法,都是科学教育的基本要素。模型方法教育中蕴含着独特的科学精神教育。模型建立的实质是要在原型背后揭示出所包含的科学规律。这样,模型的建立过程就必然是一个艰苦的探索、发现过程,这一过程来不得半点虚假,需要有严谨、诚实的科学态度。模型的得来也绝非一蹴而就,往往要使认识主体经历一个“苦其心志,劳其筋骨”的认识过程,需要有坚韧不拔的意志。同时,科学中每一个模型的建立与发展都蕴藏着丰富的哲学内涵,它是教学过程中对学生实施辩证唯物主义教育的好材料。
3 培养学生科学建模能力
科学模型不是凭空产生的,它是思维的产物、离不开抽象思维、形象思维和直觉思维,一般而言,抽象思维和直觉思维对建立模型更为重要。科学建模过程实际上是一种创造性的脑力劳动过程,观察和实验是构造科学模型的基础,抽象分析和形象想象是构造科学模型的基本手段,其一般思维流程可以概括如下:
从“自然客体”到“模型准备”是感知——作好准备阶段;从“模型准备”到“认知结构”是酝酿--寻找结合点阶段;从“模型建立”及“问题解决”是灵感--思维高度升华阶段;“实验论证”是求证--体会其科学实质阶段。由此可知:培养学生科学建模能力的教学实践活动是熔学科知识、科学方法和物理思维能于一体的复杂的教学过程,要构建“学习--模仿--创新”的教学模式,使这种模式贯穿于建模能力培养的教学过程中每一个环节。
学习--是指教师在科学教学过程中采用显性化的教学方法将教材中出现的科学模型明示给学生,并适当介绍些有关模型知识,运用模型方法分析一些简单的物理问题。
模仿--是指教师在教学过程中,依据学生掌握的一些模型知识和学生了解的一些建模思维方法,引导学生对一些简单实际问题进行建模分析,领会建模要领,让学生亲自体验建立科学模型的过程。
创新--是指学生在经过“学习”、“模仿”以后,对有关的一些模型知识和模型方法有了比较清楚的认识,具有了一定的建模能力。在此基础上,可以处理一些比较复杂的科学模型问题,这实际上是一种较高层次的迁移能力。
“学习”、“模仿”是培养科学建模能力的初级层次,而“创新”则属于科学建模能力的高级层次,但他们不是相互隔列开的,而是贯穿于科学建模过程的始终,是有机地结合在一起的,教师应在教学中积极探索科学模型建构能力培养的途径。
3.1 帮助学生形成大量的科学图景表象
(1)生活图景转换成科学图景。生活图景是指学生在日常生活中所形成的自然常识、信息及经验。在科学教学中,可以通过多种形式,将生活图景更换为科学图景,将科学形象根植于学生的大脑,从而提高他们的科学图景形象思维能力。如,可以帮助学生将生活中的跳高、跳水转换成竖直上抛运动图景,跳远、掷铅球转换成斜抛运动图景,从而寻找到解决生活中实际问题的方法,同时使学生在头脑中贮存大量的科学图景。
(2)利用实验、模型、挂图等展示科学图景。在实际生活中有些生活图景对学生来说很熟悉,但也有大量的现象、事实不一定存在于学生周围,学生对它们不熟悉,同时在生活中也不一定观察得到,所以可以将生活中不常见、学生不了解的现象用实验、模型、挂图等来展示,使学生对抽象的科学现象、事实形成形象、生动的科学图景。
(3)利用多媒体手段模拟科学图景。科学中的研究对象除了生活中比较熟悉的以外,它的研究对象大至宇宙天体、小至微观世界,在教学中不便演示、展示或实验。于是可用现代计算机技术模拟这些现象和内容,以立体的信息输入学生的大脑,帮助学生形成生动、立体、形象的科学图景。如用“几何画板”软件制作的“α粒子散射实验”动态的模拟,可以使学生理解科学实质,加深对规律的理解。
3.2 引导学生建构科学模型图景
(1)从已有图景展开形成新图景。当学生在头脑中贮存了一定量的科学图景时,在遇到比较复杂的问题时,就可以通过唤起已有的科学图景展开形成新图景,便于从整体上认识问题。例如,当学生对平抛运动的规律比较熟悉后,在遇到“匀速飞行的飞机在相等的时间间隔内扔炸弹,选地面为参照物和选飞机为参照物,炸弹的运动如何?”时,可以引导学生先想象飞机扔一个炸弹的图景,然后在此基础上展开第二个、第三个……炸弹下落的新图景,从而使学生理解如果以飞机为参照物,炸弹是在其正下方作自由落体运动;以地面为参照物,炸弹在作平抛运动,从而利用其规律来解决问题。
(2)图景之间的等效转换。如果两个科学现象的效果相似,就可引导学生将其中一个科学图景转换为另一个科学图景来处理,从而可以得出结果。例如,在电磁感应现象中,在磁场中作切割磁感线运动的那部分导体相当于电源,于是可将这一图景等效为电路,然后用闭合电路的欧姆定律来处理。
(3)图景之间的类比转换。当两个科学现象的部分属性有相似之处,可以用联想和比较的方法,抓住不同现象的相似之处进行类比,找到解决问题的方法。例如,当质量为M的金属杆1从高为H的倾斜的光滑导轨滑至导轨的水平部分,水平部分有竖直向上的匀强磁场B且有一静止在水平导轨上的金属杆2。如果金属杆1、2不会相碰,求它们最后的运动速度。这一过程比较复杂,可以引导学生避开事物局部非相似表象,从整体上作模糊相似处理,那么,金属杆1进入水平导轨部分后与金属杆2作用的动态过程,跟子弹击中放在光滑水平面上的木块相互作用过程很相似,这样就可以用子弹击木块的动态变化图景来类比金属杆1、2的相互作用过程,从而找到本题的解题方法。
(4)图景与语言之间的转换。科学语言有两种类型:文字表达和数学形式。首先,在遇到用文字表达的物理问题时,我们要在头脑中构想出科学图景,实现语言与图景间的转换;然后将头脑中的图景形象思维外化,用图形、文字、数学形式来表达,实现图景与语言间的转换。这两者间的转换能力培养可以通过在教学中有意识地减少练习中的原始图形,改用纯文字表达,要求学生在此基础上构想图景,画出示意图,并在求解科学问题时,视具体问题,将图象和文字表达、数学表达相结合,寻找最佳的表达方式和解题途径。
综上所述,科学模型图景的建构,实际上是从整体上把握问题的实质,通过形象构思寻找出表征问题方式的过程。能否快速地构建起清晰、准确的科学图景的能力并不是一朝一夕就能形成,这要依靠在平时的教学中不断地琢磨,采用多种方法、多角度地渗透构建科学图景的方法,同时,还要注意避免错误的科学图景表象的误导及负迁移。
参考文献
[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛海洋大学出版社,2000.
[2]封小超.物理课程与教学论[M].北京:科学出版社,2005.
[3]王振宇.“理论-范型-创造”教学模式析[J].课程●教材●教法,1999,5期.
[4]张秀双.浅谈物理教学中的理想模型物理教学探讨.物理教师,2003,4.
作者简介:
徐敬标(1969-),男,汉,江苏睢宁人,副教授,硕士,主要研究方向:科学教育。