物理教材与新的科学观教育论文
摘要：新的高中物理课程改变了以往过分强调知识与技能的做法，明确规定了“三维”课程目标。课程教材研究所物理课程教材研究开发中心组织编写的《普通高中课程标准实验教科书·物理(必修)》在落实三维课程目标方面作出了努力，旨在帮助学生通过学习形成丰富的、立体的、正确的科学观，促进学生对科学本质的理解。
关键词：新课程；物理；教材；科学观
一、教科书要为落实三维课程目标服务
《基础教育课程改革纲要(试行)》(以下简称《纲要》)对课程目标的具体要求包括：“改变课程过于注重知识传授的倾向，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程。”[1]中华人民共和国教育部制订的《普通高中物理课程标准(实验)》(以下简称《课程标准》)根据这个要求明确地把高中物理课程的具体目标分为“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度与价值观”三个方面，[2](8)即“三维”课程目标。
三维课程目标的提出，旨在改变以往过分注重知识传承的课程实践，是这次课程改革的重大突破，是对教育本质认识的一次飞跃。它为培养“具有初步的创新精神、实践能力、科学和人文素养以及环境意识；具有适应终身学习的基础知识、基本技能和方法；具有健壮的体魄和良好的心理素质，养成健康的审美情趣和生活方式”[3]的一代新人奠定了基础。我们必须对三维课程目标的含义以及三者之间的关系有一个比较清晰的认识。本文将结合课程教材研究所物理课程教材研究开发中心组织编写的《普通高中课程标准实验教科书·物理(必修)》(于2004年9月供实验区试用)，对物理教育中三维课程目标的设置、实施、落实等方面的问题做些探讨。
二、加强过程与方法的教学
这套教科书不追求以“简明、轻快”的方式给出知识的结论，而是努力把得到知识的过程适当展现给学生。关于得到知识的过程，它有两方面的含义。一方面是学生个体在学习中的活动过程、思维过程；另一方面是人类认识某一规律时科学家群体的活动过程、思维过程。关于第一个方面，可以用“匀加速运动的速度与时间关系”的教学为例做些说明。
如果只考虑知识的掌握，那么，从加速度的定义出发，经过代数式的变形，马上就可以得到，于是就能用来解题了。然而，教科书赋予了这段内容更多的教育意义。教科书的思路如下。
通过实验忠实记录小车在重物牵引下运动时，时间与对应的速度的数据
↓
作出速度与时间关系的图象
↓
发现存在着这样一种运动，它的图象是一条倾斜的直线
↓
发现直线图象所代表的运动，是加速度不变的运动，给出匀变速运动的定义
↓
通过图象一般性地研究匀变速直线运动，得出
书中这段内容虽然不与人类对此问题的认识过程完全一致，但对于作为个体的人，它却是一个学习、认识科学规律的好例子。它强化了从实验得出规律的一般性过程，练习了用图象分析问题的通用方法，逻辑线索清晰。它在价值观及科学过程、科学方法上的教育价值比较高。
再如，抛体运动的教学是另一个例子。
过去课程的着眼点在“知识点”，《教学大纲》没有把斜抛运动写在上面，教科书就不能讨论斜抛的问题。《课程标准》与过去不同，要求“会用运动合成与分解的方法分析抛体运动”，也就是说，新课程对“方法”给予了更多的注意，而对于方法的载体──知识，没有苛刻的限制。因此，教科书在研究了直线运动后，把抛体运动当做一个实例，目的是讨论在平面中应用牛顿运动定律解决问题的一般性方法。指出这个问题与直线运动问题的不同点是，需要在x、y两个方向上分别作出受力分析，在两个方向上分别应用牛顿运动定律和运动学的规律。对于抛体运动在两个方向上运动的具体规律，不像现在的课程那样强调，对于平抛与斜抛两种运动，也不刻意区分。
教科书中的“思考与讨论”“说一说”等栏目，目的也在于展示学习过程中的思维活动。
“科学足迹”等栏目则介绍了历史上科学家群体认识自然规律的过程。在呈现这些历史材料时，编者把它放到当时的大的社会背景中去，从当时社会的经济、文化环境去认识科学史中的事件。
三、重视情感、态度与价值观的教育
什么样的人具有较高的科学素质?这不仅要看他的科学知识的多少，而且要通过言行观察他对科学本质的认识，对科学过程、科学方法的领悟，特别是他的价值观在多大程度上与科学的价值观相一致。对那些以后不去研究物理学的学生来说，后者可能是中学物理课程更重要的教学目标。
e=宋体>爱科学的前提是要懂科学。编者最基本的努力是要使学生学懂科学，从而达到理解科学的目的。
(一)层层铺垫，不断深入
学生有时说某部分内容难，其实不是处处都难，而是存在着一两处“思维障碍”，难以突破。编者研究了学生的思维特点，力图把困难的地方找准，在那里多搭几个矮一点的台阶。编者认为，在一定程度上可以带些夸张地说，“没有不能攀登的高山，只有上不去的台阶”。因此，我们采取层层铺垫，不断深入的方法。学生学懂了，才能满足他们的好奇心，体会到学习的乐趣，才会有成就感，才会察觉到科学中美好的东西。例如，第六章第六节“分析匀速圆周运动的加速度方向”，教科书分5步走，特别把矢量的运算分得很细，引导学生得出正确认识。第五章第五节“探究弹性势能的表达式”，也是把一个比较困难的问题分解成了若干简单的问题。
(二)渗透辩证唯物主义思想
这套教科书对于极限概念的处理，既有加强过程与方法教育的考虑，也有加强情感、态度与价值观教育的考虑。
在现代科学中，动与静、曲与直、变与不变、整体与部分等辩证关系，都需要用极限的思想去理解。在信息技术中，把模拟信号变为数字信号时的取样、幅度分级，就是极限思想的一个例子。这是一种重要的思想方法。对于树立辩证唯物主义的世界观、避免形而上学的思维模式都有积极作用。在高中物理适当引入极限思想的出发点就在于此。
有一种意见认为，学生将来在大学会系统地学习这些内容，中学没必要学。编者的意见是，学习的内容可以按性质分为两类，一类是知识性的，一类是方法性和观念性的。对于前者，如果以后有机会学，没必要重复；而方法性的、观念性的东西，需要多次接触，才能逐步深入地领悟。人们缺少的知识可以在一生中的任何时刻补充，而方法性的东西，特别是观念性东西的学习，在成长过程中时机的选择，是非常重要的。
(三)强调理性思维和逻辑线索
物理学是一门成熟的精密科学，实验事实是它的基础，逻辑关系构成了它的理论结构，两者缺一不可。在高中阶段，我们要在可能的程度上按它本来的面目展现给学生，使学生看到，这是人类三百多年来创造的一个有代表性的学科，它为我们奠定了现代文明的物质基础。我们不能不负责任地给学生造成一种假象，好像科学是一些支离破碎、经不起推敲的知识堆砌。
人的科学素质表现之一是“说话要有根据、说话要合乎逻辑”。教科书力求一步一个脚印地走，事事不马虎。凡是由于知识基础、实验条件等需要跳过的逻辑环节，教科书中都明确指出。这样做的目的，是让学生也养成这样的习惯。
例如，关于做匀速圆周运动物体的加速度的方向问题，本来可以只从小球在水平桌面运动时的受力体验出发，得知做匀速圆周运动的物体受力的方向，由此推断一切做匀速圆周运动物体的加速度的方向。但是，这个思路是从个别实例得出一般性的规律，有以偏概全之嫌，得出的结论并不可靠。我们不应该使学生在不经意间形成这样的思维习惯。为此，教科书利用加速度和矢量运算的知识，在普遍情况下得出做匀速圆周运动物体的加速度的方向，这样得出的论断才具有一般性。在这之后，根据牛顿第二定律得出的物体受力方向，也才具有一般性。
需要指出的是，第六章第六节是以“思考与讨论”开始的，请学生通过两个实例的分析，思考做匀速圆周运动的物体的加速度方向。尽管不能由此得出普遍的结论，但这样的实例却对问题的答案给出了明确的提示，在进行普遍性的讨论中，它给我们指出了方向。因此这些实例不是可有可无的。这样处理经验与逻辑的关系，是科学方法的体现。在第二章第三节“匀速直线运动的位移与时间的关系”中也有类似的处理。
对于许多将来不以科学技术为职业的学生，也许匀速圆周运动的知识将会忘记，但一次又一次这样的逻辑训练将长留心中，成为他们的潜意识和价值观。学生将会思维有条理，看问题不片面，善于认识新事物。类似的教学设计，将对学生这样思维习惯的形成起到积极作用。
应该说明的是，诸如匀速圆周运动的加速度方向等问题的讨论，并不要求学生独立地复述，更不要求用这样的方法解决其他问题。只要学生能跟下来，认为说得有理，编者的目的就初步达到了。这样做，更多的是着眼于情感、态度与价值观方面的教育。经历过这样的学习过程与没经历过是不一样的，按教科书这样学习，学生会感到物理学是“说理”的。
教科书坚持用事实说话。编者特别注意，一切概念、规律的得出都要有实际事物做根据，概念规律的引入都从生活、技术或实验中的实例出发。一切论述都要合乎逻辑，不出现似是而非的说法，不与已有的认识相矛盾。为此，这套教科书比较强调逻辑的线索。
(四)拓展科学精神的教育
教科书不止一处提到通过实验得出结论需要“勇气”，这是否鼓励学生莽撞行事，而与我们提倡的科学精神不符呢?不，人类的知识不是通过演绎得来的，单纯的演绎不能得到新的认识。普遍性的规律也不是通过简单的归纳得来的。猜想与假设、对自然规律某些特征所持的信念，这些才是创造性思维中最活跃的因素。这是编者写下这些文字时的思想基础。
例如，在实验研究物体的加速度与它受力的关系时，几次实验的aF直线都不会完全经过原点，但会十分接近原点。当然可以采用更精密的`实验手段，但那时我们对精确度的要求应该更高，于是它还不会完美地经过原点。适当的时候就要敢于相信，真正的自然规律应该是a∝F。在谈到伽利略把沿斜面下滑物体的运动规律外推到自由落体时，在把作用于行星与太阳间的引力推广到地球与月球、地球与地面物体，甚至推广到任何物体之间时，以及在确定物体动能的表达式时，教科书从思路到行文都做了类似的处理。
过去我们关于科学精神的教育主要是辛勤与严谨，这两方面的确是不可缺少的，现在还要进行这些教育。但是，如果仅仅是这些，那么对于任何形式的创新都是不够的。因此，教科书做了上述努力，希望它在激发学生的创新活力方面起到积极的作用。这种活力不限于物理学的研究和学习，它会表现在学生未来生活的方方面面。
章前富有针对性的名人语录都能画龙点睛地在情感、态度与价值观方面起到很好的教育作用。例如，第七章第四节学过万有引力定律的应用后，适时引用的李政道关于物理规律普适性的话语，第七章第一节引用梁启超关于科学与艺术关系的见解，以及绪言“物理学与人类文明”引用的庄子的话，读起来都会有震撼的感受。
四、为教学中的科学探究提供方便
《纲要》多次指出科学探究在教学中的重要性，《课程标准》则在“内容标准”中明确规定了对科学探究的教学要求。[2](10)这套教科书在科学探究方面进行了尝试。
科学探究是一种精神，这套教科书从整体上说是以探究的思路展开的。探究式学习与接受式学习的本质区别，在于学习过程中后者的结论是已知的，或由教师、教科书直接告知的，而前者的结论是通过学生自己的活动由自己获得的。在这个思想指导下，书中课堂实验、演示，都不像过去的教科书那样把现象甚至结论和盘端出，而是用启发性的语言引导学生自己观察、发现与思考，自己提出问题并寻找问题的答案。“思考与讨论”“说一说”，以至全书的语言风格都是为引导学生探索而确定的。
(一)体现科学探究方式的多样化
高中物理教学中的科学探究不全是实验探究，这点需要明确。通过自己的探索，变未知为已知，这样的教学活动就是科学探究。它们与初中阶段的实验探究具有相同的特征，但研究的手段不完全是实验或者完全没有实验。
在这种思想指导下，编者安排了几个典型的、没有实验活动的科学探究。例如，第五章第五节“探究弹性势能的表达式”，第六章第六节“探究向心加速度大小的表达式”，等等。
第五章第五节“探究弹性势能的表达式”的主要目的并不是让学生学习这个关系式，而是让学生经历一次探究的过程。关于探究性学习，无论是实验性的还是非实验性的，书上是否写出了结果，将来是否要求对结果的掌握，其教育意义是很不一样的。《课程标准》没有提及弹性势能的表达式，这套教科书对这个关系也不作要求，因此学生和教师都可以放下包袱，一心体验探究的过程，而不必过分担心其结论。
有些实验探究性很强，这一点在实验的标题中都明确地标示出来了。例如，第二章第一节“实验：探究小车速度随时间变化的规律”，第三章第四节的实验“探究求合力的方法”等。
探究性实验的结论是未知的，这样就增加了实验的难度。编者对此进行了研究，在适当环节给出提示，帮助学生沿正确的方向前进，但又不直接给出结论，以保持学习的探究性，例如第三章第四节实验“探究求合力的方法”等。对于不涉及实验的探究活动，教科书也用提示的方法，既使学生能够不太困难地走下去，又保持了教学内容的探究性。
科学探究的活力在于每个具体的探究都与另一个不一样，它不是僵死的教条，无论是科学研究中的探究还是科学课程中的探究都是这样。因此，编者在教科书中不追求某种探究的“模式”，也没有设立一个栏目叫做“探究”。如果这样做，好象不是这个栏目的内容就不是探究了。
(二)改变学生的学习方式
应该说，这是本次课程改革的一大任务。“改变学习方式”的核心是让学生不做被动的“受教育者”，而是做一个主动的“探索者”。
教科书中的“思考与讨论”栏目是重要的教学环节，教学中不要为了赶进度而用一两句话把结论告诉学生。例如，第一章第二节的“思考与讨论”，要求学生从一个实例出发思考矢量相加的法则，这时学生不大可能说出完整的平行四边形定则。没有关系，说不出来也不要告诉他们，学生只要结合实例认真考虑了，即使说不出来，也一定会有某些领悟。在教科书的安排上，这时还不要求学习矢量相加的法则，这个法则要在以后接触更多的矢量之后才正式学习，但这里的思考会埋下一颗种子，到适当时刻就会萌发。
再如，第一章第五节图1.53的“思考与讨论”，教学目的是介绍图象的倾斜程度与运动加速度的关系，但这里不是由教师正面讲述，而是从一个问题出发，即从直线的倾斜程度出发进行讨论。这样不仅促进了学生的主动学习，而且有利于学生形成勤于思考、勇于质疑的习惯。
(三)实验教学与概念、规律教学相融合
《课程标准》加强了实验的教学，体现之一是它把实验与其他教学内容紧密地结合在一起，而不再规定所谓的“必做”实验。例如《课程标准》规定：“通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系”“通过实验，理解力的合成与分解”……凡是《课程标准》作出这样要求的，教科书都安排了实验。
还有一点与过去的《教学大纲》不同：《课程标准》没有对实验的具体做法、使用的器材等作出硬性的规定。这样就可以使师生因地制宜地进行实验教学，便于提出不同的实验方法，使师生更注重实验中的科学思想，而不是背诵实验的器材、步骤等条文。鉴于课程标准规定的宽泛性，这套教科书尽可能地对同一个实验推荐不同的实验方案，供师生选择，例如第六章第三节探究平抛运动特点的实验等。
这套教科书中，节的标题中有“实验”二字的，如“实验：验证机械能守恒定律”，是全体学生都必须完成的。这些实验的规模比较大，而且多是定量的。节中的“实验”栏目，也是要求学生自己动手做的，但多是定性的实验，可以做随堂实验处理。“演示”栏目也是实验，往往由于器材等原因，只能由教师做给学生看。“做一做”栏目也是实验，但大多属于扩展性内容。
《纲要》指出：课程改革要“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合”。[1]用信息技术改造某些已有的实验、增加原来不能做的实验，这是课程时代性的体现之一，教科书要促进这项工作。但是，由于发展不平衡，也由于我国在这方面还缺少经验，所以不能搞“一刀切”。《课程标准》的提法是：“重视将信息技术应用到物理实验室……诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等。”[2](64)
遵照以上精神，教科书在“做一做”栏目中多次介绍了信息技术在实验中的应用。例如，第二章第一节“用计算机绘制图象”、第四章第五节“用传感器研究作用力与反作用力的关系”等。
从全国范围看，用信息技术改造某些已有实验的工作刚刚起步，各个厂家的产品型号、使用方法不尽相同。因此，教科书只介绍基本原理，不涉及具体的操作，主要目的是指出某某实验有应用信息技术进行改进的可能性，指出技术方向，而具体的实验安排还要教师结合具体情况进行再创造。
五、加强选择性和开放性
教科书的“选择性”是近年来议论比较多的，也是编者力求解决的。“选择性”要在两个层次上考虑。高中各科新课程的共同特点是它们的选择性和模块结构。物理课的共同必修内容只有两个模块、80课时。学完共同必修内容后，学生就可以选学不同特点的物理，而在此之后更可以决定是否继续学物理或学习哪种特点的物理。这些是在过去的《教学大纲》框架下所无法做到的。这种安排在根本上保证了选择性的实现。
从另一个层次上考虑，在物理课程内部，无论在必修模块还是在选修模块中，都有一些弹性教学内容。例如，“说一说”“做一做”，它们不是每个学生一定要做、必须掌握的，学生和教师可以根据具体情况安排。
每册书的后面都介绍了若干课外读物，这也是过去的教科书所没有的。学生们可以根据自己的学习情况，以及所能找到图书的多少，选择阅读。每册书都有“课题研究”，不同学校、不同学生也可以按照自己的情况灵活安排。
教科书中设置了“说一说”“做一做”“课题研究”，这些栏目大多是开放性的，并没有确定的要求。例如第三章第一节，在学过电磁相互作用后，提出了“说一说”中的问题：“既然质子带正电，原子核中的质子应该互相推斥，但它们却紧紧地结合在一起，可能是什么原因?”学生会猜想，可能有一种更强大的力使它们结合在一起，这为强相互作用的引入做了铺垫。但是也可能有的学生知道万有引力，因而认为万有引力使核子结合在一起。这没有关系，可以存疑，可以有模糊认识，不断学下去问题就逐步解决了。存有这样的疑问反而会使后面的学习效果更好。又如第四章第五节，大力士与别人“掰腕子”的问题，可能有多种不同的解释，都会有道理。教师不要充当裁判员，裁定谁的解释正确。生活中、科学中总会有一时不能解决的问题，有的甚至一生都找不到满意的答案，这样我们才会有一个不断提问的心境，我们的认识才能不断前进。
上面的例子是对学生个体的学习的开放性。这套教科书还注意了学科的开放性，即物理学尽管是成熟的科学，但它仍然不能为一切问题找出答案，旧的问题解决了，新的问题又提出了。例如在物理2教科书的最后，关于时间和空间到底是什么、关于黑洞的探索，以及最后的问题：“相对论和量子力学是哪一种更广泛理论的特殊情形呢？我们现在还不知道……”其目的都不在于让学生对这些问题有什么了解，而是让学生感到，我们不会终极一切真理。
此外，实验提出了多个方案由学生依具体情况选择，书后推荐课外读物，等等，这些都是这套教科书为开放性所做的努力。
总而言之，对于过程与方法，情感态度与价值观的要求高了，势必影响大容量知识的教学。而三维课程目标是《纲要》和《课标》所要求的，是这次课程改革的精髓。无论教科书编者还是教师、学生都要在落实三维课程目标上面下工夫，这是必须付出的代价。在过程与方法、情感态度与价值观方面多花费了力量，留给解题操练的时间必然会少，这一点不必回避。有所得必有所失。关于这一点，《高中物理课程标准解读》中的以下一段话很能说明问题：
“任何改革，包括现在进行的基础教育课程改革，都会以传统意义上的某种质量的“降低”为代价。五四运动是一次伟大的思想革命和文化革命。在提出‘科学’与‘民主’的同时，还提出了摒弃文言文、提倡白话文的主张。由此，我们今天六七十岁以下的人，要想写一篇文言文或者作一首古诗词之类的东西，真是不像样子了。会写文言文，会作古诗，会填古词，当然是一种优点。但是我们因此而在中小学语文课上去大讲‘诗词格律’，大教青少年怎样作古诗、写古文，岂不就是缺点性的优点了吗!”[3]
参考文献：
［1］中华人民共和国教育部.基础教育课程改革纲要(试行).2001.
［2］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验)［S］.北京：人民教育出版社，2003.
［3］廖伯琴，张大昌，等.普通高中物理课程标准(实验)解读［M］.武汉：湖北教育出版社，2004.
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