科学教育的价值.ppt

1、1,科学教育的价值,高凌飚 2007.3.9,科学教育专题讲座 第一讲,Email: ,2,科学与人类文明,3,1.1 科学的产生和早期发展,生产实践和人类自身具有的求知欲，促进了科学的萌芽。 在谋求生存的长期斗争中，在从事农、牧业和手工生产以及医治疾病的过程中，不断地对自然进行观察，摸索并逐渐积累起有关自然现象的知识，形成了原始的自然科学。 人的温饱得到初步的解决并开始有了闲暇，出于人类天生的好奇心和求知欲，开始比较有系统地观察周围的世界，进行归纳、清理，寻找其中的因果联系和变化规律，逐步建立认识和解释自然现象的理论体系。 古代科学的主要内容大多属于对现象的观察和描述以及经验的总结，更多地依

2、赖于直觉和思辨。 古希腊 中国春秋战国,4,1.2 近代科学的产生和发展,奠基时期 哥白尼(Copernicus, 1473-1543)和布鲁诺(Bruno, 1548-1600) 第谷(Tycho, 1546-1601)、开普勒(Kepler, 1571-1630)和笛卡儿（Descartes, 1596-1650） 伽利略(Galilie, 1564-1642) 对自然现象的初步的定性观察，不能作为科学理论的基础。必须对现象加以分析，找出其基本的方面并加以测量，从中发现隐匿着的数学规律性。 一个理论的假说是否成立，最终要看它或它的推论是否符合实验的结果。 牛顿(Newton, 1642-1

3、724) 力学三大定律 万有引力定律 微积分的创立，血循环的发现，显微镜的发明，化学元素概念的建立,5,成熟时期（18世纪中叶以后直至整个19世纪） 物理学 热机的应用与热力学 能量的概念和能的转换与守恒的观点 光的波动说 杨(Young, 1629-1695)对光的干涉现象的解释 菲涅耳(Fresnel, 1788-1827)对光的干涉和衍射现象的研究 傅科(Foucault, 1819-1868)对光在水中的传播速度的测定 电磁学 库仑(Coulomb, 1736-1806)、安培(Ampere, 1770-1851)、奥斯特(Oersted, 1777-1851) 法拉第(Faraday

4、, 1791-1867)对电、磁现象之间的相互关系的研究，“电磁场”的概念 麦克斯韦(Maxwell, 1831-1879)经典电磁场理论 赫兹对电磁波存在的证明(Hertz, 1857-1894),6,化学 拉瓦锡(Lavoisier, 1743-1794)氧化理论 道尔顿(Dalton, 1766-1844)原子论 盖吕萨克(Gay-Lussac, 1778-1856)和阿伏伽德罗(Avogadro, 1776-1856)原子分子论 门捷列夫(, 1834-1907)和迈尔(Meyer, 1830-1895)元素周期律 维勒(Wohler, 1800-1882)有机合成 生物学 比沙(Bi

5、chat, 1771-1802)组织学说 拉马克(Lamarck, 1744-1829)进化论 施莱登(Schleiden, 1804-1881)、施旺(Schwann, 1810-1882)和微耳荷(Virchow, 1821-1902)细胞学说 达尔文(Darwin, 1809-1882)进化论,7,天文学方面，由于光谱学、光度学和照相术的发展，19世纪以后人类的天文视野大为拓宽。许多新星体不断被发现，对已知的星体及其运动也做了大量的观察和测量，发现了许多新物质和射线，积累了大量资料，为后来的恒星起源和演化的研究奠定了基础。 地球科学方面的情况和天文学有点类似，各种探险活动和科学考察的展开

6、，促进了相应的地图学、自然地理学和地质学的发展，并为20世纪的大突破做了准备。,8,总结起来，近代科学从文艺复兴开始，随着工业革命和资产阶级自由民主运动的深入而不断发展，到了19世纪，可以说是经典科学成熟和收获的世纪。多个学科从萌芽到发展，积累了大量的科学知识，形成了一套严整的科学方法，并且从被动地反映生产和生活的需要变成主动地探索世界，从短视的功利的变为追求永久的真理，从哲学和技术的附庸变成推动思辨哲学和生产技术发展的动力。其中最伟大的两座高峰是麦克斯韦的电磁理论和达尔文的生物进化论，各自揭示了物理现象和生命现象的内在统一性，显示了自然科学理论的巨大综合威力，使人类的思想和生活发生了翻天覆地

7、的变化。,9,1.3 现代自然科学的发展,物理学的革命 从两朵乌云到相对论 以太漂移问题 能量均分定理 狭义相对论爱因斯坦(Einstein, 1879-1955) 广义相对论 量子力学的诞生 “黑体辐射” “紫外灾” 普朗克(plack, 1858-1947)“能量子”的概念 爱因斯坦进一步提出光的量子理论和光的波粒二象性 德布罗意(V.de Broglie, 1892-1987)物质波的概念 海森堡(Heisenberg, 1901-1976)、薛定谔(Schroedinger, 1887-1961)提出统计确定性，在此基础上创立了量子力学,10,物理学方面的其他重大发现 原子核人工嬗变和

8、质子、中子以及一系列基本粒子的发现 人工核裂变和聚变，原子能和放射性的应用 晶体的结构分析和凝聚态物理的建立 半导体物理和技术的发展 磁性物理的建立和发展 超高温、超低温、超高压条件下物质特性和现象的研究 地球科学 魏格纳(Wegener, 1880-1930)的大陆漂移学说 板块结构学说 天文学 勒梅特(Lemaitre, 1894-1925)的宇宙膨胀模型 伽莫夫(Gamov, 1904-1968)的宇宙大爆炸模型,11,化学 在物理学革命带动下的理论重构 新元素的发现，各种同位素的发现 现代化学键理论的建立和络合物化学键理论的建立 分子结构的研究 化学热力学、化学动力学、溶液理论、催化理

9、论、电子转移理论的发展 化学分析技术的进步 化学与其他学科的结合,12,生物学 生物化学的建立和对组成生命的蛋白质、核酸、淀粉、纤维素等物质的研究 DNA（脱氧核糖核酸）的发现 福尔根(Feulgen, 1884-1955)、 卡斯佩尔森(Caspersson, 1910-) 艾弗里(Avery, 1877-1955) 沃尔森(Watson, 1928-)和克里克(Crick, 1916-)阐明了DNA双螺旋结构 奥乔亚(Ochoa, 1905-1993)和科恩伯格(Kornberg, 1918-)发现了RNA和DNA生物合成的机理，在此基础上实现了基因自我复制 霍利(Holley, 1922

10、-)、阿拉那(Khorana, 1922-)和尼伦伯格(Nirenberg, 1927-)对DNA遗传密码的破译 遗传学和进化论的革命 基因工程学的出现 分子生物学和细胞生物学的建立,13,1.4 科学与技术的结合,科学依赖于技术和思辨哲学的时期：古代 科学独立的时期：文艺复兴以后 科学引领技术的时期：从电磁学的研究到电气时代 科学与技术结合的时期： 基础科学应用科学技术,14,20世纪重大科技进步,电子学的发展 真空管 晶体管 集成电路 微电子技术和纳米电子技术 电子计算机的诞生和迅速发展 1946年计算机问世 1951年第一代计算机UNIVAC I 1959年第二代计算机（晶体管计算机）

11、1964年第三代计算机IBM386系列 1980年第四代计算机（大型通用机） 巨型机：峰值处理速度高达5300Gflops(10次浮点运算/秒)，存储容量多达1-32GB(10亿字节) 微型机：在11平方英寸芯片上汇集包含1亿个晶体管，时钟频率为250MHz，处理速度为2000Mips和1000Mflops的处理器。,15,软件技术 计算机软件语言 第一代：面向机器语言和汇报语言的低级语言 第二代：面向过程非结构化的高级语言(ALGOL 60, COBOL, FORTRAN, BASIC) 第三代：面向过程结构化的高级语言(PASCAL, ADA, C) 第四代：非过程性的甚高级语言(FORT

12、H, Informix-4GL, MAPPER, LINC, Easytrieve, Delta) 第五代：第四代语言的升级，可直接用非符号化信息作为计算机的表达语言，全面支持多媒体技术。 数据库 专家数据库、知识数据库、演绎数据库、多媒体数据库和信息管理系统，数据库与网络的结合,16,多媒体技术与远程通信网络技术的结合 自动化技术 人工智能 符号主义学派认为物理符号是思维活动的基础，知识可以用符号表示，可以建立其基于符号逻辑的智能理论体系，以思维过程的黑箱模拟为主要方法，编制启发式程序，发展到智能专家系统。 联结主义学派认为智能活动的基元是神经细胞，是神经网络的状态演化过程，从仿生学的观点出

13、发，对神经系统的功能进行数学和物理结构的模拟，从研制神经细胞模型到感知机到人工神经网络。 行为主义学派以“感知行动”作为智能行为的基础，从控制论出发，进行生物控制系统的模拟，发展控制论动物到智能机器人。,17,“软科学”“新三论”的迅速发展 信息论 狭义信息论涉及的是信息量、信道容量及信息编码的问题 一般信息论在狭义信息论的基础上进一步研究噪声理论、信息滤波、预制、调制和信息处理的问题 广义信息论进一步涵盖了所有与信息有关的领域，如心理学、语言学、神经生理学及语义学等等。 控制论 研究控制系统与信息系统的共同规律和控制方法。 从机器的控制开始，到对生物以至人类社会现象的控制。 系统论 为了解决

14、由许多部分组成、各部分之间关系密切的系统的问题，采用从整体和相互联系的角度去观察、分析和解决问题的思路 两条线索： 从运筹学到系统工程学，发展到今天的大系统理论和动态系统工程 从一般系统论到耗散结构理论到协同学 随着模糊数学和电子技术、智能研究的发展，新三论可能进一步走向综合，成为“信息控制系统”科学理论,18,1.5 科学与人类文明,科学的产生和发展是以生产的发展为基础，以解决实践提出的问题和满足人的求知欲望为动力。 科学在其发展的初期依附于技术和哲学，科学对人类文明的贡献是与经验技术及思辨哲学交混在一起的，如我国古代对磁现象的观察及指南针的应用等等。 近代科学开始从这种依附中独立出来，反过

15、来成为技术和思想发展的龙头，成为促进人类物质文明制度文明和精神文明的巨大推动力。,19,科学对物质文明的贡献,研究生产技术所不能回答的问题 开辟新的生产技术领域，建立完全新型的工业 电磁学的发展带来了电力时代 有机化学的发展带来了以煤焦油为原料的合成染料、药物等的化学工业 原子核物理学的发展带出原子能工业 数理逻辑和电子学的发展导致电子计算机工业， 半导体物理学导致半导体工业 高分子化学导致高分子合成化学工业 力学、材料科学、电子学和计算机科学导致空间技术 量子论、电子学和光谱学导致激光技术 50年代以来，各发达国家的劳动生产率平均每年增长3左右，其中3/4就是依靠新技术的采用。 人类的生活方

16、式，包括衣、食、住、行的所有方面都发生了改变,20,科学与制度文明,科学需要宽容，要允许不同思想的存在和争鸣，这就需要制度上的保证 中国从“百家争鸣”到 “废黜百家、独尊儒术” 欧洲从古代的城邦民主的制度到了中世纪的神权统治 近代科学的发展伴随着近代民主运动而产生，促进了民主制度的发展 即使在现代，当民主失去保障的时候，科学就无法发展，任何扼杀民主的制度，都同样在扼杀科学。 科学对制度文明的促进还表现在科学研究、技术创新和社会生产的组织制度方面，科学的发展不断地促进其本身的运作制度的更新和科学化、民主化，也影响到社会上其他组织和制度的建设。,科学与民主是一对不可分开的孪生兄弟姐妹,21,科学与

17、精神文明,科学理性思维的方式，强调通过逻辑的思维进行推断 科学道德科学所引发的关于人类价值和规范的再思考 科学伦理科学所引发的对人类社会的伦理关系的再思考 科学品质从事科学活动所需要的基本品德 科学审美从科学的视野出发对美的感受和领悟,“科学是一种在历史上起推动作用的、 革命的力量”， “是最高意义上的革命力量” 恩格斯,22,科学的发展促进了人类物质生产的发展 科学的发展促进了社会民主制度的发展 科学的发展促进了人类精神文明的建设 科学知识、技能和方法是人类非物质财富的重要部分。,传承科学文化 是教育的重要任务之一,23,科学教育的价值,24,何谓科学教育,科学教育是学校教育的一个方面，以科

18、学的知识技能和过程方法为内容，以促进学生科学素养的提高为目标，使每一名受教育者都能具备适应生活所必须的基本科学知识和技能，理解科学的过程，掌握科学的思维方法，具备科学的精神、态度和价值观，逐步学会如何认识和解决当今社会所面对的科学问题或与科学有关的问题，在实现人的发展的同时推动社会进步。,25,科学教育科学课,科学教育物理化学生物自然地理,科学教育既包括了显性的学科课程，如物理、化学、生物、自然地理，也包括了各种非学科课程，如课外科技活动、研究性学习，等等，还包括通过隐性的渠道，如文艺体育活动、社会实践活动等等所传递的科学思想观念和信息，所掌握的科学技能方法。,26,科学教育与社会进步,1.1

19、 科学技术是第一生产力 “知识经济” “ 知识经济是以知识为基础的经济，这种经济直接依赖于知识和信息的生产、扩散和应用”。 路甬祥：创新与未来 p.3；科学出版社，1998 知识经济时代的到来，表明科学与技术的高度结合，表明从科学到技术到生产的链接已经非常紧密，科学技术已经直接成为一种生产力，推动经济的发展和社会的进步。 知识经济时代的到来使得每已个从事生产和经济活动的人都需要掌握基本的科学知识和技能，都能理解科学活动的技术创造的过程和意义。,27,科学教育与社会进步,1.2 可持续发展问题 由于过度开发所引起的资源短缺、生态环境恶化、社会矛盾激化等问题，使人们逐步地认识到人与自然协调相处的重要性，同时也对科学的本质和价值进行反思。 自然和社会的可持续发展需要具有可持续发展意识的人才，在认识科学技术发展必要性、掌握科学知识技能的同时，明了科学技术所不能超越的规范。,28,科学教育与人的生活,科学技术