科学方法的教学

科学方法的教学

3.3若干科学发现的“案例”根据文件的“论点”，1973年11月21日，尽管偶尔因美联社的物理教育会议而受赞扬的发烧之人，但科学是一种教育方法。“我知道什么？我知道什么？我知道现在的水平（因为我不知道什么），我如何处理问题和不确定性，遵循什么规则，我如何思考事物，我判断什么，我区分了真理和表面现象。”。教学改革的重要任务之一,就是要把科研人员应该具备的本领和能力及早对学生进行培养.这就要求我们必须尽可能使教学中的概念、定律和理论知识,尽量接近科学家们在其研究过程中形成的概念、发现的定律和创建的理论,以使学生从中领会科学家的实际创造过程和他们所运用的研究方法.在这几部优秀教材中结合各部分内容,都讲述了物理学家们在获取这些成果时所采用的一些方法,如综合归纳方法(麦克斯韦方程组,安培定律等),假设方法(位移电流、涡旋磁场假说等),类比推理方法(玻尔的“硬币”比喻,卢瑟福的“炮弹从纸上反弹”等),假想实验方法(德布罗意的“电子双缝干涉实验”等),…….这些事例,都会对学生有启发作用.我们所说的“科学方法”是指科学家们在完成他们的研究工作中所运用的那些“程序”或“法则”,正如科学史家霍尔顿(G.Holton)所说,“科学发现没有唯一的方法.”因为每一项研究并不是只有一种方法,而且每个科学家在运用这些方法时也都有明显的个人特点.科学方法的教育不可能教给学生一套固定的、必然可以保证导向成功的“方法”.因此,学习前人的方法,与其说是为了掌握具体的方法本身,倒不如说是为了积累前人科学思维的经验,是为了进行科学思维的训练.思维训练比起给学生一些具体的科学方法的ABC来,可能是更为重要的.具体深入地剖析若干科学发现的“案例”,详细了解若干科学大师们科学创造的思路,可以使人受到熏陶,从中得到一些启发.那些经过认真选择的贴切的历史片段,虽然并不进行考试,学生们在记忆中却会保留下来,久久不会淡忘,这是一种经久发挥启迪作用的“长效剂”.物理学家劳厄(M.vonLaue)说:“重要的不是获得知识,而是发展思维能力.教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候,所剩下来的东西.”在通常的物理教学中,向学生讲述的多是科学研究中理性的、逻辑的方法.而在实际的科学发现中,科学家们的创造工作却常常带有浓厚的非理性、非逻辑的色彩.敢于突破前人的传统观念,离开坦途潜入丛林,常常是突破性发现的必要条件.当一个科学家正致力于解决某个问题时,对他的自由和创造,很少有意识地规定什么限制.科学创造工作,不可能事先明确规定解决问题的路线和方法;任何一个理论体系,虽然可以通过不同的途径建立起来,但本质上都是一种为解决科学问题而进行的试探性的猜测,必须依赖于以对经验的共鸣的理解为依据的直觉.在文献的“绪论”里讲道:“自然科学的主要任务是探索未知的领域,很多事情是难以预料的.实验的结果验证了理论,固然可喜;与理论不符合可能预示着重大的突破,更加令人兴奋”.作者举例说,世界上建造了许多加速器,但除了反核子和中间玻色子外,粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的初衷,“高能物理学界把这看作正常现象”.所以,1984年在实验室里发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后,人们反而说:现在最令人惊讶的,是没有出现令人惊讶的事.“这便是物理学界极富进取精神的得失观”.物理学史上的大量事例,都可以揭示出科学创造的这一本质.例如文献中指出,当安培提出关于磁性的本源的“分子环流假说”时,那个时代人们还不了解原子的结构.事实上,“电子”是在70多年后才发现的,安培假说不可能是逻辑的结果.同样,泡利在1930年提出“中微子假说”“不能不算是一个大胆的行动”.当时人们知道的“基本”粒子只有两个:电子和质子,中微子成了第三个可能的成员.后来泡利自己就把这件事称为“孤注一掷的措施”,而且打比方说:“只有押了赌,才能谈到赢”.这都说明这些重要发现并不是经验事实必然的逻辑结果.文献中着力分析了“波粒二象性”的概念.指出微观粒子既不是经典的波,又不是经典的粒子,它是一个特殊的客体,具有在不同环境下显示出类似于经典波或粒子特性的潜在能力.所以,至今“没有人能够用人们习惯的语言来恰当地描写微观粒子”.书中引述了郎之万的话:“在微观世界中,我们看到在宏观世界里获得成功的一些概念都是不够充分的.这些概念是为了适用于宏观世界而创立的,并且是在多少世纪当中同这个世界长期接触而产生的.”作者还引述了老子所说的:“道可道,非常道.名可名,非常名”,说明20世纪的物理学是从超越“惯常的道”并发现新的“道”开始的,找出另一种非惯常的道和另一些非惯常的概念的时代已经到来了.文献的作者还指出,当由宏观世界转向微观时,经典物理学家很自然地把熟悉的一套成功方法搬过来,希望经过观察能够精密地确定微观粒子的位置与动量.但是,海森伯和玻尔的观点则截然不同,认为概率性的观点在量子物理学中是基本观点,决定论必须放弃.因此,玻恩(M.Born)于1927年提出的波函数的概率解释,并不是,也不可能是从什么地方导出来的,它是量子力学的基本原理之一,也可以说是一个基本假设.正因为许多带有革命性的概念和理论,本身就不是从已有的理论中逻辑地推演出来的,以纯粹的逻辑方法来讲授,不仅学生难以接受,实际上也是不可能的.只有把它放到认识的历史长河中去,讲清它们的来历和脉络,才能使学生理解和接受.因此,为了学生能够适应不断发展着的科学创造工作的需要,既要使学生受到严格的逻辑思维的训练,又要使他们不把这种思维模式固定化,必须使他们从科学发展的真实历史中受到非理性、非逻辑的创造性思维的训练,以对未来的创造性工作有所准备.3.4问题的提出—进行科学美学教育“美是真理的光辉”,这句拉丁格言深刻地反映了美与真之间的内在统一性.科学理论的真理性与其形式的简单、对称、和谐是互为表里的,美学的直觉和高超的审美鉴赏力引导着科学家们去叩开科学真理的大门.所以费曼指出:“干物理得有鉴赏力”.所谓鉴赏力,就是那种善于从真、善、美的结合上敏锐抓住事物的本质去创建理论的能力.物理学是洞察力的一种形式,因而也是艺术的一种形式.所以,在科学教育中,应当借助于科学大师们崇尚科学美的思想与创造实践,引导学生去认识自然界的质朴的统一,认识科学理论的简单、对称、和谐与普适性的内在的美,从而培养起他们的科学鉴赏力.在文献中,作者对“守恒律”思想的产生,作了一点“历史的回顾”.指出,古人从细心的观察中已感觉到,在世界变幻无常的现象的背后,存在着一种不变的秩序,它确定出一个禁戒的王国,限制着事物发生的可能性.“科学要在那万般变化的世界里,找出‘不变性’,这就是各种各样的‘守恒性’.”作者举出了惠更斯在1700年左右的一篇论文中关于弹性碰撞的推理方法,让读者感受守恒律与对称性的联系.作者指出:“追求某种东西守恒是产生科学思想必不可少的条件.科学家们常有寻找守恒量的强烈愿望,与运动相联系的守恒量长久以来就是物理学家们寻找的目标.”在专节讲述了“守恒律与对称性”后,作者指出物理学各个领域里那么多的定理、定律和法则,它们的地位并不是平等的,而是有层次的.那么有没有凌驾于各种基本规律之上的更高层次的法则呢?作者回答:“对称性原理就是这样的法则.由时空对称性导出的能量、动量等守恒定律,也是跨越物理学各个领域的普遍法则.这就是为什么在不涉及一些具体定律之前,我们往往有可能根据对称性原理和守恒定律作出一些定性的判断,得到一些有用的信息.这些法则不仅不会与已知领域里的具体定律相悖,还能指导我们去探索未知的领域.当代理论物理学家(特别是粒子物理学家),正高度自觉地运用对称性法则和与之相应的守恒律,去寻求物质结构更深层次的奥秘.”根据历史所作出的这种论述,无疑对提高学生的科学鉴赏力大有裨益.在“万有引力”一章的“历史性的回顾”里,文献的作者作了这样一段评述:“在西方,一些物理学家提出这样的问题:如果一个人未读过莎士比亚的著作,会被人认为没有教养;但是一个人不知道牛顿、爱因斯坦的理论,却不被看作没有文化,这不奇怪吗?于是他们仿照‘艺术欣赏’、‘歌剧欣赏’那样,在大学文科开设起‘科学欣赏’、‘物理欣赏’课来.在我国,情况可能更是这样.在一般人心目中,物理是那样枯燥,那样难懂,难道还有什么可欣赏的?其实物理学是优美的,它的美表现在基本物理规律的简洁和普适性.……物理学的简洁性是隐蔽的,它所具有的是深邃而含蓄的内在美.不懂得它的语言,是很难领会到的.……”在讲到“引力理论的成就和意义”时,文献中讲了“从未想到的行星”海王星和冥王星的发现的故事,讲了万有引力理论对双星系统和旋涡星系的适用性.作者感叹说:“万有引力理论的普适性超越了宇宙的边缘!就这样,从苹果到月亮,从太阳到宇宙,上穷碧落下黄泉,天上人间,凡有引力参与的一切复杂现象,无不归结到一条简洁的定律中.还有什么比这更美妙的吗?”其中还讲到,有人问李政道先生,在中国做学生的时候,乍一接触物理学,有什么东西给他印象最深?他毫不迟疑地回答说,是物理法则普适性的概念深深的打动了他.物理法则,既适用于地球上你卧室里的个别现象,也适用于火星上的个别现象.这一思想对他来说是新颖的,激发着他的兴趣.牛顿的万有引力定律堪称是物理学中普适性的经典楷模,赢得了后世无数科学家的赞赏,鼓舞了一代又一代有才华的青年走上献身物理学研究的道路.4变身人类的现实”物理学史以其特有的精神价值,在学生的思想品德教育中,可以发挥重要的作用.这种精神价值,包括科学家们的科学理想、献身精神,光辉言行和高尚品格,也包括中华民族的文明.科学大师们的楷模形象和中华文明的深厚底蕴,会给学生人生价值的追求以深刻的影响.深入剖析科学伟人的生平、环境、教育和成长道路,可以发现科学家不是超道德的,他们的科学探索活动和科学成就,与道德价值观是密不可分的.科学家也是人,是普通的人;但他们又极不普通,体现在他们敬业精神和对科学事业的热爱与专注,体现在他们耐得寂寞、甘守清贫的勤恳诚实的劳动上.诺贝尔奖获得者李远哲对学生常说的一句话就是:“我是认真地活过来的”.物理学史上大量事例表明,追求真理的科学理想和献身科学的牺牲精神,是科学伟人们取得成就的崇高思想境界的支撑.文献中讲到哥白尼不满于托勒玫的体系而创立了日心说;为宣传和捍卫这个学说,布鲁诺被宗教裁判所活活烧死;伽利略受到迫害.后人把历史上这桩勇敢的壮举,豪迈地形容为“哥白尼拦住了太阳,推动了地球”.开普勒在获得了行星运动三定律后,欣喜若狂地写道:“16年了,我立志要探索一件事,……我终于走向光明,认识到的真理远超出我最热切的期望.如今木已成舟,书已出稿.至于是否现在就有读者,抑或将留待后世?正像上帝已等了观察者6000多年那样,我也许要整整等上一个世纪才会有读者.对此我毫不在意.”事实上我们知道,在这16年里,开普勒贫病交加,历受宗教迫害,母亲被拘禁,前妻去世,孩子夭亡,真是苦难重重.这些感人的事例,对学生是很有感染力的.在物理教学中,要善于运用科学家的言行,培养学生树立正确的人生观、价值观,使学生认识到人生的价值要放在社会大环境中和历史长河中去衡量.文献在全书的开头引了著名生物学家巴斯德的一段话:“当您生活于实验室和图书馆的宁静之中时,首先应问问自己:我为自己的学习做了些什么?当您逐渐长进时,再问问自己:我为自己的祖国做了些什么?总有一天,您可以因自己已经用某种方式对人类的进步和幸福作出了贡献而感到巨大的幸福.”这是何等高尚的情操啊!书中还讲述了这样一个有趣的故事:1920年,索末菲把反常塞曼效应列为“原子物理中悬而未决的问题”之一.一位同事见泡利在哥本哈根美丽的街道上毫无目的地来回游荡,就好意地问他:“看样子您很不高兴啊?”泡利不耐烦地回答:“当一个人在思考反常塞曼效应时,他怎么会显得高兴呢?”这种心情,正是泡利追求科学的精神和强烈的事业心的表现!科学是全人类的事业和财富,做一个科学工作者,必须有开放的头脑,广阔的胸怀,要广泛吸收前人和他人的成果,善于进行学术交流.科学是排斥独断论和专制主义的,科学家必须具有理解、宽容的精神,尊重他人的学术观点和劳动成果,在交流中取长补短,共同推动科学的进步.在文献中,刊登了一幅爱因斯坦和玻尔在1930年索尔维会议期间漫步于布鲁塞尔的照片.正是在这次会议上,爱因斯坦与玻尔继1927年第五次索尔维会议上爆发的就量子力学诠释问题的面对面的争论,又针对海森伯的不确定原理展开了激烈的争论.但照片上的两人却显得那么亲密友好.两大科学巨人就量子力学的诠释和理论的完备性问题争论了四分之一个世纪,直到1955年爱因斯坦去世.在原则性的问题上,他们寸步不让;但在个人关系上,他们又如此友善和相互尊重.著名物理学家惠勒描述这场论战说:“它发生在如此伟大的两个人物之间,经历了如此长久的时间,涉及如此深奥的问题,而却又是在如此真挚的友谊关系之中.”这段故事不仅赞美了两位科学家的美德,也会吸引有志的读者去继承他们未竟的事业,把这个问题的讨论引向深入.文献[1～4]都很注意弘扬中华民族对世界文明的贡献,提倡爱国主义精神.其中一共列举了100多条事例,来叙述中国古代和现代科学家、思想家对物理学自身以及物理学中的科学思想的发展所起的作用和贡献.中国古人在运动