朱壮丽

摘要：自然是自然科学的天然内涵，自然模型是自然现象和科学规律的形式体现，自然科学知识的学习生涯是在思维中建立自然模型的过程，即自然建模。定性与定量是自然建模的发展过程的两个典型特征。早期的自然建模偏重于定性，具有一定的趣味性，往往发端于对自然现象的简单观察和经验积累，并直接投入到实际应用。成熟的自然建模偏向于定量，是严谨的科学实验，是对自然规律的公式化抽象化表达。从查理定律/盖-吕萨克定律的发现过程，可以看出，我国古代早期的自然建模思想偏向于定性;而西方近代社会的自然科学发展史，则更注重定量的自然建模分析。根据教育类型的不同，引入不同特征的自然建模思想，可以有效的提高教学效果，促进学生发展。

关键词：自然建模;定性与定量;科学实验;科普教育与科研教育

自然科学，与社会科学、思维科学并称科学三大领域，在某种程度上说，现代科技是自然科学发展的成果结晶，自然学科教育与学习是继承与发展科技的重要方式。纵观历史更迭、社会变革与教育发展，物理化学等自然科学基础学科都扮演着至关重要的角色。“学好数理化，走遍天下都不怕”的坊间传言一度甚嚣尘上，好似“只有学不好理科的学生，才会选择文科”。这些俚语虽有失偏颇，却恰从侧面说明了自然科学的重要性和学科难度。

针对自然科学教学中长期存在的教学效率低、学业成绩低、学生学习兴趣不高等问题，有研究表明导致理科学习困难的最重要因素是缺乏生活实践和学习方法。[1]佩里（William Perry）等人对课堂自然科学学习进行的一项开拓性研究表明，学生的学习困难除了缺乏学习动机、方法和能力，大多是狭隘的知识观造成的：多年来，学生反复学习已经整理成知识体系的内容并熟记，由此产生了学习便是增加我们知识体系中的一些事实材料和解决问题的几套现成公式而己的错觉，并相应形成了以记忆事实为目的的学习策略。[2]这大大迎合了我国传统的教授-苦学教学模式，从而导致了自然科学理论知识孤立与机械化，如饥似渴的学习着理论知识的学子们，渐渐弱化乃至失去了从自然现象中发现并总结规律的能力;学科知识成为了教学的唯一结果，学生学习兴趣的提升、学习信心的增强、学习潜能的开发、自主学习能力的形成，这些促进学生健康成长关键因素严重缺位。[3]这直接动摇了学生处理与自身关系的自信基础，撕裂了学生处理与自然关系的纽带，阻碍了学生核心素养的培养与发展。

诚然，自然是自然科学的天然内涵，自然模型是自然现象和科学规律的形式体现，那么自然科学知识的学习生涯必然应是在思维中建立自然模型的过程，即自然建模。这是自然建模在自然科学教育与学习中的天然优势，且其更具趣味性和指向性，有助于提高学生的学习兴趣和动机;其更具有普遍性和联系性，给学生提供了更多样性的选择和思考空间;其本身既是教学方法又是学习方法，有助于学生凝练学习方法和能力，并提高教学与学习效果;同时，自然模型的联系性多表现在自然学科之间的联系性，从而打破了传统学习上的孤立性和机械化。

一、查理定律/盖-吕萨克定律的发现与发展

十八世纪末，法国造纸商孟格菲兄弟发明了热气球载人技术，其在欧洲掀起了气球载人的飞天浪潮。八十年代，法国物理学家查理，在完成氢气球载人升空试验后，开始着手研究气体膨胀性质。他通过实验证实：压力一定时，气体体积的改变和温度的改变成正比。进一步实验发现，对于一定质量的气体，当体积不变的时候，温度每升高l℃，压力就增加它在0℃时候压力的1/273，这就是查理定律的由来。同时查理还用它作根据，推算出气体在恒定压力下的膨胀速率是个常数。二十年后，法国物理学家、化学家盖·吕萨克通过实验证实了查理有关膨胀速率的猜想，并精确地计算出气体膨胀系数的数值是0.00375或1/266.6，现代理想值为1/273.15，这便是盖·吕萨克定律（或称查理-盖·吕萨克定律）的由来。半个世纪后，英国科學家开尔文，在此基础上建立了热力学温标;这简化了定律公式，得到了我们今天看到的公式形式，即查理定律：一定质量的气体，体积不变时，压强与热力学温度成正比P/T=C，盖-吕萨克定律：一定质量的气体，压强不变时，体积跟热力学温度成正比V/T=C。

二、我国对相关气体规律的研究和应用

对比之下，我国的热气升空技术则要早得多，最早可追溯到公元前2世纪。据《淮南万毕术》记载：汉代淮南王刘安在研究热气升空技术时，将鸡蛋去汁，以艾燃烧取热气，使蛋壳浮升。公元2-3世纪，天灯的发明，标志着我国热气升空技术的成熟，并被运用到军事领域，这就是我们所熟知的孔明灯。[4]另一方面，我国利用空气膨胀规律的“拔火罐”技术更加大大提前，最早可追溯到先秦时期。[5]首先罐中空气（质量一定，大气压不变）受热（温度升高）膨胀，体积增大（盖-吕萨克定律），随后空气（质量一定）罐口封闭在患处（体积不变），温度降低后形成负压（压强降低）（查理定律）。

三、自然建模定性与定量的分析比较

那么，为何近代自然科学在西方屡屡突破，而历史更悠久，自然经验更加丰富的东方却频频碰壁呢？原因恰恰就在丰富的自然经验上！东方注重的实用主义，往往将自然建模的过程偏向于定性，且在实际应用领域发展很快，这是中国古代社会可以引领世界潮流发展近千年的根本。我们欠缺的正是自然建模从定性到定量的引导和意识。而今天我们的自然科学教育在某种程度上正走上这条歧路，只不过从注重自然经验，转变为注重知识经验。随着自然科学知识的深入发展，理论体系化系统化的学科壁垒越加高深，这又衍生出了自然科学教学与学习的孤立性和机械化问题，导致学生学习兴趣与动机、方法与能力的缺失，造成了全球性的自然学科教育与学习的窘境。

历史实践证明，科学规律的发现和证明离不开实验，科学理论尤其是自然学科的教育与学习离不开实验教学，自然建模作为一种更自然生动、更简单易行、更物美价廉的科学实验设计方案，尤其是在科学实验教学设计方面，具有得天独厚的优势，因此，我们说要在教学上引入自然模型，一方面，教师应该具有引导学生建立自然模型的能力，另一方面，学生在建立自然模型的过程中，掌握自然建模的方法，理解科学理论知识与自然规律的关系。同时，一方面，在低年级段或科普教育阶段，偏向于采用定性的自然建模理念，用趣味性吸引学生，用实际应用降低学生对知识的领悟难度，引导学生建立自然建模思想。另一方面，在高年级段或科研教育阶段，偏重于于采用定量的自然建模理念，引导学生在已经建立的定性自然建模思想上，进一步完善发展自然建模理念，培养科学探究精神和发展核心素养。

注：Email：zlzhu@tjnu.edu.cn

参考文献：

[1]王晶莹.高中理科学习困难的量化研究——基于三省（市）的问卷调查[J]. 江苏教育研究， 2014，（28）： 34-37.

[2]宋秋前.国外改进理科课堂学习的若干研究[J]. 外国教育资料， 1996，（06）： 30-35.

[3]方展画，弓静. “教”与”学”： 学校教育的博弈与回归[J].教育研究， 2018， 39（10）： 93-97.

[4]刘延柱.从孔明灯到热气球[J]. 力学与实践， 2010， 32（03）： 133-134.

[5]吕双双.拔罐疗法的历史源流探究[D]. 黑龙江中医药大学， 2015.