論邏輯與科學規(guī)律的教學

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教育研究的發(fā)展趨勢表明,以往那種就“科學教育”研究“科學教育”的做法有很大的局限性。新的邊緣學科、交叉學科的興起,不僅豐富了科學教育的內容,也為科學教育理論的研究注入了新的活力?!度珖逃茖W“十五”規(guī)劃要點》①提出了“十五”期間教育科學研究的總體要求,其中第5點就是“加強基礎研究、新興邊緣交叉學科和跨學科的綜合研究”,指出要“鼓勵新興交叉邊緣學科和跨學科的綜合研究”;并且在《“十五”規(guī)劃教育科學研究必須堅持的方針原則》中明確指出“要積極支持體現(xiàn)新思路、新視角、新內容、新方法的研究”。跨學科的科學教育研究倡導對教育現(xiàn)象和問題進行多學科、多視角的綜合研究,采用不同的學科方法研究同一對象。從邏輯學的角度去研究學科教學,特別是理科自然科學的教學就是體現(xiàn)新思路、新視角、新內容、新方法的研究,是邏輯學與學科教學研究的交叉。當然從邏輯學的角度去研究科學教學并不研究邏輯學本身的問題,而是應用邏輯學知識討論科學教學中的有關問題,研究科學知識創(chuàng)新的邏輯過程、新概念新規(guī)律的邏輯表述、邏輯方法在知識創(chuàng)新過程中的應用以及邏輯思維的培養(yǎng)等問題。
    本文以科學規(guī)律的教學為例,討論從邏輯學的角度來審視科學規(guī)律教學所得到的一些結論。
    一、科學規(guī)律的建立過程
    科學規(guī)律的建立過程是科學探究的典型過程,弄清科學規(guī)律的建立過程的特點是在科學規(guī)律教學中實施科學探究教學的前提。科學規(guī)律的建立過程應該有兩種層次:其一是科學家發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程;其二是學生頭腦中科學規(guī)律的建立過程。這兩種過程的不同之處在于,前者屬于創(chuàng)造過程,而后者屬于學習過程。當然,這兩者也有相似之處,它們都是人的認識過程。無論是科學家的創(chuàng)造過程還是學生的學習過程,總結起來主要就是下面幾種不同的類型。
    經驗歸納型。從大量的觀察、實驗得來的經驗材料,總結出科學規(guī)律,這是科學研究的基本的工作。這一過程從特征上來說是一個歸納的過程。因為歸納的本質特征就是由部分到全體、由個別到一般。從經驗事實中通過歸納總結出的科學規(guī)律,一般稱之為科學定律,一些基本原理也是由歸納得出的。自從物理學的開山鼻祖伽利略把物理學建立在觀察和實驗的基礎之上,歸納就成了科學重要的研究方法。在這里就不必舉例說明了。當然由歸納得出的科學定律,并不一定是正確的,能否得以確立還必須通過不斷的實踐檢驗,但如果把一個定律其確立的完整過程分為建立和檢驗兩個過程的話,那么其建立過程稱為經驗歸納型是合適的,反映了其基本特征。
    理論演繹型。有些科學規(guī)律是從一些已知的科學規(guī)律通過理論推理而得到的,由于這是從一般到特殊的過程,因而帶有演繹的性質,一般這樣得到的科學規(guī)律稱為科學定理。比如在建立了牛頓三大定律之后通過理論推理提出動量定理和動能定理,由庫侖定律導出高斯定理等,就屬于這種形式。理論演繹的前提可以是通過其他類型途徑(一般是歸納)獲得的,其正確性要經過實踐的反復檢驗,演繹的過程有著邏輯的必然性,只要前提正確,演繹形式有效,結果必然正確。
    類比假說型。類比是根據(jù)兩個或兩類對象某些屬性相同或相似,推出它們在另外的屬性上也相同或相似的思維過程。通過類比,把陌生的對象與熟悉的對象相比較,從而從已知的規(guī)律獲得對未知規(guī)律的有關信息(比如規(guī)律的數(shù)學形式、探索新規(guī)律的研究思路等),得出新的結論。由于類比的過程是從特殊到特殊的過程,因而所得到的結論與前提之間缺乏必然性的聯(lián)系,只能稱之為假說,通過實踐后可以上升為科學定律和科學原理。如庫侖定律的得出就是通過與萬有引力定律的類比,再結合實驗研究的結果。②
    直覺想象型。以上三種過程都是屬于邏輯的過程,但實際上科學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程并非全是邏輯的,有時純粹是一種直覺的過程。正如普朗克在其自傳中所指出的,需要“對新觀點的一種活躍的直覺想象力,這些新觀點不是演繹得出的,而是通過藝術家一般的創(chuàng)造性想象得出的?!雹廴毡窘艹龅目茖W家湯川秀樹也談到直覺的重要作用,他說:“抽象由于其本身性質而不可能獨自起作用。人們必須從內容上更為具體和豐富的他物中抽象出某物。換言之,人類必須從直覺和想象著手,然后才能借助于自己的抽象能力?!雹軔垡蛩固挂彩侵庇X的極力推崇者,他說:“要通向這些定律,并沒有邏輯的道路;只有通過那種以對經驗的共鳴的理解為依據(jù)的直覺,才能得到這些定律。”⑤這些定律指的是物理學的普遍的基本定律。
    二、科學規(guī)律教學的邏輯程序
    科學規(guī)律教學的邏輯程序可以與科學規(guī)律的建立過程相吻合,也可以不同。在傳統(tǒng)的教學中,科學規(guī)律教學的邏輯程序主要是理解接受型。這一類型的科學規(guī)律教學主要存在于灌輸式教學之中,它直接給出已經存在的規(guī)律,讓學生理解接受,但是它卻適合于建立過程為各種類型的規(guī)律的教學。比如高中物理中楞次定律的教學,可以直接給出結論結合實例加以理解。
    理解接受型的規(guī)律教學可以采用講授式、自學式、討論式等課堂組織形式,也可以輔之以實驗。包括演示實驗、邊教邊實驗等形式,但實驗的功能主要是提供理解所需的感性基礎和經驗支持。比如在楞次定律的教學中,無論是先給出結論然后配以實例說明,還是先提供幾個演示實驗再給出楞次定律來分析,其實質是一樣的。
    在初中物理教學中,我們常常見到這樣的典型例子,如阿基米德定律的教學:教師在回顧前一節(jié)已經初步認識浮力并知道浸沒在水中的正方體所受浮力產生的原因,是在正方體上下表面處的壓強差的基礎上,提出“一般的不規(guī)則物體所受的浮力由什么決定?有多大?”的問題,然后說“對于不規(guī)則的物體我們需要通過實驗來研究”,接著出示實驗裝置,簡單說明原理后進行操作:在彈簧的下端掛一個空杯,空杯下面吊一個固體物塊(如金屬塊),記下彈簧伸長的位置,另取一只溢水杯,杯里的水裝到溢水管口,使水剛好不流出,把物塊緩緩地全部浸入水面下,物塊受到水的浮力,彈簧縮短,被物塊排開的水全部從溢水管流入小杯,然后把小杯里的水倒入彈簧下面的空杯中,彈簧又伸長到原來的位置,說明物塊在水中受到的浮力與被物塊排開的水的重力相等,然后再進一步推廣上升至阿基米德定律。在這樣一個過程中,一般的學生都只是一個觀察者,學生們不知道實驗為什么會這樣做,怎么會想到把溢出的水再加到彈簧下的空杯里,所以他只能做一個觀眾。除了靜觀結果外,其思維未能啟動。實驗也只不過為定律的得出提供事實支持或為學生提供感性印象,幫助記憶或為激發(fā)學生興趣等,而與實驗的本質特征(即科學探究)有關的功能卻得不到發(fā)揮。所以,雖然從形式上說符合科學探究的過程,但從邏輯本質上來分析,仍然屬于理解接受型的教學。
    新課程理念推崇探索研究型的教學。這一類型要求科學教學在重視知識本身的同時,還要重視規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,使學生在掌握知識的同時體驗科學家創(chuàng)造知識的過程。探索研究型的規(guī)律教學可以采用問題探究式、實驗探究式等課堂組織形式。其基本過程一般是創(chuàng)設問題環(huán)境、提出問題、研究解決問題、得出結論。比如法拉第電磁感應定律的教學,可以仿照法拉第的研究歷程,通過實驗探究,得出結論。這一類型的教學程序適合于建立過程為經驗歸納型、類比假說型、直覺想象型的規(guī)律的教學。
    再來討論阿基米德定律的教學,“關鍵的問題是,人們一開始怎么會想到要設法去收集那一部分由于物體的浸入而被排擠開的液體呢?在科學發(fā)現(xiàn)的故事中,這才是具奧妙、有魅力的一段?!雹拊谶@里,理論外推加實驗驗證是這一案例所要反映的典型方法。先定量分析浸沒在水中的規(guī)則的立方體所受的浮力,得到:(這些計算學生在液體內部壓強計算的作業(yè)中已做過),推廣到不規(guī)則的物體,然后通過實驗驗證。這樣,想到要設法去收集那一部分由于物體的浸入而被排擠開的液體,并把它的重力與物體所受的浮力進行比較就是很自然的事情,至于是不是要倒回掛在彈簧下面的空杯里進行比較則是不重要的(當然,作為一種儀器的巧妙設計是值得一提的。在明確了其“比較”功能之后,可體會到其妙處。否則反而會成為干擾因素,這也是很多新教師在如何介紹阿基米德定律演示儀時所遇到的困惑)這是一種比較好的教學策略,當然還有其他的選擇。但不同的選擇有優(yōu)劣之分,雖然在得到結果之前,并不是非常清楚孰優(yōu)孰劣,可教學應該選擇優(yōu)的途徑,從中獲取成功的經驗,掌握優(yōu)的方法,不能以發(fā)散或開放為理由而沖淡優(yōu)化的示范作用。比如有人把阿基米德定律的教學過程設計成猜想的過程:猜想由于浮力是液體對物體的作用力,所以浮力的大小可能與物體(物體的密度、體積)和液體(密度等)以及物體浸入液體的深度有關,然后通過實驗驗證猜想正確與否。⑦這樣的設計未嘗不可,但不能說是與前者無優(yōu)劣之分。在對規(guī)則物體所受浮力的原因已做正確認識的基礎上,不去利用已有知識,卻要去做無基礎的猜想,不是探究所走的應有途徑。
    當然,應該承認“探究式科學教學實際上不是一種統(tǒng)一格式的教學模式”⑧,但也要注意到不同的案例,有著與其相應的比較合適的探究途徑作為學生應該模仿并且能遷移的范式。不同的內容不能用某一固定的模式處理,應該用不同的方式去設計,但對于同一內容卻應該存在一種(或幾種)比較合適的處理方法。探究式教學提倡讓學生充分自主體驗,但不能讓學生像無頭蒼蠅一樣亂撞;探究式教學要避免學生被教師牽著鼻子走,但學生自己探路也要講究科學性。這樣,就必須以上面所述的科學規(guī)律建立過程的不同特點為依據(jù)。
    三、科學規(guī)律的邏輯表述
    科學規(guī)律(包括定律、定理、原理、法則、公式等)反映了客觀事物在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律,它反映了運動變化的各個因素之間的本質聯(lián)系,揭露了事物本質屬性之間的內在聯(lián)系。所以,科學規(guī)律是在一定條件下某些科學概念間內在的必然的聯(lián)系。
    從邏輯的角度來看,科學規(guī)律都是一些命題。命題就是反映事物情況的思想。命題既然是對事物情況的反映,這種反映就有是否符合實際情況的問題。凡是符合實際的命題是真命題,不符合實際的就是假命題。
    科學規(guī)律是在實踐中形成的,并且都在一定的范圍內經過實踐檢驗的,因而都是在一定的范圍內的真命題。并且科學規(guī)律一般是所謂的判斷。判斷就是被斷定了的命題。
    科學定律必須用恰當?shù)男问絹肀硎?。但是,在實際教學過程當中,有些教師由于對定律表述的邏輯形式沒有很好理解,會出現(xiàn)一些錯誤。
    比如在物理教學中的玻意耳定律,是關于溫度不變的時候,反映氣體的壓強與體積的關系。有些教師把它表述成“對于一定質量的氣體,如果其溫度保持不變,則其壓強與體積的乘積是一恒量”,這是不恰當?shù)?。當然,作為一個普通的陳述并無科學性錯誤,但作為一個定律的表述是不全面的。因為它只是一個充分條件假言命題,只能說明“若溫度不變,壓強與體積的乘積就不變”,并不能由它得到“如果溫度變化了,則壓強與體積的乘積就變”等情況。所以,正確的表述應該是以充分必要條件命題的形式出現(xiàn)。
    常見的用于表述科學定律的命題形式有直言命題或性質命題、關系命題、聯(lián)言命題、選言命題、假言命題等。而且還經常在表述形式中包含“必然”“可能”這些模態(tài)詞,構成模態(tài)命題。這些對于教學工作人員來說,也是有必要搞清楚的,不能說只要嚴格按照教科書的表述即可,應該知其然更應知其所以然。
    四、對科學規(guī)律教學的要求
    對科學規(guī)律教學的要求有多個方面。有從動機和興趣方面來要求的,要求教學要直觀生動,引起學生學習興趣;有從記憶理論來要求的,要求及時鞏固、適時復習等等。如果單從邏輯方面來要求,科學規(guī)律教學應該做到以下幾個方面:
    第一,透徹理解科學規(guī)律的真實意義以及適用的條件。
    第二,領會科學規(guī)律的表述的邏輯形式。比如反射定律中關于“反射角等于入射角”的表述,是不能說成“入射角等于反射角”的,雖然特定語境下(比如解題當中),這樣說并沒錯,但作為定律的表述必須說成“反射角等于入射角”。
    第三,科學規(guī)律的教學當中,必須重視邏輯方法的掌握。教學中要知識、方法、能力并重,這已經是共識,不必多說。但要指出的是教學當中,容易出現(xiàn)只重視本學科的具體方法而疏忽邏輯學方法的情況。同時,要重視科學規(guī)律建立的邏輯過程的體驗,這也是新課標所特別強調的。
    第四,運用科學規(guī)律解決問題。學習科學規(guī)律并不是要記住一些公式,而是要利用這些規(guī)律去解決實際問題。而且對規(guī)律的認識也有一個從抽象到具體的過程,通過實際應用,才能使學生對科學規(guī)律的認識具體化。實際問題都是非常具體的,存在著各種關系和矛盾,通過解決實際問題的訓練,可以使學生對規(guī)律的認識越來越具體化,使其真正掌握科學規(guī)律。